Kosmokseen kirjoitettua

Kuplahäiriköt

21.2.2024 klo 21.28, kirjoittaja Syksy Räsänen
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua , Kosmologia

Toissaviikolla Mark Hindmarsh puhui Helsingin yliopiston fysiikan osaston kosmologiaseminaarissa olomuodon muutoksista varhaisessa maailmankaikkeudessa ja kylmässä heliumissa. Mark ja Kuang Zhang kirjoittivat aiheesta myös Fysiikan tutkimuslaitoksen blogiin. Molemmat ovat tutkijoina sekä Helsingin että Sussexin yliopistoissa.

Mark ja Kuang ovat pääasiassa kiinnostuneita siitä, miten aineen olomuoto muuttuu maailmankaikkeuden ollessa sekunnin miljardisodan sadasosan ikäinen. Silloin lämpötila laskee alle miljoonan miljardin asteen, ja Higgsin kenttä muuttaa olomuotoaan – tavallaan jäätyy. Higgsin jäätyminen saattaa alkaa kuplien muodostumisella, samaan tapaan kuin veden kiehuminen. Kuplien pinnan lähellä voi kehittyä enemmän ainetta kuin antiainetta, ja niiden törmäysten mainingit saattavat synnyttää voimakkaita gravitaatioaaltoja, joita valmisteilla oleva LISA-satelliittikolmikko voi havaita.

Hiukkasfysiikan Standardimallissa ei synny kuplia, mutta on valtava määrä Standardimallin laajennuksia, joissa tilanne on toinen. Yleensä hiukkasfysiikot ja kosmologit keskittyvät siihen, millaisia nämä laajennukset ovat ja miten uudet hiukkaset ja vuorovaikutukset vaikuttavat olomuodon muutokseen.

Mark ja Kuang yhteistyökumppaneidensa kanssa ovat ottaneet askeleen taaksepäin. He pohtivat sitä, onko olomuodon muutosta käsitelty alkuunkaan oikein. On olemassa yleisesti käytetty teoria kuplien syntymiselle, ja he tutkivat, voiko sen ennusteisiin luottaa vertaamalla niitä havaintoihin sellaisen aineen tapauksessa, mitä voi mitata maanpäällisissä oloissa.

Joitakin arkisiakin olomuodon muutoksia ymmärretään vielä vajavaisesti. Kaikki tietävät, että normaalipaineessa vesi jäätyy nollassa ja kiehuu sadassa asteessa. Mutta tämän laskeminen vesimolekyylien teoriasta ei ole yksinkertaista. Yksi ongelma on se, että suuri osa olomuodon muutoksista alkaa aineessa olevista epäpuhtauksista: pienet häiriöt johtavat suuriin muutoksiin. Jos lämmittää puhdasta vettä, se säilyy normaalipaineessa nestemäisenä 300 asteeseen asti. Vastaavasti jäähtyvän puhtaan vesihöyryn ennustetaan pysyvän kaasumaisena 50 asteeseen asti.

Veden tapauksessa tämä käytös osataan jokseenkin laskea. Mark ja kumpp. ovat kiinnittäneet huomionsa helium-3:een, eli aineeseen jonka ytimet koostuvat kahdesta protonista ja yhdestä neutronista. Kun lämpötila on noin asteen tuhannesosan verran absoluuttisen nollapisteen yläpuolella, helium-3:lla on kolme erilaista olomuotoa, joiden nimet ovat normaali, A ja B. Kuten veden tapauksessa, riippuu lämpötilasta ja paineesta, missä olomuodossa aine on. Mutta toisin kuin veden kohdalla, teoreettiset laskut ja havainnot ovat aivan ristiriidassa.

Kun soveltaa puhtaaseen helium-3:een varhaisessa maailmankaikkeudessa käytettävää teoriaa kuplista, saa tulokseksi että jos helium-3 päätyy olomuotoon A, se pysyy siinä äärimmäisen kauan – paljon kauemmin kuin miljardeja vuosia. Kokeissa kuitenkin nähdään, että olomuoto A muuttuu B:ksi minuuteissa tai tunneissa.

On ainakin kaksi mahdollisuutta: joko (kuten vedelle) häiriöt ovat tärkeitä olomuodon muutoksissa, tai sitten teoria kuplien muodostumisesta on väärin. Mark ja kumpp. tutkivat asiaa teoreettisesti ja kokeellisesti Aalto-yliopiston matalan lämpötilan asiantuntijoiden sekä Lancasterin ja Royal Hollowayn yliopistojen kokeellisten fyysikoiden kanssa.

Vaikka tekisi helium-3:a miten huolella tahansa, epäpuhtauksilta ei voi välttyä. Lähes kaikki aine on radioaktiivista, eli sisältää ytimiä jotka hajoavat. Hajoamisessa syntyvät hiukkaset voivat kiitää helium-3:en sisälle, tahrata sen puhtauden ja käynnistää olomuodon muutoksen. Lisäksi Maapallolle tulee koko ajan avaruudesta kosmisia säteitä. Ne iskeytyvät ilmakehän atomeihin, ja törmäyksessä syntyvät hiukkaset voivat lentää maan pinnalle, häiriköidä kokeessa käytettävää helium-3:ta ja työntää olomuodon A pois tasapainosta.

Samanlaisia ongelmia tulee vastaan kun etsitään pimeää ainetta. Silloin pitää erottaa pimeän aineen törmäykset muiden hiukkasten tönimisestä. Kun laitteen panee kaivokseen, yllä oleva kivikuori pysäyttää taivaalta tulevat hiukkaset. Laitteesta tulevat ydinten hajoamistuotteet taasen erottaa siitä, että ne törmäävät yleensä lähellä astian reunoja, eivät sen sisuksissa.

Toinen mahdollinen häiriöiden lähde on reunat. Jossain helium-3:n pitää kohdata muu aine, ja kohtaamispinnan epätasaisuus voi suistaa olomuodon pois tolaltaan. Royal Hollowayssä rakennetaan helium3:lle astia, jonka on niin tasainen kuin atomit vain sallivat. Lancasterin yliopistossa taasen eristetään olomuoto A magneettikenttien avulla reunoista.

Mark ja kumpp. ovat jo laskeneet simulaatioiden avulla teoreettisesti, mitä tapahtuu kun olomuotoa A häiritään. Tällöin syntyy olomuodon B kuplia, mutta vastoin odotuksia helium-3 ei siirry ollenkaan normaaliin olomuotoon. Ei vielä ymmärretä, miksi näin on.

Tarkemmat teoreettiset laskut ja kokeiden tulokset osoittavat, onko teoria kuplien muodostumisesta virheellinen vai selviääkö kaikki häiriöillä. Edellisessä tapauksessa arviot aineen ja antiaineen epäsuhdan ja gravitaatioaaltojen syntymisestä varhaisessa maailmankaikkeudessa menevät uusiksi.

Jälkimmäisessä tapauksessa ongelmaa ei ole: varhaisen maailmankaikkeuden aine on erittäin puhdasta ja ulottuu rajattomiin, eli sillä ei ole reunoja. On tosin mahdollista, että sama Standardimallin laajennus, jonka takia syntyy kuplia, saa aikaan myös kosmisia säikeitä tai muita eksoottisia epätasaisuuksia, jotka muuttaisivat tilanteen.

LISA:n on määrä nousta Aurinkoa kiertävälle radalle vuonna 2035, eli on vielä vuosikymmen aikaa saada ennusteet valmiiksi. Samalla saadaan kenties ymmärrettyä muitakin kuin kosmologisia olomuodon muutoksia paremmin.