Kun kuplat kohtaavat
Yksi kosmologian keskeisiä kysymyksiä on se, miksi ainetta on olemassa. Onnistunein selitys on, että kaikki nykyinen aine syntyi ensimmäisen sekunnin pienen murto-osan aikana, kun kosminen inflaatio (eli avaruuden kiihtyvä laajeneminen) loppui ja sitä ajanut kenttä hajosi hiukkasiksi. Tästä seuraa yksi jatkokysymys: miksi kaikki näkemämme planeetat, galaksit ja muut rakenteet koostuvat aineesta, eivät antiaineesta?
Jos hiukkasella on sähkövaraus (tai johonkin muuhun vuorovaikutukseen liittyvä varaus), on olemassa antihiukkanen, joka on muuten samanlainen, paitsi että sen varaus on vastakkainen. Esimerkiksi negatiivisesti varattua elektronia vastaa positiivisesti varattu positroni. Kun hiukkanen ja antihiukkanen kohtaavat, ne tuhoutuvat eli muuttuvat toisiksi hiukkasiksi, usein enimmäkseen fotoneiksi ja neutriinoiksi.
Suurin osa maailmankaikkeuden aineesta on näkymätöntä eli pimeää ainetta. Ei tiedetä, millaisista hiukkasista pimeä aine koostuu, mutta suosituimmissa malleissa pimeää ainetta ja antiainetta on yhtä paljon. Niinpä hiukkaset ja antihiukkaset varhaisina aikoina tuhoavat toisiaan kiivaasti, kunnes maailmankaikkeuden laajenemisen takia ne eivät enää törmää toisiinsa, ja jäljelle jäänyt pieni osa alkuperäisistä hiukkasista muodostaa nykyisen pimeän aineen. Paikoissa, mihin gravitaation takia kertyy paljon ainetta, kuten galaksien keskustoissa, tuhoutumista voi kuitenkin vielä tapahtua, ja tämän voisi periaatteessa nähdä niistä hohkaavana valona. Kiistattomia havaintoja tästä ei toistaiseksi ole.
Näkyvän aineen kohdalla on toisin. Näkyvä aine koostuu elektroneista, protoneista ja neutroneista. Jos olisi aluksi yhtä paljon elektroneja ja positroneja (sekä protoneita yhtä paljon kuin antiprotoneita, ja neutroneita yhtä paljon kuin antineutroneita), niin näkyvää ainetta olisi jäänyt jäljelle miljardi kertaa vähemmän kuin mitä sitä nyt on. Ero pimeään aineeseen johtuu siitä, että näkyvä aine vuorovaikuttaa voimakkaammin: protonit ja antiprotonit vetävät toisiaan enemmän puoleensa kuin pimeän aineen hiukkaset ja antihiukkaset, joten ne myös tuhoavat toisensa tehokkaammin.
Niinpä jonkin varhaisen maailmankaikkeuden tapahtuman pitää saada aikaan enemmän näkyvää ainetta kuin antiainetta. Kun antiprotonit on kulutettu loppuun, pitää jäädä protoneita yli. Tälle tapahtumalle on annettu nimi baryogeneesi, baryonisen aineen synty. Baryoninen aine tarkoittaa ainetta, joka koostuu kvarkeista, kuten protonit ja neutronit. (Elektronit ovat yleensä sivustakatsojia tässä touhussa.)
Maailmankaikkeuden historiassa tunnetaan yksi tapahtuma, jossa aineen ja antiaineen välinen tasapaino voi järkkyä, nimittäin sähköheikko symmetriarikko. Siinä on kyse Higgsin kentän olomuodon muutoksesta.
Higgsin kenttä täyttää avaruuden ja antaa tunnetuille hiukkasille (paitsi ehkä neutriinoille) massat. Kuten vedessä on raskaampaa kävellä kuin ilmassa, Higgsin kentän läpi on raskasta matkata. Kun maailmankaikkeuden lämpötila on tarpeeksi korkea (miljoona miljardia astetta), Higgsin kenttä kuitenkin sulaa, eikä enää haittaa hiukkasten liikettä. Tai jos tarkastellaan asioita oikein päin ajassa, niin varhaisina aikoina Higgsin kenttä on sula ja sitten jäätyy.
