Näkymätön valuvika
Tällä viikolla Malte Buschmann Princetonin yliopistosta puhui etänä Helsingin yliopiston fysiikan osaston kosmologiaseminaarien sarjassa aksionisäikeistä.
Aksionit olivat yksi ensimmäisiä ehdotuksia pimeäksi aineeksi. Kuten monet kiinnostavat pimeän aineen ehdokkaat, aksionit kehitettiin alun perin muihin tarkoituksiin, tässä tapauksessa värivuorovaikutusten teorian kauneusvirheen paikkaamiseksi. Pian kuitenkin hahmotettiin, että koska aksionit vuorovaikuttavat heikosti valon kanssa (eli ovat näkymättömiä), samoin kuin tavallisen aineen ja toistensa kanssa, ne ovat sopivat mainiosti pimeäksi aineeksi.
Toistaiseksi aksioneista –kuten muistakaan pimeän aineen ehdokkaista– ei ole mitään todisteita. Lukuisat kokeet ympäri maailmaa etsivät aksioneja käyttäen hyväksi sitä, että ne sekoittuvat valon kanssa. Esimerkiksi voi osoittaa lampulla seinää, jonka kummallakin puolella on magneettikenttä. Valo voi magneettikentässä muuttua aksioniksi, mennä seinän läpi ja muuttua toisella puolella takaisin valoksi, eli voi nähdä valon hohtavan seinän läpi. CERNin CAST-kokeen idea on samanlainen. Kokeessa on Aurinkoa kohti osoittava putki, jonka sisällä on magneettikenttä. Jos aksioneja on olemassa, niitä syntyy Auringossa ja matkaa sieltä Maapallolle, ja ne voivat putkessa muuttua valoksi.
Etsinnän ongelmana on se, että aksionit muuttuvat valoksi ja toisinpäin vain jos magneettikentän voimakkuus vastaa aksionin massaa. Niinpä magneettikenttä pitää säätää jokaiselle massalle erikseen, mikä tekee vaihtoehtojen läpikäymisestä hidasta.
Pimeän aineen massatiheys (paljonko massaa on kuutiometrissä) kuitenkin tiedetään, koska sen gravitaatiovaikutus on mitattu monin tavoin. Jos pimeä aine koostuu aksioneista ja tiedettäisiin niiden lukumäärätiheys (montako hiukkasta on kuutiometrissä), niin massatiheyden jakaminen sillä kertoisi aksionin massan, mikä nopeuttaisi sen löytämistä. Buschmann ja hänen yhteistyökumppaninsa juurikin laskivat, paljonko aksioneja on.
Aksioneihin liittyy useita mielenkiintoisia ilmiöitä, mikä on kaunis tapa ilmaista, että niiden lukumäärän laskeminen on vaikeaa. Aksionikenttä, kuten Higgsin kenttä, jäätyy tiettyyn muotoon lämpötilan laskiessa ajan myötä. Higgsin tapauksessa voi muodostua kuplia, joiden törmäykset synnyttävät gravitaatioaaltoja, mutta lopulta kenttä tasoittuu kaikkialla samanlaiseksi.
Aksionien tapauksessa kenttä sen sijaan jäätyy eri kohdissa eri suuntiin, ja alueiden väliin jää ohuita valuvikoja, joita sanotaan säikeiksi. Säikeet hajoavat viimeistään kvarkkien sitoutuessa protoneiksi ja neutroneiksi maailmankaikkeuden ollessa noin mikrosekunnin ikäinen, ja niistä jää jäljelle vain aksionihiukkasten aallokko. Tästä voi katsoa Buschmannin ja kumppaneiden simulaatioita säikeiden synnystä ja tuhosta.
