Klikkaa kuvaa!Professori Katri Huitu esitelmöi Kirkkonummella. Kuva Heikki Marttila.
Kirkkonummen Komeetta järjesti yleisöesitelmän aiheesta "Hiukkaset ja pimeä aine" Kirkkonummen Kirkkoharjun koulun auditoriossa. Helsingin yliopiston Vapaan sivistystyön toimikunta rahoitti esitelmän, jolla oli yli 60 kuulijaa.
Esitelmässä perusteltiin lyhyesti pimeän aineen tarvetta, jonka jälkeen luotiin katsaus hiukkasfysiikan standardimalliin ja sen supersymmetriseen laajennukseen, sekä kerrottiin mahdollisuuksista löytää ja tutkia pimeän aineen hiukkasta tulevaisuuden kiihdyttimillä.
Klikkaa kuvaa!
Professori Katri Huitu esitelmöi Kirkkonummella. Kuva Heikki Marttila.
Esitelmöitsijä Katri Huitu on professorina Fysikaalisten tieteiden laitoksessa Helsingin yliopistossa ja hiukkasfenomenologiaryhmän johtajana Fysiikan tutkimuslaitoksessa. Hänen päätutkimusalansa ovat hiukkasfysiikan standardimallia syvällisemmät teoriat, kuten supersymmetria ja korkeampien ulottuvuuksien teoriat. Hän on tutkinut näiden teorioiden ilmenemistä nykyisissä ja tulevissa laboratoriokokeissa.
Miksi tarvitaan pimeää ainetta?
Galaksien pyörimisliike on osoittanut, että suurin osa galaksien aineesta on näkymätöntä, pimeää ainetta. Se ei siis säteile valoa. Jos materiaa ei ole tarpeeksi, galaksin osat karkaavat erilleen. Tämän osoitti jo Fritz Zwicky 1930-luvun loppupuolella.
On esimerkiksi havaittu pimeän aineen galaksi (VirgoHI21), jossa havaittua neutraalia vetyä on 100 miljoonan Auringon massan verran, mutta galaksin kokonaismassa on 100 miljardia Auringon massaa.
Klikkaa kuvaa!
Professori Katri Huitu esitelmöi Kirkkonummella. Kuva Heikki Marttila.
On myös saatu suora kokeellinen todiste pimeän aineen olemassaolosta gravitaatiolinssi-ilmiötä tutkimalla. Kaksi galaksijoukkoa törmäsi 100 miljoonaa vuotta sitten. Tavallinen aine hidastui törmätessä, mutta heikosti vuorovaikuttava pimeä aine meni suoraan läpi.
WMAP-satelliitin mittaukset vuodesta 2001 osoittavat maailmankaikkeuden koostumuksen. Tavallista näkyvää ainetta on vain 4 %. Kylmää pimeää ainetta on 23 %. Ja loput 73 % on salaperäistä pimeää energiaa, jonka olemuksesta ei tiedetä yhtään mitään.
Pimeän energian olemassaolo johtuu siitä, että maailmankaikkeuden laajenemisnopeuden on havaittu kiihtyvän.
Maailmankaikkeuden keskimääräinen tiheys on luultavasti täsmälleen kriittisen tiheyden suuruinen, mikä tarkoittaa sitä, että maailmankaikkeus on euklidinen.
Klikkaa kuvaa!
Professori Huidun esitelmää kuunteli yli 60 kuulijaa. Kuva Seppo
Linnaluoto.
Mitä aineesta tiedetään?
Atomi koostuu ytimestä ja sen ympärillä olevasta elektroniverhosta. Atomin ydin koostuu protoneista ja neutroneista, jotka taas koostuvat kvarkeista. Vapaita kvarkkeja ei ole havaittu eikä luultavasti koskaan tulla havaitsemaankaan. Atomin ytimessä on aivan valtaosa atomin massasta. Atomin (kemialliset) ominaisuudet taas johtuvat sen elektroneista.
Atomimaailman mittakaavan valaisemiseksi esitelmöitsijä esitti seuraavaa. Kuvitellaan atomi, jossa protonin ja neutronin halkaisijat ovat 1 cm. Tällöin elektronin halkaisija on pienempi kuin 0,01 mm. Saman kokoisia ovat protonin ja neutronin osat, kvarkit. Ja atomin halkaisija on noin 1 km. Eli 99,999999999999 % atomista on tyhjää!
Kvarkit esiintyvät ainoastaan yhteensidottuina tiloina. Barionit, kuten protonit ja neutronit, koostuvat kolmesta kvarkista. Mesonit koostuvat kahdesta kvarkista. Leptonit taas eivät koostu kvarkeista, ne ovat itsenäisiä alkeishiukkasia. Leptoneja ovat esim. elektroni ja neutriinot.
Barionien ja mesonien järjestelmä johti Murray Gell-Mannin ja George Zweigin keksimään kvarkit 1964.
Luonnossa lyhytikäisiä hiukkasia voi havaita, kun kosmisen säteilyn hiukkaset törmäävät ilmakehän hiukkasiin.