Jäätyminen alkaa eri paikoissa eri hetkinä, joten avaruuteen syntyy kuplia, joiden sisällä kenttä on jäässä ja ulkopuolella se on vielä sula. Kuplat kasvavat ja hiukkaset törmäilevät niiden seiniin. Koska hiukkaset vuorovaikuttavat eri tavalla jäätyneen ja sulan Higgsin kentän kanssa, kuplien seinien tienoilla antiainetta muuttuu aineeksi. Lopulta kuplat kattavat koko avaruuden, eli Higgsin kenttä on jäätynyt kaikkialla, ja jäljelle jää enemmän ainetta kuin antiainetta.
Ideassa on pieni ongelma: jos on olemassa vain tunnetut hiukkaset, Higgsin kentän olomuodon muutoksessa ei synny kuplia. Tapahtuma on silloin kuin kuuman veden tasainen muutos kaasuksi, ilman suurta eroa kahden olomuodon välillä. Asian voi ilmaista myös niin, että jos Higgs on vastuussa aineen ja antiaineen epäsuhdasta, on olemassa uusia hiukkasia, jotka tekevät muutoksesta jyrkemmän. Niiden massat eivät saa olla kovin paljon Higgsin massaa isompia, koska muuten ne eivät merkittävästi vaikuta sen olomuodon muutokseen.
Juuri tällaisten hiukkasten etsiminen on yksi CERNin hiukkaskiihdytin LHC:n pääasiallisia tehtäviä. Toistaiseksi mitään ei ole näkynyt tarkasta syynistä huolimatta. Tämän takia katseet ovat kääntyneet taivaalle.
Kuplien törmäykset eivät vain sekoita aineen ja antiaineen suhdetta, ne myös synnyttävät gravitaatioaaltoja. Kuplien seinissä on paljon energiaa. Niinpä niiden törmäykset ravistelevat avaruutta kovalla kädellä, kuten mustien aukkojen törmäykset nykyään.
Helsingin yliopistolla kollegani Mark Hindmarsh ja David Weir ovat kunnostautuneet näiden törmäysten tarkassa tutkimisessa. He ovat ensimmäisinä maailmassa laskeneet, millaisia gravitaatioaaltoja jyrkässä olomuodon muutoksessa kasvavien kuplien törmäyksissä syntyy. Muutkin kuin fyysikot voivat nauttia heidän elokuvistaan, jotka havainnollistavat laskujen tuloksia. Alla olevassa videossa näkyy kuplien synty, törmäykset ja yhtyminen.
Alla olevassa videossa näytetään, miten kuplien törmäykset synnyttävät gravitaatioaaltoja.
Elokuvasta näkee, että gravitaatioaaltoja syntyy vielä kuplien katoamisen jälkeen aineen velloessa väkivaltaisesti ympäriinsä.
Satelliittikolmikko LISA, joka nousee Aurinkoa kiertävälle radalle 2030-luvun puolivälissä, voi havaita Higgsin kuplista syntyneitä gravitaatioaaltoja. Joku voisi sanoa, että motivaatio niiden etsimiselle on heikko koska LHC ei ole nähnyt mitään. Toisaalta voi ajatella, että juuri siksi gravitaatioaallot ovat tärkeitä: jos Higgsin kuplien synnyttämiä aaltoja nähdään, ne ovat varma ja ainutlaatuinen merkki uusista hiukkasista ja vuorovaikutuksista.
On myös jännite onnistuneen baryogeneesin ja gravitaatioaaltojen näkemisen välillä. Gravitaatioaallot ovat sitä vahvempia, mitä rajumpia kuplien törmäykset ovat, eli mitä nopeammin niiden seinät liikkuvat. Toisaalta antiaineen ja aineen epäsuhdan kehittyminen vie oman aikansa, joten sen kannalta on parempi, jos seinät liikkuvat hitaasti.
