21
 |
Maailmankaikkeutta etsimässä
Syksy Räsänen 29.11.2011 |
| Pikkupuolueettomien taustoja | |
Neutriinot ovat nousseet julkisuuteen neutriino-oskillaatioita tutkivan OPERA-kokeen yllättävän lehdistötiedotteen myötä. Kävipä OPERAn tuloksen suhteen miten tahansa, neutriinoilla on kiehtova historia.
Hiukkasfysiikan Standardimallin hiukkaset voidaan jakaa ainehiukkasiin, vuorovaikutuksia välittäviin hiukkasiin ja Higgsin hiukkaseen. Vuorovaikutuksia on Standardimallissa kolme: sähkömagneettinen vuorovaikutus, värivuorovaikutus ja heikko vuorovaikutus. Niitä kutakin välittävät omat hiukkasensa: sähkömagnetismia fotoni, värivuorovaikutusta gluonit ja heikkoa vuorovaikutusta W- ja Z-bosonit. Ainehiukkaset voidaan jakaa kvarkkeihin, jotka tuntevat värivoiman –joka sitoo ne protoneiksi ja neutroneiksi– ja leptoneihin, jotka eivät tiedä värivoimasta mitään. Leptoneita on kuusi erilaista: elektroni, myoni ja tau, ja näitä vastaavat elektronin, myonin ja taun neutriino. Myoni ja tau ovat jokseenkin samanlaisia kuin tuttu ja turvallinen elektroni, vain raskaampia ja lyhytikäisiä: ne hajoavat helposti elektroniksi, yhdeksi neutriinoksi ja yhdeksi antineutriinoksi. Elektroni on stabiili, eikä hajoa koskaan minnekään.
Standardimallin matemaattisessa rakenteessa elektroni ja sen neutriino kuuluuvat tiiviisti yhteen, ja vastaavasti myonin ja taun neutriinojen kohdalla. Elektronin ja sen neutriinokumppanin välillä on kaksi tärkeää eroa: neutriinolla ei ole sähkövarausta ja se on elektronia noin miljoona kertaa kevyempi. (Tai ehkä sata miljoonaa — neutriinojen massoja ei tunneta tarkkaan.)
Koska neutriinoilla ei ole sähkövarausta, ne eivät vuorovaikuta valon kanssa eikä niitä voi suoranaisesti nähdä. Ja heikko vuorovaikutus on nimensä mukainen, joten neutriinot sujahtavat aineesta läpi sitä juuri edes huomaamatta. Tämän takia neutriinoja voi lähettää CERNistä maan läpi Gran Sassoon Italiassa.
Heikon vuorovaikutuksen lisäksi neutriinot, kuten kaikki hiukkaset, tuntevat gravitaation. Gravitaatio on vielä heikompi kuin adjektiivin ominut heikko vuorovaikutus. Mutta koska gravitaation kantama on pitkä, se on merkittävä tekijä kun massaa on paljon, eli planeettojen mittakaavassa ja siitä ylöspäin. Seuraamalla miten kappaleet ja valo liikkuvat gravitaatiokentissä on päätelty, että on olemassa paljon ainetta jota ei nähdä. 1980-luvulla tultiin vakuuttuneiksi siitä, että tämä aine koostuu hiukkasista, jotka ovat näkymättömiä ja vuorovaikuttavat tavallisen aineen kanssa perin heikosti, kahdella sanalla sanoen pimeästä aineesta. Pimeän aineen rooli tuntuisi olevan kuin tehty neutriinoille: ne ovat ainoat tunnetut näkymättömät ja stabiilit hiukkaset.
Pimeän aineen energiatiheys tiedetään noin 15% tarkkuudella. Pimeän aineen hiukkasten pitää havaintojen mukaan kulkea hyvin hitaasti, joten niiden liike-energia on pieni, ja valtaosa energiasta on niiden massassa, aivan kuten tavallisen aineen kohdalla. Energiatiheys riippuu siiis vain hiukkasten massasta ja tiheydestä. Neutriinojen tiheys tiedetään: niitä on keskimäärin 112 kappaletta kuutiosenttimetrissä kutakin laatua, eli 336 kappaletta yhteensä. Tästä voidaan laskea, mikä neutriinojen yhteenlasketun massan pitäisi olla jotta ne selittäisivät havainnot. Vaadittava massa on liian iso, tekijällä muutama (tai muutama sata): neutriinot ovat liian kevyitä että selittäisivät kaiken pimeän aineen.
Neutriinoihin pimeänä aineena liittyy toinenkin ongelma: ne eivät liiku hitaasti, valtaosan maailmankaikkeuden historiaa ne vilistävät ympäriinsä lähes valon nopeudella. Kulkiessaan ylitiheistä alueista sellaisiin, missä on vähemmän ainetta, neutriinot tasoittavat tiheysvaihteluita, kuin lapioisivat ainetta kukkuloilta laaksoihin. Mitä suurempi osuus aineesta on neutriinoja, sitä isompi niiden vaikutus on. Jos kaikki pimeä aine koostuisi neutriinoista, ne olisivat pyyhkineet galaksit pois ennen kuin ne ehtisivät syntyä.
