Laivamatka pimeälle puolelle
Viime viikolla Andrei Golutvin Iso-Britannian Imperial Collegesta ja CERNistä puhui Fysiikan tutkimuslaitoksen seminaarisarjassa CERNin uudesta kokeesta nimeltä SHiP eli Search for Hidden Particles, suomeksi siis piilotettujen hiukkasten etsintä. Golutvin on kokeen puhehenkilö.
Yksi fysiikan isoimpia kysymyksiä on se, mitä pimeä aine on. Jos pimeä aine ei ole mustia aukkoja, niin se koostuu toistaiseksi tuntemattomista hiukkasista. On satoja ehdotuksia siitä, millaisia nämä hiukkaset ovat (esimerkkejä täällä, täällä, täällä, täällä ja täällä).
Viime aikoina on yhä enemmän tutkittu sitä mahdollisuutta, että näkyvän aineen lisäksi ei ole vain yksi pimeän aineen hiukkanen, vaan kokonainen hiukkasfysiikan pimeä puoli, jossa on paljon hiukkasia ja vuorovaikutuksia, jotka ovat vain heikosti kytköksissä tunnettuihin hiukkasiin. Pimeä puoli saattaa liittyä siihen, miksi maailmankaikkeudessa on enemmän ainetta kuin antiainetta.
Toistaiseksi pimeä aine on havaittu vain gravitaation kautta, ja sen luonteen selvittämiseksi pitäisi löytää joko pimeän aineen hiukkanen tai jokin muu pimeän puolen hiukkasista. SHiP lähtee tähän jahtiin.
CERN hyväksyi SHiPin maaliskuussa, ja kokeen on tarkoitus aloittaa datan kerääminen vuonna 2031 tai 2032. Koe käyttää valmista SPS-kiihdytintä, jolla vuonna 1983 löydettiin W– ja Z– bosonit. Se on siksi hiukkasfysiikan hintaluokassa edullinen, 115 miljoonaa euroa.
Uusia hiukkasia etsitään iskemällä hiukkasia yhteen ja katsomalla mitä törmäyksissä syntyy. Tässä on kaksi oleellista tekijää: törmäysten energia ja määrä.
Mitä korkeampi energia, sitä raskaampia hiukkasia pystytään tuottamaan. CERN tunnetaan kenties parhaiten korkeisiin energioihin yltävästä LHC-kiihdyttimestä ja sen koeasemista ATLAS ja CMS, jotka löysivät Higgsin hiukkasen, hiukkasfysiikan Standardimallin viimeisen palan. (Tässäkin tapauksessa energian lisäksi törmäysten määrä oli tärkeä.)
Mutta jos hiukkaset vuorovaikuttavat hyvin heikosti tavallisen aineen kanssa, niiden syntyminen on epätodennäköistä ja havaitseminen vaikeaa, ja silloin törmäysten lukumäärä on energiaa tärkeämpää. Pimeän puolen hiukkaset ovat tällaisia.
SHiP hyödyntää SPS-kiihdyttimen yli jääviä protoneita. Protonit ohjataan kohteeseen, joka pysäyttää ne. Sen takana on 50 metriä pitkä kammio, jossa etsitään tiheästä kohteesta läpi päässeiden hiukkasten hajoamisia tai törmäyksiä.
Pimeän aineen hiukkanen on stabiili (muuten niitä ei olisi enää maailmankaikkeudessa), joten se ei hajoa, mutta muut pimeän puolen hiukkaset saattavat joskus hajota näkyviksi hiukkasiksi. Itseäni kiinnostaa eniten nuMSM–malli, jossa on kolme steriiliä neutriinoa. Niistä kevyin on pimeää ainetta, ja SHiPillä on hyvä mahdollisuus nähdä niistä kaksi raskaampaa.
Uusien hiukkasten lisäksi SHiP tutkii myös tunnettuja hiukkasia, joista taatusti saadaan tuloksia. Golutvin kutsui tätä kokeen rommia-ja-keksejä-osuudeksi (mukaillen englannin ilmaisua bread and butter, suomeksi kenties perus-). Neutriinot ovat Standardimallin huonoiten ymmärretty osa. Erityisesti tau-neutriinoja on nähty koko hiukkasfysiikan historian aikana vain 15 kappaletta, eikä sen antihiukkasia ole havaittu ainuttakaan.
SPS syöttää SHiPille tuhat miljardia protonia joka sekunti. Tau-neutriinoja ja niiden antihiukkasia syntyy niin vähän ja ne vuorovaikuttavat niin heikosti, että niitä jää SHiPin siivilään vain 3 500 vuodessa. Ei voi etukäteen sanoa, löytyykö tuntemattomia hiukkasia, mutta vähintään SHiP tekee rajoista niille tuhat kertaa nykyistä tiukempia.