Noiden parinkymmenen sekunnin simulaatioiden tekemisessä on iso työ niin ihmisellä kuin koneella (noin neljä miljoonaa CPU-tuntia, asiaa tunteville). Säikeiden paksuus on hiukkasfysiikan suuruusluokkaa, mutta niiden pituus on kosmisissa mitoissa. Tässä tapauksessa mittakaavojen ero on sama kuin jos pitäisi valovuoden alueella seurata yksittäisten atomiydinten sisärakennetta. Ongelma ratkaistaan siten, että simulaation aikana säädetään resoluutiota sen mukaan, missä kohtaa ollaan, käyttäen isoa tarkkuutta vain säikeiden lähellä.
Simulaatio osoittaa, että säikeiden hajoamisessa syntyvät aksionit muodostavat suurimman osan maailmankaikkeuden aksioneista, ja niiden massa on noin kymmenesmiljardisosa elektronin massasta. (Sivumennen sanoen, ne ovat aivan liian kevyitä, jotta sopisivat kokeen XENON1T viime vuonna ilmoittamaan mahdolliseen signaaliin, jota on aksionienkin avulla yritetty selittää.)
Buschmann kumppaneineen aikovat seuraavaksi laskea, synnyttävätkö säikeet aksionien lisäksi tarpeeksi voimakkaita ja sopivan pituisia gravitaatioaaltoja havaittaviksi. Jos nähtäisiin sekä oikeanlaiset gravitaatioaallot että aksionihiukkanen, pimeän aineen olemus ja alkuperä olisi järkevän epäilyn ulkopuolella.
Entä jos ennustetun massaista aksionia ei löydykään? Onneksi tai valitettavasti, näkökulmasta riippuen, aksionit voisivat silti olla pimeää ainetta. On nimittäin mahdollista, että aksioni jäätyy ennen kosmisen inflaation alkua. Silloin eri asentoihin jäätyneet alueet venyvät inflaation aikana niin paljon, että meidän näkemämme osa maailmankaikkeudesta mahtuu yhden sellaisen sisälle. Tällöin meidän nurkkaukseemme maailmankaikkeudesta (halkaisijaltaan noin 100 miljardia valovuotta) ei ole luultavasti sattunut yhtään säiettä, ja aksionit syntyvät eri tavalla.
Aksionien suosio on viime vuosina kasvanut pääasiassa siksi, että muitakaan pimeän aineen hiukkasia (erityisesti nynnyjä) ei ole löytynyt, ja samalla on opittu ymmärtämään aksioneja paremmin. Nyt on intouduttu tekemään aksioneilla muutakin kuin pimeää ainetta, esimerkiksi yrittää ratkaista saman tien kaksi muuta kosmologian neljästä suuresta ongelmasta, kosmisen inflaation ja aineen ja antiaineen välisen epäsuhdan. (Neljänteen, pimeään energiaan, ne eivät luontevasti taivu.) Tämä on hyvä esimerkki siitä, että monien teorioiden ja ideoiden syvyyttä ja mahdollisuuksia ei hahmoteta ennen kuin niitä katsotaan oikeasta näkökulmasta.
Tuo on ymmärtääkseni sellaista työtä että jos osuu oikeaan niin voi ruveta odottamaan soittoa Tukholmasta.
Mutta toisaalta, eikö tuossa ole myös melko ikävän suuri mahdollisuus sille, että koko työ on täysin hukkaan heitettyä aikaa ja energiaa ?
Miten on ?
Kokeellisella puolella, jos jotain rakennetaan päämäärää varten joka ei lainkaan toteudu, niin parhaassa tapauksessa laitetta voi käyttää toiseen tarkoitukseen ja huonommassakin tapauksessa laiterakentelu voi huomattavasti kasvattaa knowhow-pääomaa.
Suurin osa teoreetikkojen työstä on tietysti väärin – ei siinä mielessä, että siinä olisi matemaattisia virheitä, vaan siksi, että se ei kuvaa todellisuutta. On satoja pimeän aineen malleja, joista korkeintaan yksi on oikein. Mutta niissä voi olla jotain oikean mallin piirteitä, ja niitä tarkkaan tutkiessa oppii menetelmiä, joista voi olla hyötyä muualla.