Mutta LISA-koe on rakennettu pääasiassa galaksien keskustoissa lymyävien mustien aukkojen muodostumista ja muita myöhäisen maailmankaikkeuden tapahtumia silmällä pitäen, Higgsin kentän mahdollisia kuplia tulee etsittyä samaan hintaan.
Jos Higgs on vastuussa siitä, että ainetta on enemmän kuin antiainetta, se olisi sille yksi tehtävä lisää, hiukkasten massojen ja ehkä kosmisen inflaation lisäksi. Jos Higgs ei pysty hommaa hoitamaan, niin hiukkaskosmologit ovat keksineet muitakin keinoja, kuten steriilien neutriinoiden muuttumisen toisikseen, josta ehkä toiste enemmän. Se, että gravitaatioaallot saattavat kertoa asian laidan osoittaa, miten hiukkasfysiikka ja kosmologia ovat toisiinsa kietoutuneita.
Päivitys (20/09/19): Lisätty sanat ”kolmiulotteisilla simulaatioilla”.
Ovatko nämä kuplat meidän maailmankaikkeudessamme vai edustavatko nämä rinnakkaismaailmankaikkeuksien kuplia?
Ihan omassa maailmankaikkeudessa liikutaan.
”Koska hiukkaset vuorovaikuttavat eri tavalla jäätyneen ja sulan Higgsin kentän kanssa, kuplien seinien tienoilla antiainetta muuttuu aineeksi.” Ymmärsinkö oikein, että tämän mukaan siis kuplien seinien tienoilla osa antiaineesta olisi muuttunut aineeksi ja tästä syystä ainetta on lopulta enemmän kuin antiainetta?
Voisiko tästä lausua jokusen sanan lisää, miten ja miksi tämä oikein tahtuu?
Tapahtuuko näin myös pimeälle aineelle?
Tämä onkin yksityiskohdiltaan monimutkainen prosessi.
Hiukkaset siroavat seinästä eri tavalla riippuen siitä, ovatko ne hiukkasia vai antihiukkasia. Tämä saa aikaan hiukkasten ja antihiukkasten epäsuhdan seinän edessä.
Sähköheikon olomuodon muutoksen lämpötiloissa (ja sitä korkeammilla lämpötiloilla) tapahtuu niin sanottuja sphaleronisiirtymiä, joissa kvanttikenttien perustila vaihtuu. Niissä baryoniluku (jota kantavat kvarkit) muuttuu ja leptoniluku (jota kantavat elektronit, myonit, taut ja niitä vastaavat neutriinot) lukumäärä muuttuu yhtä paljon, niin että niiden erotus on vakio.
Jos hiukkasia ja antihiukkasia on yhtä paljon, näitä siirtymiä tapahtuu yhtä paljon kumpaakiin suuntaan, eli baryoneita syntyy yhtä paljon kuin antibaryoneita. Mutta seinämän aikaansaaman epäsuhdan takia baryoneja syntyy ja jää jäljelle enemmän.
Pimeällä aineella ei oletettavasti ole baryonilukua, joten tämä prosessi ei vaikuta siihen.
”Jos olisi aluksi yhtä paljon elektroneja ja positroneja (sekä protoneita yhtä paljon kuin antiprotoneita, ja neutroneita yhtä paljon kuin antineutroneita), niin näkyvää ainetta olisi jäänyt jäljelle miljardi kertaa vähemmän kuin mitä sitä nyt on.”
Olisiko antaa tälle väitteelle tutkimusviite?
Lasku on yksinkertainen, ks. esim. kosmologian kurssini luentomoniste:
https://www.mv.helsinki.fi/home/syrasane/cosmo/lect2018_07.pdf
Onko noissa tutkimusrahaa nuoleskelevissa videoissa havaittavissa aaltojen interferenssiä? Ja jos on, niin mitä tarkoittaisi gravitaatioaaltojen annihilaatio energian säilymisen kannalta?
On ihan silmin havaittavissa.
Gravitaatioaallot eivät annihiloidu. Kuvissa Higgsin kentän kuplien törmäykset ja muut liikkeet saavat aikaan gravitaatioaaltoja.
