Kosmokseen kirjoitettua

Porttiteoria

13.12.2024 klo 19.03, kirjoittaja Syksy Räsänen
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua , Kosmologia

Kaikki todisteemme pimeän aineen olemassaolosta perustuvat sen gravitaatioon. Havaitsemme että näkyvä aine liikkuu, valo taipuu ja maailmankaikkeus laajenee eri tavalla kuin mitä pelkästään näkyvän aineen perusteella pitäisi. Tästä päättelemme, että on olemassa näkymätöntä ainetta. (Vaikka asiaa voi vielä järkevästi epäillä.) Mutta mitä se on?

Toissapäivänä Alexander Belyav Southamptonin yliopistosta ja Rutherfordin laboratoriosta Iso-Britanniasta puhui Helsingin yliopiston fysiikan osaston kosmologiaseminaarien sarjassa pimeän aineen mallien erottamisesta toisistaan.

Pimeä aine voi olla asteroidin massaisia mustia aukkoja, alkeishiukkasia, tai alkeishiukkasten yhdistelmiä. Jos pimeä aine koostuu alkeishiukkasista, emme tiedä niiden massoja, millaisia vuorovaikutuksia niillä on, tai ovatko ne täysin stabiileja (kuten elektronit) vai ainoastaan hyvin pitkäikäisiä.

Pimeän aineen hiukkasiksi on satoja ehdotuksia: nynnyt, aksionit, heksakvarkit, steriilit neutriinot, teknivärihiukkasten kimput, tunnettujen hiukkasten sukulaiset ylimääräisistä ulottuvuuksista, ja niin edelleen.

Pimeän aineen luonteen selvittämiksi (ja sen varmistamiseksi, että pimeää ainetta on olemassa) pitäisi havaita ne hiukkaset (tai mustat aukot) mistä se koostuu. Näitä hiukkasia etsitään erilaisilla tavoilla.

Pimeää ainetta kulkee koko ajan Maan läpi, joten voidaan havaita miten se tönii laboratoriossa olevia hiukkasia. Pimeä aine saattaa annihiloitua paikoissa, missä on paljon sen hiukkasia ja antihiukkasia, ja tästä tulevaa säteilyä voidaan havaita. Pimeän aineen hiukkasia voidaan tuottaa hiukkaskiihdyttimissä. Lisäksi ne voivat vaikuttaa varhaisten tähtien kehitykseen: on ehdotettu, että James Webb Space Telescopen näkemät kirkkaat punaiset pisteet ovat pimeän aineen annihilaation kirkastamia tähtiä.

Pimeän aineen mallissa pitää kertoa myös, millaisen hiukkasen kautta se vuorovaikuttaa näkyvän aineen kanssa. Tällaista hiukkasta kutsutaan joskus porttihiukkaseksi, koska se on ainoa hiukkasfysiikan väylä tunnetun Standardimallin ja tuntemattoman pimeän sektorin välillä. Pimeän aineen hiukkasen lisäksi pimeällä sektorilla voi olla paljon muitakin hiukkasia, joita näemme vain porttihiukkasen kautta.

Pitkään suosituin pimeän aineen ehdokas oli nynny, joka vuorovaikuttaa muun aineen kanssa hiukkasfysiikan Standardimallin W- ja Z-bosonien kautta. Jos tällaisia hiukkasia olisi olemassa, ne olisi jo löydetty, koska W– ja Z-bosonien kautta ne vaikuttaisivat niin voimakkaasti tavalliseen aineeseen. Kertoo teknologian kehityksestä, että W– ja Z-bosonien välittämä vuorovaikutus nimettiin aikoinaan heikoksi vuorovaikutukseksi, mutta nykyisen mittaustarkkuuden puitteissa sen signaali on erittäin vahva.

Pimeästä sektorista on tullut suosittu tutkimusaihe, varsinkin kun sinne voi rakentaa melkein millaisia malleja tahtoo, kunhan pitää portin tarpeeksi kapeana, eli uudet hiukkaset tarpeeksi eristettynä Standardimallista.

Jos jotain sitten havaitaan, mitä siitä voi päätellä? Hiukkaskiihdyttimissä pimeän aineen signaali on vain se, että jotain ei nähdä. Hiukkastörmäyksissä energia ja liikemäärä säilyvät, joten jos havaittujen törmäyksessä syntyneiden hiukkasten energia ja liikemäärä on vähemmän kuin törmäytettyjen hiukkasten energia ja liikemäärä, niin voi päätellä, että on syntynyt hiukkasia, joita ei havaita.

Belyav on yhteistyökumppaneineen selvittänyt, miten tällaisesta yksinkertaisen tuntuisesta signaalista voi erotella, millaisesta pimeän aineen hiukkasesta on kyse. Erilaisten vaihtoehtojen ilmaan heittelemisen sijaan Belyav ja kumppanit käyvät läpi malleja järjestelmällisesti askel kerrallaan sen mukaan, millainen pimeän aineen hiukkanen ja porttihiukkanen niissä on. Samalla he ottavat huomioon kaikki erilaiset tavat havaita pimeää ainetta – nykyään onkin tavallista yhdistää havainnot kiihdyttimissä ja kosmoksessa.

Järjestelmällisen lähestymistavan takia on iso määrä malleja seulottavaksi, ja Belyav haluaa käyttää koneoppimista mahdollisten havaittujen signaalien ja mallien yhdistämiseen. Tällä hetkellä kuitenkaan ongelmana ei ole havaintojen tulkitseminen, vaan se että pimeän aineen hiukkasesta ei ole mitään havaintoja.

Lisäksi Belyavin ja kumpp. tutkailu kattaa vain sellaiset hiukkaset, jotka ovat lähellä nykyisten kiihdyttimien ja tönimiskokeiden rajoja – eli joita voisi löytyä lähitulevaisuuden kokeissa. Mutta ei ole mitään taetta siitä, että aarre odottaa juuri kulman takana. Kun aluksi oli perusteltu pimeän aineen ehdokas –nynnyt– joka kuitenkin osoittautui liian vahvasti vuorovaikuttavaksi, on houkuttelevaa jatkaa teorioiden polulla samaan suuntaan, ja tehdä vuorovaikutuksista vain heikompia ja heikompia, kunnes ollaan kaukana alkuperäisestä motivaatiosta.

Ongelma on sama kuin muunkin Standardimallin tuonpuoleisen hiukkasfysiikan etsimisessä kiihdyttimillä: ei ole hyvää teoreettista syytä odottaa, että kohta näkyy jotain uutta. Ongelmaa pahentaa se, että kiihdytinten luotaama alue kasvaa hyvin hitaasti. Kuten FCC-kiihdytinprojekti osoittaa, tarvitaan paljon teknologista panostusta, jotta saataisiin luodattua hieman korkeampia energioita ja hieman heikompia signaaleja.

Toinen vaihtoehto on vaihtaa reittiä ja tutkia aivan erilaisia pimeän aineen ehdokkaita, kuten kevyisiin pimeän aineen hiukkasiin keskittyvässä SHiP-kokeessa, pimeän aineen hajoamisesta syntyvän röntgensäteilyn mittauksissa, ja pienten mustien aukkojen metsästyksessä.