Naparetki
Hiukkasfysiikan Standardimalli täyttää tänä vuonna 50 vuotta. Vuonna 1973 Makoto Kobayashi ja Toshihide Maskawa laittoivat paikalleen viimeisen teoreettisen palan ennustaessaan, että on olemassa top-kvarkki. Top löydettiin hiukkaskiihdytinlaboratorio Fermilabissa vuonna 1995. Sen jälkeen ainoa puuttuva kokeellinen osa oli Higgsin hiukkanen, joka löydettiin CERNissä vuonna 2012.
Seuraavaksi pitää mennä Standardimallin tuolle puolen. Pitkään hiukkaskiihdyttimet johtivat uuden fysiikan etsimistä, mutta viime aikoina niissä ei ole löytynyt uutta. Mielenkiinto siirtyy yhä enemmän maan alta taivaankannelle.
Yksi iso kysymys on se, miksi maailmankaikkeudessa on enemmän ainetta kuin antiainetta. Tämä epäsuhta on voinut syntyä Higgsin hiukkasen jäätyessä paikalleen maailmankaikkeuden täyttäessä sekunnin miljardisosan sadasosan. Jos näin on, niin vuonna 2037 laukaistavaksi kaavailtu kolmen satelliitin gravitaatioaalto-observatorio LISA saattaa nähdä tuossa mullistuksessa syntyneitä gravitaatioaaltoja.
Kalliiden kiihdytinten ja satelliittien lisäksi on edullisiakin vaihtoehtoja. Yksi esimerkki on pimeää ainetta etsivät kokeet, joiden hinta on miljoonia euroja miljardien sijaan. Samaan sarjaan menee neutronin sähköisen dipolimomentin mittaaminen.
Neutroni on hiukkanen, joka koostuu kolmesta kvarkista. Näiden kolmen kvarkin sähkövarausten summa on nolla, eli neutronilla kokonaisuutena ei ole sähkövarausta. Mutta koska kvarkit eivät ole jakautuneet tasaisesti neutronin sisällä, neutronin sisällä olevia varauksia on mahdollista havaita.
Tilanne on samanlainen kuin vetyatomissa, missä protonilla ja elektronilla on yhtä suuret mutta vastakkaismerkkiset varaukset. Mutta sen sisällä olevat varaukset vuorovaikuttavat ulkomaailman kanssa, koska elektronit ovat protonia ulompana.
Yksinkertaisin epätasaisesti jakautuneiden sähkövarausten vaikutus on nimeltään dipoli, suomeksi siis kaksinapainen. Kahden yhtä ison mutta vastakkaismerkkisen varauksen dipoli on sitä suurempi mitä isompia varaukset ovat ja mitä kauempana ne ovat toisistaan. Karkeasti sanottuna varausten välimatkaa isommalla etäisyydellä dipoli näyttää nollavaraukselta, mutta tarkemmin katsoessa huomaakin, että on sähkökenttä.
Neutronissa on kolme varausta, mutta idea on sama. Koska kvarkit poukkoilevat neutronissa ympäriinsä, odottaisi, että neutronin dipolimomentti olisi suunnilleen niiden varaus kertaa neutronin koko. Ensimmäinen mittaus neutronin dipolimomentista julkaistiin vuonna 1957. Kokeen herkkyys oli kymmenentuhatta kertaa niin iso kuin tuo arvioitu suuruus, mutta mitään ei havaittu. Tämän hetken tiukimman mittauksen on tehnyt nEDM-koeryhmä, joka julkisti tuloksensa toissavuonna. Kokeiden herkkyys on kasvanut 70 vuodessa miljoonakertaiseksi, mutta vieläkään dipolimomenttia ei ole näkynyt.
Tulos oli itse asiassa molemmilla kerroilla odotettu, mutta eri syistä. Alkuperäisen kokeen tekijät eivät kuuteen vuoteen edes julkaisseet mittauksiaan, koska 1950-luvun alussa yleisesti luultiin, että fysiikan lait eivät muutu jos maailman vaihtaa peilikuvakseen. Jos tämä pitää paikkansa, neutronin dipolimomentti on nolla, koska muuten se vaihtaisi suuntaa kun avaruuden peilaa, eivätkä maailma ja sen peilikuva näyttäisi samalta.
Vuonna 1956 kuitenkin osoitettiin kokeellisesti, että maailma ja sen peilikuva käyttäytyvät eri tavalla. Niinpä dipolimomenttikokeen tekijät katsoivat tuloksensa julkaisemisen arvoiseksi. Tämä on esimerkki siitä, miten teoreettiset ideat voivat vaikuttaa sekä haitallisesti että hyödyllisesti siihen, millaisia kokeita pidetään tekemisen arvoisina.
Nyt odotetaan teoreettisten laskujen nojalla, että neutronilla tosiaan on dipolimomentti. Miksi sitä ei ole löytynyt? Tämä on yksi Standardimallin teoreettinen ongelma: miksi neutronin dipolimomentti on niin pieni?