Voi myös olla, että tästä työstä ei opi mitään hyödyllistä oikean pimeän aineen kannalta – sitä ei voi tietää.
Mitä Nobeleihin tulee, jos aksionit ovat pimeää ainetta, palkintoja varmaan myönnetään tutkijoille, jotka ovat niitä alun perin esittäneet (jos he ovat enää elossa) sekä niill, jotka ovat löytäneet hiukkasen tai gravitaatioaallot. Tällaisistä tärkeistä (ja usein välttämättömistä) väliaskelista ei Nobeleita myönnetä.
jos atomit eivät emitoi valoa vaan lämpöä avaruuden kylmyydessä,
riittäisikö lämpöä emittoivien atomien määrä selittämään
pimeän aineen?
siis nämä lämpöä emitoivat atomit yhdessä doppler ilmiön kanssa, jäi lisäämättä
”Lämmön emittoiminen” tarkoittaa infrapunasäteilyn eli aallonpituudeltaan näkyvää valoa hieman pidemmän sähkömagneettisen säteilyn eli -laajasti ymmärrettynä- tietynlaisen valon lähettämistä.
Pimeää ainetta ei ole havaittu siitä, että se lähettäisi infrapunavaloa – päin vastoin, sen ei ole havaittu lähettävän mitään valoa. Se on havaittu vain gravitaation kautta. Tiedetään, että pimeä aine ei koostu atomeista, vaan joistakin tuntemattomista hiukkasista.
ajattelin kun linnunradan tarkkaa kokoa tai
linnunradan taivaankappalaiden määrää ei vielä kyetä arvioimaan
tarkasti vaan kyetään antamaan aika isollakin heitolla
arvioita, 100 – 400 mirjardia aurinkoa esim, niin
jos osa linnunradassa olevista atomeista ei avaruuden kylmyyden takia
lähetä valoa vaan lämpöä ja ovat siksi havaintokykymme tavoittamattomissa ja niitä
ei vielä osata ottaa huomioon arvioissa kun etsitään vastausta miksi linnunrata
pyörii väärin laskennallisiin malleihin nähden.
Jos näin olisi niin galaksi pyörii sen takia
väärin nykymalleihin nähden.
tällöin pimeän aineen määritelmät ja etsinnät menisivät
varmaankin kokonaan uusiksi.
Tiedän ettet pidä spekuloinnista blogissasi,
toivottavasti et katso tätä sellaiseksi.
Kuten yllä kirjoitin, lämpösäteily on infrapuna-alueen sähkömagneettista säteilyä eli valoa.
Tämä riittäköön tästä.
OK. kiitos vastauksesta.
”Higgsin kenttä, jäätyy tiettyyn muotoon lämpötilan laskiessa ajan myötä.”
”Aksionien tapauksessa kenttä sen sijaan jäätyy eri kohdissa eri suuntiin.”
Selventäisitkö hieman että miksi näin. Jos Higgsin kenttä toimii inflatonkenttänä niin jäätyminen tapahtuu inflaation aikana (ja ehkä useaankin otteeseen ON/OFF). Jos ei inflatonina, niin sitten myöhemmin sähköheikon symmetrian rikkoutumisen aikaan. Aksionikentän symmetrian rikkoutuminen (jäätyminen) myös inflaation aikana? Miksi kenttä jäätyisi ”eri kohdissa eri suuntiin”? Ja mitä se tarkoittaa?
Higgsin kentän jäätynyt arvo 246 GeV (tämän tiedämme hiukkasten massoista). Aksionikentän jäätynyt arvo, mikä?
No niin, hyviä tarkentavia kysymyksiä epämääräisistä muotoiluistani.
