Porttiteoria
Kaikki todisteemme pimeän aineen olemassaolosta perustuvat sen gravitaatioon. Havaitsemme että näkyvä aine liikkuu, valo taipuu ja maailmankaikkeus laajenee eri tavalla kuin mitä pelkästään näkyvän aineen perusteella pitäisi. Tästä päättelemme, että on olemassa näkymätöntä ainetta. (Vaikka asiaa voi vielä järkevästi epäillä.) Mutta mitä se on?
Toissapäivänä Alexander Belyav Southamptonin yliopistosta ja Rutherfordin laboratoriosta Iso-Britanniasta puhui Helsingin yliopiston fysiikan osaston kosmologiaseminaarien sarjassa pimeän aineen mallien erottamisesta toisistaan.
Pimeä aine voi olla asteroidin massaisia mustia aukkoja, alkeishiukkasia, tai alkeishiukkasten yhdistelmiä. Jos pimeä aine koostuu alkeishiukkasista, emme tiedä niiden massoja, millaisia vuorovaikutuksia niillä on, tai ovatko ne täysin stabiileja (kuten elektronit) vai ainoastaan hyvin pitkäikäisiä.
Pimeän aineen hiukkasiksi on satoja ehdotuksia: nynnyt, aksionit, heksakvarkit, steriilit neutriinot, teknivärihiukkasten kimput, tunnettujen hiukkasten sukulaiset ylimääräisistä ulottuvuuksista, ja niin edelleen.
Pimeän aineen luonteen selvittämiksi (ja sen varmistamiseksi, että pimeää ainetta on olemassa) pitäisi havaita ne hiukkaset (tai mustat aukot) mistä se koostuu. Näitä hiukkasia etsitään erilaisilla tavoilla.
Pimeää ainetta kulkee koko ajan Maan läpi, joten voidaan havaita miten se tönii laboratoriossa olevia hiukkasia. Pimeä aine saattaa annihiloitua paikoissa, missä on paljon sen hiukkasia ja antihiukkasia, ja tästä tulevaa säteilyä voidaan havaita. Pimeän aineen hiukkasia voidaan tuottaa hiukkaskiihdyttimissä. Lisäksi ne voivat vaikuttaa varhaisten tähtien kehitykseen: on ehdotettu, että James Webb Space Telescopen näkemät kirkkaat punaiset pisteet ovat pimeän aineen annihilaation kirkastamia tähtiä.
Pimeän aineen mallissa pitää kertoa myös, millaisen hiukkasen kautta se vuorovaikuttaa näkyvän aineen kanssa. Tällaista hiukkasta kutsutaan joskus porttihiukkaseksi, koska se on ainoa hiukkasfysiikan väylä tunnetun Standardimallin ja tuntemattoman pimeän sektorin välillä. Pimeän aineen hiukkasen lisäksi pimeällä sektorilla voi olla paljon muitakin hiukkasia, joita näemme vain porttihiukkasen kautta.
Pitkään suosituin pimeän aineen ehdokas oli nynny, joka vuorovaikuttaa muun aineen kanssa hiukkasfysiikan Standardimallin W- ja Z-bosonien kautta. Jos tällaisia hiukkasia olisi olemassa, ne olisi jo löydetty, koska W– ja Z-bosonien kautta ne vaikuttaisivat niin voimakkaasti tavalliseen aineeseen. Kertoo teknologian kehityksestä, että W– ja Z-bosonien välittämä vuorovaikutus nimettiin aikoinaan heikoksi vuorovaikutukseksi, mutta nykyisen mittaustarkkuuden puitteissa sen signaali on erittäin vahva.
Pimeästä sektorista on tullut suosittu tutkimusaihe, varsinkin kun sinne voi rakentaa melkein millaisia malleja tahtoo, kunhan pitää portin tarpeeksi kapeana, eli uudet hiukkaset tarpeeksi eristettynä Standardimallista.
Jos jotain sitten havaitaan, mitä siitä voi päätellä? Hiukkaskiihdyttimissä pimeän aineen signaali on vain se, että jotain ei nähdä. Hiukkastörmäyksissä energia ja liikemäärä säilyvät, joten jos havaittujen törmäyksessä syntyneiden hiukkasten energia ja liikemäärä on vähemmän kuin törmäytettyjen hiukkasten energia ja liikemäärä, niin voi päätellä, että on syntynyt hiukkasia, joita ei havaita.
Belyav on yhteistyökumppaneineen selvittänyt, miten tällaisesta yksinkertaisen tuntuisesta signaalista voi erotella, millaisesta pimeän aineen hiukkasesta on kyse. Erilaisten vaihtoehtojen ilmaan heittelemisen sijaan Belyav ja kumppanit käyvät läpi malleja järjestelmällisesti askel kerrallaan sen mukaan, millainen pimeän aineen hiukkanen ja porttihiukkanen niissä on. Samalla he ottavat huomioon kaikki erilaiset tavat havaita pimeää ainetta – nykyään onkin tavallista yhdistää havainnot kiihdyttimissä ja kosmoksessa.