On olemassa neljä eri vuorovaikutusta. Niistä voimakkain on vahva vuorovaikutus. Se pitää atomiytimiä koossa. Sen välittäjähiukkanen on gluoni. Toiseksi voimakkain on meille kaikille tuttu sähkömagneettinen vuorovaikutus. Sen välittäjähiukkanen on fotoni eli valohiukkanen. Seuraavana on heikko vuorovaikutus. Sen vaikutuksesta epästabiilit atomiytimet hajoavat. Sen välittäjähiukkanen on Z- tai W-hiukkanen. Näitä huomattavasti heikompi vuorovaikutus on painovoima. Se että se tuntuu voimakkaalta, johtuu siitä, että on tavattoman suuria massoja, esim. maapallo. Painovoima pitää esim. meidät Maan pinnalla. Sen oletettu välittäjähiukkanen on gravitoni. Sitä ei ole havaittu.
Mikä sopii pimeäksi aineeksi?
Maailmankaikkeuden rakenteen muodostuminen, samoin kuin alkuräjähdyksen nukleosynteesi ja suurten etäisyyksien rakenne ja mikroaaltotaustasäteily osoittavat, että suurin osa pimeästä aineesta ei ole tavallisesti kohtaamaamme, ns. barionista ainetta.
Tunnetuista hiukkasista neutriino ei ole barioninen, ja sillä on pieni lepomassa. Kuitenkaan neutriino ainakaan yksinään ei muodostane pimeää ainetta - se käyttäytyy relativistisesti ja suurten etäisyyksien rakenne maailmankaikkeudessa viittaa painavaan epärelativistiseen pimeän aineen hiukkaseen. Mahdollinen hiukkanen voisi olla niin kutsuttu WIMP (weakly interacting massive particle) eli heikosti vuorovaikuttava massiivinen hiukkanen. Osa pimeästä aineesta on barionista - tähän luokkaan kuuluvat sammuneet tähdet, planeetat ja mustat aukot.
Hiukkasfysiikan standardimallia syvällisemmistä teorioista löytyy paljon mahdollisuuksia pimeän aineen hiukkasiksi. Yhtä suosituimmista mahdollisista teorioista kutsutaan supersymmetriaksi ja se ennustaa uuden hiukkasen, jolla on kaikki pimeälle aineelle vaadittavat ominaisuudet: se on stabiili, heikosti vuorovaikuttava ja sen massa vaikuttaa sopivalta. Vuonna 2007 Genevessä CERNin tutkimuslaitoksessa aloittaa toimintansa uusi kiihdytin, Large Hadron Collider (LHC eli suuri hadronitörmäytin), joka tuottaa suuret määrät supersymmetrisiä hiukkasia, jos supersymmetria ratkaisee niin sanotun standardimallin hierarkiaongelman.
Klikkaa kuvaa!
CERNin tutkimuslaitos Genevessä Sveitsissä. Maanalainen 27 km tunneli
on merkitty kuvaan punaisella ympyrällä. Pienet ympyrät ovat
sen koelaitteistoja. Kuva CERN.
Miten pimeän aineen hiukkasia voidaan tutkia laboratoriossa?
Pimeän aineen hiukkasia (kuten muitakin hiukkasia) voidaan tutkia suurilla hiukkaskiihdyttimillä. Niistä tunnetuin on jo 52 vuoden ikään ehtinyt CERN Genevessä Sveitsissä.
CERN on Euroopan hiukkasfysiikan tutkimuskeskus. Se tutkii aineen perusolemusta ja voimia, jotka pitävät sen koossa.
CERN on lyhenne sanoista Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire. Tämä ”conseil” eli neuvosto perustettiin 1952, ja se muuttui ”organisaatioksi” 1954. Nykyisin CERNinä tunnetun tutkimuskeskuksen rakentaminen aloitettiin 1955. Se sijaitsee Geneven kaupungin kupeessa Sveitsin ja Ranskan rajalla.
CERNissä on noin 2500 vakituista työntekijää, ja vuosittain siellä vierailee lähes 7000 tutkijaa. CERNin kanssa yhteistyössä tai sen kanssa työskentelee yli kolmasosa maailman kokeellisista hiukkasfyysikoista. Organisaation jäsenvaltioina on 20 Euroopan maata. Suomi liittyi organisaation jäseneksi vuonna 1991.
Klikkaa kuvaa!
CERNin tutkimuslaitos Genevessä Sveitsissä. Maanalainen 27 km tunneli
on merkitty kuvaan punaisella ympyrällä. Pienet ympyrät ovat
sen koelaitteistoja. Kuva CERN.
1989 CERNiin valmistui uusi hiukkaskiihdytin. Se on noin 27 kilometriä pitkä ympyrän muotoinen putki, joka kulkee Sveitsin ja osittain myös Ranskan maaperän alapuolella. Siinä oli LEP-törmäytin (Large Electron-Positron Collider).
Tällä hetkellä CERNiin rakennetaan uutta LHC-törmäytintä, jonka on määrä valmistua kesällä 2007. Valmistuttuaan sen päätehtävä on löytää Higgsin hiukkanen.
Seuraavana Kirkkonummen Komeetan esitelmäsarjassa on vuorossa tutkija Marianna Ridderstad, joka kertoo eksoplaneetoista. Esitelmä pidetään Kirkkonummen koulukeskuksen auditoriossa tiistaina 10.10. klo 18.30. Vapaa pääsy.
Seppo Linnaluoto