Jos Higgs on vastuussa inflaatiosta, niin sillä tosiaan on nollasta eroava arvo, joka inflaation loppumisen jälkeen putoaa nollaan (eli kenttä sulaa), kunnes jäätyy taas lämpötilan laskiessa alle 160 GeV:in. Jos Higgs ei ole vastuussa inflaatiosta, niin sen arvo poukkoilee inflaation aikana satunnaisesti. Kuten tiedät, tämä liittyy sähköheikon symmetrian rikkoutumiseen.
Ei tiedetä, koska aksionikenttään liittyvä symmetria rikkoutuu. Se voi tapahtua ennen inflaatiota, sen aikana tai sen jälkeen.
Eri suunnat tarkoittavat tässä suuntia kenttä-avaruudessa. Aksionikentällä on kaksi osaa, joita voi ajatella kaksiulotteisen kenttäavaruuden suuntina. Teoria on symmetrinen tämän kenttäavaruuden kiertojen suhteen. Kun aksioni jäätyy, se jää osoittamaan yhteen suuntaan kenttäavaruudessa. Ei ole mitään syytä, miksi tämä suunta olisi samanlainen eri paikoissa.
Higgsin kanssa käy hieman samalla tavalla. Syynä siihen, että Higgsin tapauksessa ei synny säikeitä eri alueiden välille on se, että rikkoutuva symmetria on erilainen.
Teoria ei kiinnitä aksionikentän arvoa f minimissään, se on kääntäen verrannollinen aksionien massaa, m=6*10^(-6) eV * 10^12 GeV/f. Tämän aksionisäietuloksen mukaan aksionien massa on 40-180*10^(-6) eV, ali f on noin 10^11 GeV.
Jos toi aksioinin massa pitää paikkansa niin silloinhan sen on dekadeja pienempi kuin neutriinon massa. Onko tuolla massan suuruudella (tai sen puuttumisella) tekemistä vuorovaikutuksen kanssa esim. protoniin ja elektroneihin mistä näkyvä maailmankaukkeus on tehty.
Kyllä, se että aksionin massa on niin pieni liittyy siihen, että se vuorovaikuttaa niin heikosti.
Kun aksionkenttä jäätyi, sen arvo meni nollaan ja vaihe jäi satunnaiseen arvoon. Onkos kenttä skalaari ja miten sillä on suunta?Jos jäätyminen tapahtui inflaation jälkeen, niin miten kentän suunta olisi jakaantunut? Jokainen aksioini osoittaa eri suuntaan mielivaltaisesti?
Aksioni on pseudoskalaari, eli käyttäytyy muuten kuin skalaari, mutta vaihtaa merkkinsä kun avaruuden suunnat käännetään.
Suunnasta, ks. vastaus Lentotaidottomalle yllä.
Hiukkaset ovat kentän pieniä tihentymiä, jäätymisessä on kyse kentän sellaisesta käytöksestä, joka ei palaudu hiukkasiin. Eri paikoissa kenttä jäätyy sattumanvaraisesti eri suuntaan, ja kun eri suuntiin osoittavat kentät kohtaavat, niiden väliin syntyy säie.
Jos jäätyminen tapahtui hieman inflaation jälkeen ennen higgsiä, niin millaisiin mittoihin säikeiden etäisyys on kasvanut? Eikös pimeän aineen luonne ole säikeinen rihmasto ja voisiko olla samassa miittaluokassa?
Kuten kirjoituksessa mainitse, säikeet ovat hajonneet viimeistään mikrosekunnin aikoihin. Pimeän aineen rihmarakenne seuraa inflaation aiheuttamista tiheysvaihteluista, eikä sillä ole mitään tekemistä aksionien säierakenteen kanssa.
Näkisikö hajonneista säikeistä syntyneistä aksionitiheyksistä säikeiden alkuperäinen rakenne?
Käsittääkseni aksionisäikeiden rakenne pyyhkiytyy pois niin tehokkaasti, että sitä ei saa enää myöhemmin selville. Mutta voin olla väärässäkin, en tunne yksityiskohtia niin hyvin.