Kosmokseen kirjoitettua

Kauneusvirheen korjaaminen

31.8.2016 klo 18.34, kirjoittaja Syksy Räsänen
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua , Kosmologia

Kun CERNin LHC-kiihdytin käynnistyi vuonna 2009, fyysikot saattoivat olla varmoja, että haaviin jää jotain merkittävää. Hiukkasfysiikan Standardimalli ei toimi LHC:n luotaamilla energioilla ilman Higgsin hiukkasta. Niinpä oli selvää, että LHC löytää Standardimallin Higgsin hiukkasen, jotain ennestään tuntematonta tai sekä että. Tylsin vaihtoehto voitti: Higgs löytyi, mutta mistään Standardimallin tuonpuoleisesta ei ole näkynyt jälkeäkään.

Standardimallin tuonpuoleista fysiikkaa on varmasti olemassa ainakin siksi, että Standardimalli ei pysty selittämään aineen ja antiaineen välistä eroa, eli baryogeneesiä, eikä pimeää ainetta. (Eikä myöskään neutriinojen massoja, joista on annettu Nobelin palkintojakin.) Pitkään myös ajateltiin, että kosmiseen inflaatioon tarvitaan jokin uusi kenttä, mutta nyt näyttää siltä, että Higgs pystyy hoitamaan homman.

Yleensä ajatellaan, että Standardimallin tuonpuoleinen fysiikka se on pysynyt piilossa siksi, että se liittyy raskaisiin hiukkasiin, joiden tuottamiseen tarvitaan korkeita energioita. Maailma on rakentunut hierarkisesti siten, että pienempään mittakaavaan ja massiivisempiin hiukkasiin käsiksi pääseminen edellyttää energian tikapuilla nousemista: atomeja voi hajottaa tulitikulla, mutta atomiydinten rikkomiseen tarvitaan raskaampaa kalustoa, ja kvarkkien näkeminen ydinten sisällä vaatii niiden iskemistä toisiinsa kiihdyttimillä.

Mutta on toinenkin mahdollisuus: ehkä hiukkaset eivät ole jääneet näkemättä siksi, että ne ovat raskaita, vaan siksi, että ne vuorovaikuttavat heikosti. Tällöin baryogeneesin ja pimeän aineen voisi selittää vetoamatta Standardimallia korkeampaan energiaskaalaan. Tämä on perusajatus Takehiko Asakan ja Mikhail Shaposhnikovin ehdotuksessa nimeltä nuMSM, eli neutriinojen Minimaalinen Standardimalli. Nimi lienee tarkoituksella valittu samantyyliseksi kuin MSSM, Minimaalinen Supersymmetrinen Standardimalli. MSSM on suosituin (ja ehkä yksinkertaisin) malli, joka toteuttaa idean siitä, että baryogeneesi ja pimeä aine ovat piilossa korkeammilla energioilla, ja vastaavasti nuMSM on yksinkertaisin malli, jossa vedotaan sen sijaan vuorovaikutuksen heikkouteen.

Nimen mukaisesti nuMSM:n keskeiset näyttelijät ovat neutriinoja, mutta eivät sellaisina kuin me ne tunnemme. Tavallisetkin neutriinot ovat hyvä esimerkki fysiikasta, joka on ollut piilossa vuorovaikutusten heikkouden takia. Kuten elektronit ja protonit, neutriinot ovat stabiileja, eli ne eivät koskaan hajoa. Neutriinot ovat toiseksi runsaslukuisimpia hiukkasia maailmankaikkeudessa, niitä on 83% fotonien lukumäärästä, noin miljardi jokaista protonia ja elektronia kohden, 341 kappaletta kuutiosenttimetrissä. Standardimallissa on kolmenlaisia neutriinoja, ja niistä ensimmäinen nähtiin suoraan vasta vuonna 1956, toinen 1962 ja viimeinen 2000, vaikka vihjeitä ja epäsuoria todisteita oli jo aiemmin.

Neutriinojen havaitseminen on vaikeaa, koska niillä ei ole sähkövarausta eikä värivarausta. Niinpä niitä ei voi nähdä eikä koskea, eivätkä ne ole atomiydinten rakennuspalikoita. Tavalliset neutriinot tuntevat kuitenkin Standardimallin kolmannen vuorovaikutuksen, eli heikon vuorovaikutuksen. Sen kautta niitä syntyy ydinten hajoamisissa, mitä kautta niistä alun perin saatiinkin vihiä.

Koska neutriinot ovat näkymättömiä massiivisia hiukkasia, niiden uumoiltiin aikoinaan selittävän pimeän aineen, mutta on osoittautunut, että ne ovat siihen liian kevyitä. (Baryogeneesiin niistä ei ole mitään apua.) nuMSM:ssä Standardimalliin lisätään kolmen tutun rinnalle kolme uutta neutriinoa, jotka ovat Higgsin hiukkasta kevyempiä. Hiukkaskiihdyttimistä ja kevyiden alkuaineiden synnystä kuitenkin tiedetään, että niillä ei tällöin voi olla heikkoja vuorovaikutuksia, muuten ne olisi jo havaittu. Koska uudet neutriinot eivät tunne mitään Standardimallin vuorovaikutuksista, niitä sanotaan steriileiksi.