Tarina neutriinoista pimeän aineen kandidaattina osoittaa, että ilmeisiltäkään vaikuttavat ratkaisut eivät välttämättä pidä paikkaansa, ja vain havainnot voivat kertoa mikä on totta. Kosmologisten neutriinojen tutkiminen ei kuitenkaan ollut hukkaan heitettyä työtä. Vaikka neutriinot eivät saaneetkaan pääosaa pimeänä aineena, niillä on kosmologiassa oma roolinsa, joka näkyy muun muassa kosmisessa mikroaaltaustassa ja kevyiden alkuaineiden synnyssä. Neutriinot myös osoittavat, että näkymätön aine on todellista. Kun tiedämme, että lävitsemme kulkee joka sekunti tuhansia miljardeja neutriinoja, ei maailma tunnu paljoa kummallisemmalta, vaikka siinä samassa kulkisi joku muukin näkymätön hiukkanen. (Pimeästä aineesta on lukuisia erilaisia malleja, ja sitä etsitään monin tavoin.)
Vaikka neutriinojen massa ei riitä pimeän aineen selitykseksi, massa mahdollistaa sen eriskummallisen piirteen, että neutriinot voivat muuttua toisikseen niinkutsutuissa neutriino-oskillaatioissa. Tämä onkin seuraavan merkinnän aihe.
30. marraskuuta 2011 kello 9.17
Jos neutriinot voivat vaihtua toisikseen, voiko neutriinoissa oleva asia vaihtua matkan aikana kokonaan?
30. marraskuuta 2011 kello 13.39
Mihin perustuu neutriinoilmaisin? Miten neutriino saadaan havaittua, jos ne ovat niin “huomaamattomia” että ne kokevat vain gravitaation? Pitääkö neutriinon osua tasan tarkkaan johonkin ytimeen tai johonkin hiukkaseen, minkä törmäyksen tuloksena tapahtuu jotain mikä voidaan havaita ja mistä voidaan päätellä, että nyt nimenomaan neutriino aiheutti ilmiön? Tuntuu että ilmaisu vaatii todella herkkää systeemiä, minkä datasta jollain ihmeellä on saatu seulottua pois kaikki “tavallisten hiukkasten” aiheuttamat ilmiöt. Elektronilla on sähkövaraus ja massa, neutriinolla pelkkä massa. Liittyykö neutriinoon ja sen paikkaan avaruudessa joku aaltofunktio (?), kuten elektronilla?
(Voinko rakentaa neutriinoilmaisimen autotalliini? Vitsi vitsi)…
30. marraskuuta 2011 kello 15.52
Niin,eikös neutriinojen oskilloituminen tarkoita kvanttiaallonpituuden muuttumista, näinhän tapahtuu auringon neutriinoille
matkallaan maahan? Neutriinojen havaitseminen perustuu todellakin siihen,että joskus neutriino törmää ytimeen ja tuottaa fotoneja,jotka sitten havaitaan herkillä valoilmaisimilla. Ensimmäiset ilmaisimet olivat suuri säiliö kloorattua hiilivetyä, jonka
klooriatomiin osuessaan neuriino aiheutti transmutaation toiseksi alkuaineeksi. Sitten oli suuret ultrapuhtaan veden säiliöt,
kuten Japanin Super Kamiokande. Ne eivät kuitenkaan ilmaisseet kaikkia tyyppejä ja tuosta syntyi tarina auringon puuttuvista neutriinoista. SNO, Sudburyn neutriino-observatorio vanhassa nikkelikaivoksessa, jossa oli tuhat tonnia Kandu-reaktoreista otettua D2O:a, raskasta vettä, pystyi ilmaisemaan kaikki kolme neutriinotyyppiä, tutkijaryhmä McDonalds et al julkaisi tuloksensa
muistaakseni 2005 SciAmissa. Suurin tulevista ilmaisimista lienee “IceCube”, kuutiokilometri jäätä Antarktisessa?
30. marraskuuta 2011 kello 18.08
Kiitos Syksylle taas kerran mielenkiintoisesta artikkelista.
Kirjoitat että “Elektroni on stabiili, eikä hajoa koskaan minnekään”. Käsittääkseni myös protonia pidetään stabiilina hiukkasena vallalla olevissa standardimalleissa, mutta joidenkin spekulatiivisten teorioiden mukaan se voisi silti hajota äärimmäisen pitkän ajan kuluessa. Esittääkö mikään rakenteilla oleva teoria vastaavaa elektronin kohdalla, vai pidetäänkö sitä myös kaikissa kehitteillä olevissa malleissa hajoamattomana?
1. joulukuuta 2011 kello 16.37
Neutriino-oskillaatioista seuraavan merkinnän yhteydessä.
Pekka:
Neutriinojen havaitseminen perustuu siihen, että ne vuorovaikuttavat atomiydinten kanssa heikon vuorovaikutuksen (eli W- ja Z-bosonien) kautta. Neutriinot jättävät tietynlaisen jäljen, mutta taustakohina pitää toki olla hyvin hallussa. Tunnetuin neutriinodetektori lienee Kamiokande, joka on oleellisesti iso tankki vettä, jonka reunat ovat täynnä valokennoja, jotka mittaavat atomien saamasta energiasta syntynyttä valoa.