Järjestelmällisen lähestymistavan takia on iso määrä malleja seulottavaksi, ja Belyav haluaa käyttää koneoppimista mahdollisten havaittujen signaalien ja mallien yhdistämiseen. Tällä hetkellä kuitenkaan ongelmana ei ole havaintojen tulkitseminen, vaan se että pimeän aineen hiukkasesta ei ole mitään havaintoja.
Lisäksi Belyavin ja kumpp. tutkailu kattaa vain sellaiset hiukkaset, jotka ovat lähellä nykyisten kiihdyttimien ja tönimiskokeiden rajoja – eli joita voisi löytyä lähitulevaisuuden kokeissa. Mutta ei ole mitään taetta siitä, että aarre odottaa juuri kulman takana. Kun aluksi oli perusteltu pimeän aineen ehdokas –nynnyt– joka kuitenkin osoittautui liian vahvasti vuorovaikuttavaksi, on houkuttelevaa jatkaa teorioiden polulla samaan suuntaan, ja tehdä vuorovaikutuksista vain heikompia ja heikompia, kunnes ollaan kaukana alkuperäisestä motivaatiosta.
Ongelma on sama kuin muunkin Standardimallin tuonpuoleisen hiukkasfysiikan etsimisessä kiihdyttimillä: ei ole hyvää teoreettista syytä odottaa, että kohta näkyy jotain uutta. Ongelmaa pahentaa se, että kiihdytinten luotaama alue kasvaa hyvin hitaasti. Kuten FCC-kiihdytinprojekti osoittaa, tarvitaan paljon teknologista panostusta, jotta saataisiin luodattua hieman korkeampia energioita ja hieman heikompia signaaleja.
Toinen vaihtoehto on vaihtaa reittiä ja tutkia aivan erilaisia pimeän aineen ehdokkaita, kuten kevyisiin pimeän aineen hiukkasiin keskittyvässä SHiP-kokeessa, pimeän aineen hajoamisesta syntyvän röntgensäteilyn mittauksissa, ja pienten mustien aukkojen metsästyksessä.
Portista tai portaalista puheen ollen nk. Higgsin silta on kiinnostava mahdollisuus.
Siinä tavallisen ja pimeän Higgsin välillä olisi mitattavaa vuorovaikutusta. Ongelmina Higgsin nopea hajoaminen suoraan mitattavaksi ja mikä versio Higgseistä olisi oikea. Ellei pimeän Higgsin hajoamistuotteita voi havaita, niin millähän ilveellä tuon kokeen saisi toimimaan?
Tosiaan, yksi mahdollisuus on että porttihiukkanen on Standardimallin Higgs. Sen signaalit riippuvat pimeän sektorin yksityiskohdista, mutta yksi tyypillinen signaali liittyy Higgsin hajoamiseen. Standardimalli ennustaa miten usein Higgs hajoaa minkäkinlaiseksi hiukkaseksi, ja ylimääräinen hajoamiskanava muuttaa näitä, vaikka uusia hajoamisia ei havaittaisi.
Räsänen: HL-LHC-kiihdyttimen suunnitellaan uusia koelaitteita, kuten SHiP, jonka kohteena ovat hyvin heikosti vuorovaikuttavat hiukkaset. Tunnetuin esimerkki on oikeakätiset neutriinot, jotka ovat oma suosikkini pimeän aineen hiukkaseksi.
Tässä hieman aikataulua ja tavoitteita: The High-Luminosity LHC will make it possible to study these in more detail by increasing the number of collisions by a factor of between 5 and 7.5 with respect to the nominal LHC design.
The objective is to increase the integrated luminosity by a factor of 10 beyond the LHC’s design value.
If all above planned activities are completed according to the timeline, HL-LHC would be able to start its physics operation in 2028
Tosiaan: nuo Räsäsen mainitsemat oikeakätiset neutriinothan ovat olleet teoriailmastossa vuosikausia (alk.1970-1980). Kiikkulautateoria (see-saw) erittelee neutriinot joko vasen- tai oikeakätisiksi ja Majorana neutriino on oma antihiukkasensa ja Dirac-versiossa neutriino ja antineutriino ovat eri hiukkasia. Kokeissa todettu vain vas.kät. neutriinoja ja oik.kät. antineutriinoja. Neutriinoton kaksoibeetahajoaminen olisi osoitus Majoranasta. Kosmoksessa havaittu baryoniepäsymmetria on lähes nolla Dirac-vaiheisille hiukkasille, mikä viittaisi neutriinojen olevan Majoranahiukkasia. Havaintovaikeus: oik.kät. neutriinot vuorovaikuttavat äärimmäisen heikosti.