Steriilit neutriinot eivät ole kummallinen ajatus. Standardimallissa kaikista ainehiukkasista paitsi neutriinoista on tavallaan neljä versiota. Voi ajatella, että hiukkasen lisäksi on olemassa antihiukkanen, ja toinen tekijä kaksi liittyy ominaisuuteen nimeltä spin, josta ei tässä sen enempää. Jos neutriinoillekin antaa kaksi uutta komponenttia, niin uudet komponentit voi käsittää uusiksi hiukkasiksi, steriileiksi neutriinoiksi. Neutriinoiden massojen antamisen myötä ne tulevatkin kuvaan varsin luontevasti. Itse asiassa Standardimalliin olisi kenties alun perinkin pitänyt ottaa mukaan neutriinoiden massat ja steriilit neutriinot.

nuMSM:ssä kevyin steriili neutriino on vastuussa pimeästä aineesta, ja kaksi muuta selittävät aineen ja antiaineen välisen epäsuhdan. Vaikka steriilit neutriinot eivät tunne Standardimallin vuorovaikutuksia, ne voivat muuttua tavallisiksi neutriinoiksi ja toisin päin. Baryogeneesi toimii nuMSM:ssä siten, että kun steriilit neutriinot muuttuvat varhaisessa maailmankaikkeudessa tavallisiksi neutriinoiksi, niin syntyy hieman enemmän neutriinoja kuin antineutriinoja, ja tämä ero sitten siirtyy Higgsin kentän jäätyessä muulle aineelle, ja lopulta protoneille. Mekanismin käytäntö on hyvin sotkuinen, joten ei mennä siihen tässä.

Tämä herättää myös kysymyksen siitä, että eikö tavallisten neutriinojen muuttumista steriileiksi sitten ole nähty kokeissa? Neutriinoja kuitenkin tutkitaan nykyään tarkasti, kuten surullisenkuuluisa OPERA teki tunnetuksi. Tällaisesta muuttumisesta on itse asiassa ollut joitakin ristiriitaisia vihjeitä, mutta ilmiötä ei ole koskaan luotettavasti havaittu, joten neutriinojen ja steriilien neutriinojen muutostodennäköisyyden pitää olla erittäin pieni.

Steriili neutriino voi myös hajota tavalliseksi neutriinoksi ja fotoniksi. Koska maailmankaikkeudessa on paljon pimeä ainetta, niin taivaalla pitäisi näkyä hajoamisesta tulevia röntgensäteitä. Jotta nuMSM toimisi, mutta kevyintä steriiliä neutriinoa ei olisi vielä näkynyt, sen massan pitää olla noin satatuhatta kertaa protonin massaa pienempi, ei enempää eikä vähempää. Koska sen hajoamisessa syntyvän röntgensäteen energia on puolet sen massaan liittyvästä energiasta, tiedetään melko tarkasti mitä etsiä. Kuten muiden pimeän aineen kandidaattien annihilaation kanssa, ongelmana on kuitenkin se, että taivaalla on kaikenlaista säteilyä, eikä ole yksinkertaista setviä, mikä siitä on peräisin pimeästä aineesta ja millä on arkisempi alkuperä.

Steriilien neutriinoiden näkeminen hiukkaskiihdyttimissä on vaikeaa, koska ne vuorovaikuttavat niin heikosti. Sitä varten tarvitaan kokeita, joissa ei panosteta törmäysten energiaan vaan lukumäärään, ja jotka on suunniteltu havaitsemaan steriilien neutriinoiden signaaleja, jotka ovat erilaisia kuin raskaiden hiukkasten, joihin LHC keskittyy. Mutta niitä voi etsiä myös galaksien muotoja tutkimalla.

Jos pimeä aine on nuMSM:n steriilejä neutriinoita, niin se saattaa selittää, miksi maailmankaikkeudessa nähdään vähemmän kääpiögalakseja kuin mitä simulaatioiden perusteella odottaisi. Steriilit neutriinot voivat auttaa asiaa, koska ne liikkuvat nopeasti ja pyyhkivät kääpiögalaksien siemeninä toimivia klimppejä aineen jakaumassa pois ennen kuin ne ehtivät kasvaa. Ne voisiat samaan tapaan tasoittaa galaksien keskustojen tiheyttä, mikä vaikuttaa sekin olevan todellisuudessa pienempi kuin simulaatioissa.

Tähän on tosin laitettava sellainen iso varaus, että ilmeisesti nämä piirteet on mahdollista selittää ilman mitään ylimääräistä fysiikkaa, kunhan vain tekee realistisempia simulaatioita. Mutta asian voi kääntää toisin päin: mitä vähemmän tilaa galakseissa on ylimääräiselle sotkemiselle, sitä helpompi on havaita tai sulkea pois uusia hiukkasia, jotka vaikuttaisivat niihin.

nuMSM:n steriili neutriino taitaa olla lempikandidaattini pimeäksi aineeksi. nuMSM on hyvin motivoitu, yksinkertainen ja vieläpä kokeellisesti lähiaikoina varmennettavissa tai poissuljettavissa. Siinä missä supersymmetriassa ja teknivärissä otetaan mukaan uudenlainen teoreettinen idea, jolla on kauaskantoisia seurauksia, kolmen steriilin neutriinon lisäämistä voi pitää vain Standardimallin kauneusvirheen korjaamisena. nuMSM:ssä tästä pienestä lisästä otetaan kaikki irti.

Hiukkasfysiikassa on totuttu siihen, että korkeammilla energioilla tulee aina vastaan paljon uutta fysiikkaa, esimerkiksi suunnitelmat seuraavista kiihdyttimistä perustuvat siihen odotukseen, että niistä avautuu uusi rikas ilmiömaailma. nuMSM menee eri suuntaan, eikä lupaile keidasta seuraavan kummun taakse. Jos tavoitteena on havaintojen selittäminen, niin nuMSM on kelpo paketti, mutta kun halutaan käyttää havaintoja todellisuuden ymmärtämiseen syvemmällä tasolla, niin se tuntuu pettymykseltä. Eräs kollegani totesikin, että nuMSM on hieno idea, ja hän todella toivoo, että se ei pidä paikkaansa.