Merkitseekö tämä että avaruuden suuren mittakaavan tihentymissä ”härmistyminen” hidasti tavallista ainetta nopeammin kuin anti ainetta. Eli on olemassa kenttä – ”UUDET HIUKKASET”, joka faasimuutostilassa esti annihiloitumista protonien osalta. Ovatko nämä oletetun ”jyrkkyysmuutoksen” aiheuttajat,uudet hiukkaset, siis skalaaribosoneja kuten HIGGS?
Kyse ei ole hiukkasten nopeuden muutoksesta, vaan siitä, että hiukkasia ja antihiukkasia syntyy eri määriä seinämä läheisyydessä. Tarkemmin, ks. vastaus Mikalle.
Tyypillisesti ne kentät, jotka tekevät olomuodon muutoksesta jyrkemmän tosiaan ovat skalaarikenttiä kuten Higgs. Yksinkertaisin malli on sellainen, jossa on hiukkasfysiikamn Standardimallin yhden Higgsin kentän sijaan kaksi kenttää (jolloin Higgsin hiukkasia on yhden sijaan viisi erilaista).
”Niinpä jonkin varhaisen maailmankaikkeuden tapahtuman pitää saada aikaan enemmän näkyvää ainetta kuin antiainetta. Kun antiprotonit on kulutettu loppuun, pitää jäädä protoneita yli. Tälle tapahtumalle on annettu nimi baryogeneesi, baryonisen aineen synty.
Jos hiukkasia ja antihiukkasia on yhtä paljon, näitä siirtymiä tapahtuu yhtä paljon kumpaakiin suuntaan, eli baryoneita syntyy yhtä paljon kuin antibaryoneita. Mutta seinämän aikaansaaman epäsuhdan takia baryoneja syntyy ja jää jäljelle enemmän.”
Standardimallihan sisältää myös ns Sakharovin ehdot baryogeneesiin. Mutta hyvin heikosti (esim sähköheikko symmetriarikko joka selittää vain pienen osan epätasapainosta). Aikanaan tähän selitykseksi ehdotettiin erilaisia GUT-teorioita. Nyt jahdataan esim mahdollista protonin hajoamista (GUTin ennustaman X-bosonin kautta).
Näillä mainitsemillasi kuplilla ja GUTeilla ei ilmeisesti ole mitään yhtymäkohtaa baryogeneesin selityksenä (eli liikumme eri energiaskaaloissa)?
Olet aivan oikeassa. On mahdollista, että baryogeneesi tapahtuu GUT-skaaloilla, mutta se on eri asia kuin tämä sähköheikko baryogeneesi. (Tosin myös GUT-skaalan baryogeneesissä pitää ottaa huomioon se, että sphaleronisiirtymät sekoittavat baryonilukua ja leptonilukua aina sähköheikkoon olomuodon muutokseen asti.)
Onko supersymmetrian tapaisista ideoista tutkimusta baryonigeneesin ratkaisuiksi? Esimerkiksi R-pariteetin merkitys?
Supersymmetria ei itsessään auta asiaa, mutta sen vaatimista uusista hiukkasista saattaisi olla apua.
Kun hahmotettiin, että Standardimallissa ei synny kuplia, ajateltiin että sen minimaalinen supersymmetrinen laajennus korjaisi tilanteen. Tällöin myös LHC:ssä olisi pitänyt jälkiä siitä. Kun mitään ei ole nähty, on siirrytty tutkimaan monimutkaisempia supersymmetrisiä malleja. On sitten psykologinen tai sosiologinen kysymys, kuinka pitkälle tätä peliä haluaa jatkaa – ainakaan toistaiseksi mitään merkkejä maalista ei ole.
Mikäli olen käsittänyt oikein niin symmetrisessä universumissa olisi liian vähän materiaa esim tähtien (ja muiden kohteiden) syntymiselle. Jossain vaiheessa ensin erittäin raskaiden ja siksi epävakaiden (oikeakätisten) Majorana neutriinojen sphaleronhajoamiset synnyttävät leptoniepäsymmetrian ja sitten sähköheikon vaiheen Sphaleron vuorovaikutukset puolestaan synnyttävät baryoniepäsymmetrian (seesaw-mekanismi?). Majorana neutriinot (ja niiden hajoamiset) ovat siis itse asiassa syy baryoniepäsymmetriaan, joka epäsuhta sitten ”jäätyi” kosmoksen jäähtyessä. Onko näin?