Dipolimomenttiin vaikuttaa Standardimallissa eniten yksi vuorovaikutus, ja tuota vuorovaikutusta on vaikea havaita millään muulla tapaa kuin dipolimomenttia mittaamalla. Niinpä dipolimomentin pienuuden voi selittää vain sanomalla, että tuo vuorovaikutus onkin ainakin kymmenen miljardia kertaa heikompi kuin mitä odottaisi. Tätä selittämään on kehitetty aksioneiksi nimetyt hiukkaset. Aksioneilla haluttiin aluksi vain säätää tuo vuorovaikutus pois, mutta niistä sittemmin tuli suosittu ehdokas pimeäksi aineeksi.
Jos tuon yhden vuorovaikutuksen painaa nollaksi tavalla tai toisella, jäljelle jäävä Standardimallin ennuste neutronin dipolimomentille on miljoona kertaa nykyistä herkkyyttä pienempi. Mittausten pitäisi siis parantua huomattavasti ennen kuin olisi mitään toivoa nähdä sitä. Tämä on erinomaista, koska se tarkoittaa, että dipolimomentti on siisti tapa mitata Standardimallin tuonpuoleista fysiikkaa.
Monissa mittauksissa, kuten pimeän aineen etsinnöissä, ongelmana on se, että monet asiat voivat tuottaa samanlaisen signaalin. Kun taivaalla näkyy röntgensäteitä, tulevatko pimeän aineen hajoamisesta vai hehkuvista atomiytimistä? Mitä heikompaa on tunnettujen lähteiden kohina, sitä helpompi on havaita tuntemattoman fysiikan signaali.
Mitä tuo tuntematon fysiikka neutronin dipolimomentin kohdalla sitten olisi? Tässä vaiheessa mukaan kuvaan tulee Kobayashin ja Maskawan työ. He ennustivat, että top-kvarkki pitää olla olemassa, jotta fysiikan lait olisivat erilaisia kun maailma muuttuu peilikuvakseen ja hiukkaset ja antihiukkaset vaihdetaan toisikseen. Tämä ehto on taasen edellytys sille, että saadaan aikaan havaittava aineen ja antiaineen epäsuhta. Standardimallissa tämä epäsuhta tosin sittemmin osoittautui liian pieneksi, eli tarvitaan uutta fysiikkaa. Uusi fysiikka, joka pystyisi saamaan aikaan aineen ja antiaineen epäsuhdan Higgsin jäätymisen aikoihin myös kasvattaisi neutronin dipolimomenttia.
Yksi esimerkki on supersymmetria. Supersymmetriset laajennukset Standardimalliin ennustivat ennen LHC:n käynnistymistä, että neutronin dipolimomentti on tyypillisesti noin sata kertaa nykyistä ylärajaa isompi. Mutta se, että LHC ei ole nähnyt supersymmetriaa laski neutronin dipolimomentin ennusteen ylärajan suunnilleen nykyisen kokeellisen ylärajan kohdalle. Tässä mielessä nEDM olisi voinut nähdä jotain, mutta ei ollut yllätys, että niin ei käynyt.
nEDM-ryhmä puuhaa jatkokoetta nimeltä n2EDM, jonka on määrä ruveta pian tekemään mittauksia. (Tässä aiheesta tehty videoteos.) n2EDM parantaa herkkyyttä tekijällä kymmenen. Myös muut kokeet mittaavat sekä neutronin että muiden hiukkasten sähköisiä dipolimomentteja yhä tarkemmin.
Ei ole syytä odottaa, että juuri n2EDM:n tekijän kymmenen parannus olisi ratkaiseva. Mutta jossain vaiheessa havaintojen herkkyys voi ylittää uuden fysiikan löytämiseen tarvittavan rajan, ja tämä voi tapahtua isoissa tai pienissä kokeissa. Tutkijat ovat retkikunta, joka etenee askel askeleelta, ja matka voi kulkea pitkään halki tyhjän maaston.
Tämä ei varsinaisesti liity suoraan blogin aiheeseen, mutta jos tätä lukee joku tästä verkkosivusta vastaava, niin haluaisin nostaa esiin että sekä Chrome että Edge -selaimilla linkkien väritys on niin lähellä tekstin muuta väriä, että niitä on vaikea erottaa tekstin keskeltä.
Kiitos. Kannattanee laittaa viesti vaikka osoitteeseen ursa@ursa.fi, sieltä mennee eteenpäin.
”Vuonna 1956 kuitenkin osoitettiin kokeellisesti, että maailma ja sen peilikuva käyttäytyvät eri tavalla. Niinpä dipolimomenttikokeen tekijät katsoivat tuloksensa julkaisemisen arvoiseksi. Tämä on esimerkki siitä, miten teoreettiset ideat voivat vaikuttaa sekä haitallisesti että hyödyllisesti siihen, millaisia kokeita pidetään tekemisen arvoisina.”