SPS käynnistyi vuonna 1976, ja sen on määrä syytää protoneita SHiPpiin ainakin 15 vuotta, eli ainakin 2046 asti. Olisi huvittavaa, jos tämä tuolloin 70 vuotta täyttävä kiihdytinveteraani saisi haaviin uusia kevyitä hiukkasia, mutta raskaita hiukkasia tehokkaasti mylläävä LHC ei löytäisi mitään uutta perustavanlaatuista fysiikkaa.
Millaisia rajoituksia hiukkasfysiikan pimeälle puolelle voidaa asettaa? Pimeä vetykaasu ja sitä virittävä pimeä valo vissiin voidaan olettaa, mutta mitään galaktisia rakenteita tuskin muodostuu? P.S. bread and butter kääntynee peruskauraksi.
Peruskaura tosiaan.
Pimeä aine ei muodosta atomeita eikä jäähdy kuten tavallisen aineen kaasu. Tämä tiedetään siitä, että pimeä aine ei pysty klimppiytymään yhtä tehokkaasti kuin näkyvä aine, joka pusertuu kasaan muodostamalla molekyylejä, jotka säteilevät energiaa pois, joten kaasu jäähtyy.
Jos pimeää valoa on olemassa, sitä on paljon vähemmän kuin tavallista valoa, muuten sen vaikutus maailmankaikkeuden laajenemiseen olisi havaittu.
Sen sijaan galakseissa ja sitä isommassa mittakaavassa pimeä aine muodostaa samankaltaisia rakenteita kuin näkyvä aine: klimppejä, rihmoja, seinämiä, onkaloita.
Mitä tuo ’pimeä valo’ käytännössä olisi? Jos siis näkyvä valo on sähkömagneettista säteilyä l. fotoneita?
Fotonienkaltaisia hiukkasia, jotka eivät vuorovaikuta Standardimallin hiukkasten sähkövarausten kanssa, vaan joidenkin pimeän sektorin varausten kanssa. Termillä viitataan myös pimeän sektorin hiukkasiin, jotka ovat samanlaisia kuin fotonit, mutta joilla on pieni massa.
Tuollaiset spekulaatiot ovat täyttä pseudofysiikkaa. Missä mitattavat ennusteet?
Kymmenissä tieteellisissä artikkeleissa. SHiP testaa niissä esitettyjä ennusteita.
Mitä voisi ajatella siitä, että uudessa tutkimuksessa ei saatu pimeän aineen mallia sopimaan kääpiögalaksien dynamiikkaan muuten kuin antamalla pimeän aineen hiukkasille muutakin vuorovaikutusta kuin gravitaatiota näkyvän aineen kanssa, jotta voisivat kiihdyttää ja laimentaa tavan aineen klimppiytymistä, jonka puute tutkimuksessa havaittiin?
Toinen kyssärini koskee neutriinomakujen massatiloja. Onko hyvät perustelu yhden massatilan nollamassaisuudelle se, että siten neutriinot pitävät vauhtinsa lähellä c, kun vuorollaan kukin oskilloi siihen vauhtiin, eikä koskaan yksikään pääse hidastumaan tiettyä määräänsä enempää, vaikka pari muuta massatilaa antaisivatkin alle c:n vauhdit?
Mistä tutkimuksesta on kyse?
Vastaus neutriinokysymykseen on ei. Ei siitä sen enempää.
https://www.avaruus.fi/uutiset/kosmologia-ja-teoreettinen-fysiikka/pimea-aine-saattaa-sittenkin-vuorovaikuttaa-normaalin-aineen-kanssa.html
En osaa sanoa, mutta kysyin kollegaltani Till Sawalalta, joka on aiheen asiantuntija.
Liitätkö referaatin vastauksesta sitten tänne?
Toki.
Pimeää ainetta ei välttämättä tarvita jos aika-avaruus on alkuperäiseltä luonteeltaan täynnä satunnaisia rihmaisia valuvikoja, jotka eivät perustu mihinkään massalähteeseen tai mond teoriaan.
Yleisessä suhteellisuusteoriassa sopivia mahdollisia valuvikoja ei juuri ole, paitsi mustia aukkoja. Sen laajennuksissa on enemmän mahdollisuuksia tällaiseen. Mutta ongelmana on se, että kosminen inflaatio pyyhkii tällaiset kauneusvirheet pois, ja niitä pitäisi sitten tuottaa sen jälkeen.