Paras mahdollisuus steriilien neutriinoiden löytämiseen (jos ne ovat kevyitä) lienee niiden hajoamisesta syntyvöt röntgensäteet.
https://www.ursa.fi/blogi/kosmokseen-kirjoitettua/huippujen-laskeminen/
Jos sopiva neutriino olisi olemassa, mikä sen massan pitäisi vähintään olla, että sillä katettaisiin pimeä aine?
Nykyisillähän se ei onnistu edes lähelle.
Seurailen, asiaan liittyen, DUNE-koejärjestelyn edistymistä, siihen on ladattu paljon rahaa ja odotuksia. Se jo on sinällään järjen riemuvoitto kuinka neutriinosädettä ohjaillaan.
Pimeän aineen massa voisi olla paljon pienempikin kuin tunnettujen neutriinoiden massa, jos hiukkasia vain on enemmän. Lisäksi niiden pitää liikkua tarpeeksi hitaasti varhaisina aikoina (tyypillisesti kevyet hiukkaset liikkuvat nopeammin).
Kevyimpien steriilien neutriinoiden pimeän aineen kandidaattien massa on 5-10 keV luokkaa.
Eikö pimeän aineen sijasta pitäisi puhua painovoimasta, jonka aiheuttajaa ei tunneta? Koska gravitonia tai muutakaan hiukkasta ei ole löydetty selittämään tuntemaamme painovoimaa, miksi tuntematon painovoima (ns. pimeä aine) vaatisi selittäjäkseen hiukkasen? Eikö olisi loogisempaa ajatella, että siinäkin on kyse tuntemastamme aika-avaruuden kaareutumisesta, jonka aiheuttajia ovat pienikokoiset mustat aukot?
Havainnoissa on tosiaan vain kyse ylimääräisestä painovoimasta. Yleisen suhteellisuusteoriaan mukaan sillä on jokin lähde. Tämä lähde voi olla massiivisia hiukkasia tai mustia aukkoja.
Onko niin että pimeän aineen hiukkas- ja pienten mustien aukkojen vaihtoehtojen kesken ei ole voitu tehdä poissulkevaa valintaa? Vaihtoehdot ovat kovin erilailla vuorovaikuttavia, pienenkin mustan aukon mahdolliset törmäilyt näkyvän aineen kanssa aiheuttaisivat varmaan melko mielenkiintoisia ilmiötä. Vaikka galaksien pimeän aineen halo on suurempi näkyvän aineeseen verrattuna niin massahan myös on suurempi, eli törmäilyjen todennäköisyyden olettaisi olevan ihan kohtuullinen.
Joo, ei tiedetä onko pimeä aine hiukkasia vai mustia aukkoja.
Jos pimeä aine on mustia aukkoja, niiden massan pitää olla asteroidien massan luokkaa, muuten ne olisoi havaittu – tai toinen vaihtoehto on Planckin massan eli noin mikrogramman painoiset mustat aukot, jos ne eivät höyrysty enää pois. Tällaisia mustia aukkoja on niin harvassa ja niiden massa on niin pieni, että niitä on vaikea havaita.
Mutta kuinkas tämä seikka:
Jos universumissa olisi mustia aukkoja pimeän aineen verran, niin tuskin voitaisiin välttyä siltä, että jotkut niistä söisivät välillä.
Tästä seuraava röntgen- ja/tai gammasäteily voitaisiin havaita?
Gammapiikkejähän metsästetään muutenkin mahdollisten annihilaatioiden vuoksi.
Mustien aukkojen kertymäkiekon säteily on merkittävää vain jos niiden massa on Auringon massan luokkaa tai isompi.
Erilaisista tavoista havaita muinaisia mustia aukkoja enemmän täällä:
https://www.ursa.fi/blogi/kosmokseen-kirjoitettua/rajoituksia-monesta-suunnasta/
Molemmat pimeän aineen selitysmallien päävaihtoehdot ovat vahvennusta vailla joten saattaisi olle syytä ideoida uusia. Yksi sellainen voisi olla vaihtelevan suuruinen tyhjiöenergia. Suurempi aluellinen tyhjiöenergia gravitoi voimakkaamimmin joten se kai voisi sopia havaintoihin yhtä hyvin kuin muo kaksi tunnettua vaihtoehtoa.
Tyhjön energian gravitaatio on hylkivää, pimeän aineen puoleensa vetävää. Ne käyttäytyvät aivan eri tavalla.
Ei tyhjön energiasta sen enempää, kun merkintä koskee pimeää ainetta.