Siis tutkimuksen tulos on julkaisemisen arvoinen, jos se on odotettu? Eli mitään uutta ei löydetty! Tätä voi kutsua myös nollatutkimukseksi. Jokaisen kokeen takana on teoreettinen idea, muutenhan koe olisi vailla mieltä. Ja oikein suunnitellun ja suoritetun kokeen pitäisi vahvistaa tai kumota sen takana oleva idea. Neutronin dipoolimomentin mittauksen vaikeus voi johtua tietenkin mitattavan pienuudesta, mutta myös siitä, että siihen liittyvä dynamiikka on liian nopeaa, jolloin nähdään vain aikakeskiarvo!
Kun mittaa asiaa, josta ei ole varma teoreettista ennustetta ja jota ei ole aiemmin mitattu, niin tulos on julkaisemisen arvoinen riippumatta siitä, löytyykö jotain vai ei.
Juurikin neutronin sähköinen dipolimomentti (kokeessa käytettävän sähkökentän voimakkuuden kanssa) määrää sen, miten nopeasti neutroni pyörii, mikä on se, mitä kokeessa mitataan. Jos pyöriminen on niin nopeaa, että sitä ei nähdä, tämä asettaa ylärajan sähköiselle dipolimomentille.
Satunnaislukugeneraattorin tehtävä on antaa satunnaislukuja ja on siten ennustettava, mutta ei itse lukujen julkaisemisessa ole mitään järkeä. Ellei ole teoreettista ennustetta eikä edes testattua menetelmää, niin tilanne on vielä huonompi kuin satunnaislukugeneraattorin tapauksessa!
Uusien havaintojen myötä löytöjä on usein tehty sieltä, mistä niitä ei ole osattu teoreettisesti odottaa.
Neutronin dipolimomentin mittaamiseen käytetyt menetelmät ovat luotettavia.
Tämä riittäköön tästä.
Kiitoksia näistä blogeista, ovat erittäin mielenkiintoista luettavaa näin maallikonkin näkökulmasta!
Kiitos, mukava kuulla!
Luin tekstisi ja siitä mieleeni tuli muutama vertaus.
En atomin yksityiskohdista paljon muuta tiedä kuin ne kokeiden
tuomat nimet hiukkasista (niitäkään en ulkoa osaisi sanoa oikein).
Kerroit neutronin hiukkasen koostuvan kolmesta kvarkista ja
niiden summana nollana dipolimomentissa (ei mittauksin tarkennettu),
joka dipoli kaksinapaisuutta.
Kolmen kvarkin kooste kuitenkin yli kaksitahosta – vaikka sen muotoa
kenties voi sinikäyrältä saada kahteen tasoonkin (plus ja miinus puolin).
Sähköstä mieleeni siten 3-vaiheinen moottori, joissa rautasydän käämitetty
kolmelle vaiheelle (paristoissa vain 1-vaiheisuus, plus- ja miinusnapoineen)
ja niiden summana nolla – sähkön kiertäessä käämeissä eri vaiheissa
siirtyy magnetismi rautasydämessä ympyrää, pyörittäen sähkömoottorissa
roottoria liike-energiaan.
Voisi siten ehkä ajatella, että em. neutronin kvarkit myös olisivat jossain
vaiheistetussa kiertoliikkeessä – summanaan se tulkittu nolla.
Kiertoliike neutronin sisällä olisi kuitenkin jakaantunut pallotasoille
(ei tasaradalle kuten em. sähkömoottori vertauksessani),
hieman niin kuin pallomaisissa tähtijoukoissakin useampia tähtiä kerääntynyt
tiiviiksi paketiksi isossa mittakaavassa. Näin siis tulkitsin mielikuvanani tekstiä.
Kvarkeilla on monimutkainen jakauma neutronin sisällä. Lisäksi neutronin rakenteessa pitää ottaa huomioon hiukkaset nimeltä gluoni, jotka välittävät vahvaa vuorovaikutusta, joka sitoo kvarkit neutroniksi. Nekin vaikuttavat neutronin ominaisuuksiin.
Hyvä että tarkensit kvarkeille gluonin – jolla sitten sitä kaksinapaisuuttakin tasan olisi.
Sähkömoottorin vertauksessani myös neljäs yhteys kolmelle vaiheelle – nollajohdin,
joka käämien loppupäissä yhdistyy ja johtaa maadoituksella avoimeen kuparijohtoon
maahan – joka nollan maadoitus sähkölaitteista rakennuksissa
(siihen yhdistyy myös lyhyet suojamaadoitukset metallisista runko-osista vikasuojauksena).
Ihmisetkin kemiallisesti ja hermoverkostonsa sähköyhteyksin eräänlaisia koneistuksia,
jotka myös sähköä esim. salamaniskut johtaa maahan ja siten vastuksina kuumentuu.
Neutronin sähköiseen dipolimomenttiin vaikuttavat siis neutronin osaset, eli kvarkit ja gluonit. Tämä riittäköön tästä.