Ehkä kuulemme tästä jatkossa enemmän.
GUT-skaalan majorana-neutriinoiden hajoamisella ei ole mitään tekemistä sphaleronien kanssa. Muuten idea menee noin – on tosin vielä muitakin mahdollisuuksia baryoniepäsymmetrian aikaan saamiselle.
Ehkäpä tosiaan palaan tähän jatkossa.
”GUT-skaalan majorana-neutriinoiden hajoamisella ei ole mitään tekemistä sphaleronien kanssa.”
Baryonigeneesiä vastaava prosessi leptoneille on nimeltään leptonigeneesi, ja se on esitetty olevan baryonigeneesin alkusyy. Leptoniepäsymmetria voi nimittäin niin sanotun Sphaleron-ilmiön seurauksena muuttua baryoniepäsymmetriaksi.
Baryoniepäsymmetria muodostuu leptonigeneesin kautta kahdessa vaiheessa. Ensimmäisessä vaiheessa leptoniluvun 4 säilymistä rikkovat raskaiden Majorana-neutriinojen hajoamiset synnyttävät leptoniepäsymmetrian. Toisessa vaiheessa, sähköheikon vaiheen aikana, sphaleronvuorovaikutukset muuntavat osan syntyneestä leptoniepäsymmetriasta baryoniepäsymmetriaksi.
Lopulta M + 4N-lukua rikkovat sphaleron-vuorovaikutukset muuttivat osan leptoniepäsymmetriasta maailmankaikkeudessa nykyään havaituksi baryoniepäsymmetriaksi
https://jyx.jyu.fi/bitstream/handle/123456789/41303/URN:NBN:fi:jyu-201305031552.pdf?sequence=1
Eli Sphaleron vuorovaikutukset vasta sähköheikon vaiheen aikana? Näinkö? Älä hermostu, yritän vain tehdä asian itselleni selväksi.
Odotamme innolla sitä luvattua jatkoa.
En tiedä mitä ”leptoniluku 4” tai ”M+4N-luku” tarkoittaa, mutta muuten kyllä, GUT-skaalan leptogeneesi-idea menee noin.
Kaverilla hajosi vain pdf:stä kopioidessa baryoniluvun B 4:ksi ja leptoniluvun L 4N:ksi. 😉
Ymmärryksestä, kuinka leptonien 3 eri sukupolvea ja baryonit vääntyvät ajanluonteiäisiksi ja onko symmetriassa jokin R-pariteetin tapainen yläkattaus, saattanee löytyä annihilaatiopoikkileikkauksillekin uutta logiikkaa.
Nähdäkseni fysiikan perusteiden syventelyssä on uusia merkittäviä steppejä usein tapahtunut, kun logiikkaa on yleistetty – esim. tässä ajatellen, että annihilaatiota on myös toiseen suuntaan kuten e+ e- -> valonluonteinen. Veikkaan myös, että symmetriarikon turhan kiivas kaivaminen voi eksyttää…
Tai toisinpäin L(4) ja B(4N). Noista pdf:istä maalatessa ja kopioidessa saa olla tarkkana ja lukea aina siirretty teksti vielä kunnolla. Lähde kun oli mainittu, pystyi tarkistamaan.
Sitä onko neutriino oikeakätinen steriili Majorana-hiukkanen (eli oma antihiukkasensa) voidaan tutkia neutriinottomalla kaksoisbetahajoamisella. Esim seesaw-mekanismissa neuriino on Majorana fermioni. CP-symmetrian rikkoutuminen ja oleminen pois termisestä tasapainosta täyttävät Saharovin ehdot (kaksi niistä ja tämä edellyttää Majorana hiukkasta). Myös LHC:ssä tutkittu. Toistaiseksi ei havaittu.