Kosmokseen kirjoitettua

Ei vielä valoa pimeyteen

26.11.2013 klo 21.40, kirjoittaja Syksy Räsänen
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua , Kosmologia

Huhtikuussa CDMS-niminen koeryhmä kertoi, että sen mittalaitteen kolmea atomia oli tönitty. Tämä saattoi johtua joko siitä, että pimeän aineen hiukkasia oli kulkenut sen läpi, tai sitten kyse oli taustakohinasta. Tiedotusvälineisiin juttu päätyi, koeryhmän erään jäsenen lehdistötiedotteen siivittämänä, siinä muodossa, että pimeä aine on havaittu 99.8% todennäköisyydellä. Väite oli harhaanjohtava: CDMS:n havainto oli kiinnostavan rajoilla, ei lähellä varmaa. Mutta oikeatkin havainnot usein alkavat pieninä vihjeinä, jotka varmentuvat uusien mittausten myötä. Jos CDMS:n tönäisyissä olisi kyse pimeästä aineesta, herkempien kokeiden pitäisi nähdä pimeä aine kirkkaasti.

Tarkempia havaintoja on nyt tehty: pimeää ainetta etsivä LUX-koeryhmä julkisti ensimmäiset tuloksensa lokakuun 30. päivä. LUX on lyhenne sanoista Large Underground Xenon, mikä viittaa siihen, että mittalaite on iso (250 kg – CDMS:än massa on vain 6 kg), sijaitsee puolentoista kilometrin syvyydessä hyvin eristettynä ja käyttää ksenonia havaintoaineenaan. Koejärjestely on samanlainen kuin CDMS:llä ja muilla pimeää ainetta suoraan etsivillä kokeilla: tarkkaillaan palaa ainetta (tässä tapauksessa säiliötä täynnä kaasua ja nestettä) ja odotetaan, töniikö pimeän aineen hiukkanen sen atomeja.

LUX ei nähnyt mitään merkkejä pimeästä aineesta: mittalaite havaitsi tönäisyjä sen verran, mitä taustakohinasta odottaakin, ei mitään ylimääräistä. (Jester ja Tomaso Dorigo kertovat asiasta tarkemmin.) LUX on isompi ja tarkempi kuin CDMS, joten jos CDMS:n havainnot olisivat olleet vihje pimeästä aineesta, LUX olisi nähnyt pimeän aineen selvästi – ainakin mikäli kyseessä olisi yksinkertaisin pimeän aineen kandidaatti.

Pimeästä aineesta ei tiedetä paljoa. Luultavasti se koostuu toistaiseksi tuntemattomista hiukkasista, mutta on tusinoittain erilaisia malleja sille, millaisia nämä hiukkaset ovat. Eräs suosituimpia ehdokkaita on tavallisten hiukkasten, kuten fotonin, raskaammat supersymmetriset puolisot. Jos CDMS:n tönäisyt johtuisivat tällaisista hiukkasista, LUX olisi nuo hiukkaset löytänyt. Vaikka LUX ei anna kuoliniskua yksinkertaisimmille supersymmetriaan liittyville pimeän aineen malleille, se kuitenkin entisestään heikentää niiden uskottavuutta. Tämä sopii hyvin yhteen sen kanssa, että LHC-kiihdytin ei myöskään ole nähnyt merkkiäkään supersymmetriasta.

Mutta on muitakin pimeän aineen ehdokkaita, ja on mahdollista kehitellä kaikenlaisia selityksiä sille, miksi CDMS olisi nähnyt pimeää ainetta, mutta LUX ei. Yksi ehdotus on ksenofobinen pimeä aine, joka vuorovaikuttaa LUXissa käytettävän ksenonin kanssa heikommin kuin CDMS:ssä käytettävän piin ja germaniumin. Samalla voi yrittää selittää vielä sen, miksi koe nimeltä DAMA väittää havainneensa pimeää ainetta jo monta vuotta, mutta muut ryhmät eivät ole pystyneet toistamaan tulosta.

Oppikirjoista jälkikäteen lukiessa tieteen edistyminen vaikuttaa väistämättömän selvältä. Arvoitusta ratkaistessa on kuitenkin paljon vääriä johtolankoja, eikä ole ilmeistä mihin suuntaan pitäisi kulkea. Jos uskoo sekä LUXin että DAMAn havaintojen pitävän paikkansa, voi sanoa että on saatu selville jotain hyvin odottamatonta ja merkittävää pimeän aineen hiukkasen ominaisuuksista:  se reagoi eri tavalla eri atomiydinten kanssa. Toisaalta voi arvioida, että koska kokeiden yhteensovittaminen vaatisi jotain hyvin odottamatonta, on luultavampaa, että DAMAn analyysissä on jokin merkittävä virhe, eikä sen enempää DAMA kuin CDMS ole nähnyt pimeää ainetta.

LUXin julkaisemat tulokset perustuvat ensimmäisen kolmen kuukauden havaintoihin. Vuosina 2014 ja 2015 on tarkoitus kerätä 10 kuukautta lisää dataa. On myös odotettavissa, että mittalaitteiden toiminta ymmärretään paremmin ja data-analyysi tarkentuu, joten LUXin rajat pimeän aineen ominaisuuksille tiukentuvat. On mahdollista, että pimeä aine vuorovaikuttaa juuri sen verran heikosti, että LUX ei nähnyt sitä kolmessa kuukaudessa, mutta se jää haaviin kun kuukausia saadaan kymmenen lisää. Ei kuitenkaan ole mitään erityistä syytä odottaa, että näin olisi. Mutta negatiivisetkin tulokset -sen osoittaminen, että jokin malli ei pidä paikkaansa- ovat tieteellisesti arvokkaita. 

Pikku-uutinen. Neljä ja puoli vuotta uskollisesti palvellut Planck-satelliitti on saatettu viimeiseen lepoon. Planck otti vastaan viimeisen käskynsä ja sammui ikiajoiksi lokakuun 23. päivä. Osa Planckin kosmologisista havainnoista julkistettiin maaliskuussa, mutta paljon keskeistä dataa on vielä analysoimatta, ja niiden julkaisua vuonna 2014 odotetaan innolla. Seuraavat kosmologisesti kiinnostavat eurooppalaiset satelliitit ovat vuonna 2020 kiertoradalle kapuava Euclid ja ensi kuussa, joulukuun 20. päivä, matkaan lähtevä Gaia. Kirjoitan molemmista myöhemmin lisää, Gaiasta toivon mukaan ennen sen maastamuuttoa. Gaiasta on muuten mainio juttu Tähdet ja avaruus -lehden uusimmassa numerossa, 7/2013.