Neutriinoon, kuten kaikkiin hiukkasiin, liittyy aaltofunktio. Hiukkasillahan ei oikeastaan ole mitään paikkaa avaruudessa, vain tietty todennäköisyysjakauma siihen, missä ne havaitaan.
Mika:
Elektroni on Standardimallissa stabiili, koska se on kevyin hiukkanen, jolla on sähkövaraus. Koska energia ja sähkövaraus säilyvät, ei ole mitään mihin elektroni voisi hajota. Yleensäkin hiukkaset hajoavat, ellei ole jotain erityistä syytä siihen, miksi näin ei voi käydä. On mahdollista, että todellisuudessa elektroni on vain hyvin pitkäikäinen. Harvoissa malleissa kuitenkin on varattua hiukkasta, jota olisi vielä elektronia kevyempiä. Tällainen hiukkanen (tai kevyin tällaisista hiukkasista) olisi nimittäin itse stabiili, ja olisi kummallista, että miksi niitä ei sitten ole havaittu. Käsityksemme hiukkasista ja stabiiliudesta voi toki muuttua tulevaisuudessa.
2. joulukuuta 2011 kello 10.24
Pakko vain tunteellisen palautteen muodossa lähestyä.
Hyvää ja mielenkiintoista tekstiä lopulta minulle vieraasta - ja ehkä siksi - kiinnostavasta aiheesta!
2. joulukuuta 2011 kello 14.22
Kävin googlaamassa Kamiokandea joka ilmeisesti pyrkii tunnistamaan myös protonin hajoamisen? Miten neutriino ja sen havaitseminen liittyy protonin hajoamiseen, vai onko kyseessä koe missä näillä ei ole mitään tekemistä keskenään? Samalla ilmaisimella siis etsitään havaintoja molemmista, ja nyt on löytynyt havaintoja neutriinoista mutta ei protonin hajoamisesta?
2. joulukuuta 2011 kello 16.32
Monitaho.:
Kiitos, mukava kuulla.
Pekka:
Olet hahmottanut oikein. Kamiokande näkee valosignaaleja. Tankin sisällä olevan protonin hajoamisesta tulee tietynlainen valosignaali, läpimenevistä neutriinoista toisenlainen. Näillä ilmiöillä ei ole mitään tekemistä keskenään. Protonien hajoamista ei ole havaittu.
3. joulukuuta 2011 kello 15.04
Ymmärsinkö oikein että Kamiokandessa on kaksi sisäkkäistä ilmaisinvaippaa jolloin näiden signaaleista saadaan pääteltyä neutriinon tulosuunta? Mitenkäs se on mahdollista, jos neutriino vuorovaikuttaa yhden ytimen kanssa, mistä syntyvä “tuikahdus” ilmaistaan? Mistä syntyy se toinen tuikahdus joka kertoo tulosuunnan?
Odotan mielenkiinnolla oskillaatioon liittyvää jännäriä.
3. joulukuuta 2011 kello 16.46
Pekka:
En tunne Kamiokande-detektorin yksityiskohtia. Kun neutriino vuorovaikuttaa elektronin kanssa, elektroni voi irrota atomistaan. Sinkoutuessaan läpi detektorin elektroni vuorovaikuttaa vesiatomien kanssa ja jättää jälkeensä valovanan. (Kirjoitin yllä, että neutriinot vuorovaikuttavat atomiytimen kanssa, mutta kyllä ne voivat vuorovaikuttaa elektronienkin kanssa.) Neutriinon vuorovaikutus voi myös tuottaa uuden elektronin (tai periaatteessa myonin tai taun) sen sijaan, että se vain tönisi olemassaolevia hiukkasia.
3. joulukuuta 2011 kello 17.40
SNO:ssa tietyn neutriinon (en ulkoa muista minkä) havaitseminen perustuu juuri vedessä ylivalon nopeudella liikkuvan
hiukkasen Tserenkov-säteilyyn.
4. joulukuuta 2011 kello 16.54
Ja tässä tuosta maailman suurimmasta neutriinodetektorista, IceCube´sta Antarktisessa, alkaa olla valmis!
http://www.scientificamerican.com/article.cfm?id=ice-cube-antarctica
Noissa kloorattua hiilivetyä käyttävissä neutriinodetektoreissa siis klooriatomi, johon neutriino “osuu”, muuttuu
säteileväksi argonisotoopiksi 37 (puoliintumisaika 35 d):
http://www.osti.gov/energycitations/product.biblio.jsp?osti_id=7330079
5. joulukuuta 2011 kello 11.08
Sensuroit linkkini SNO:n detektorista? Miksihän, siinähän oli erinomainen selitys kuvin? (kirjoitin tästä aikoinani, eli silloin kun McDonalds ja kumppanit julkaisivat SciAmissa,mutta Tuula Koukku heitti sen takaisin ja sanoi, “emme kaipaa lisää tästä aiheesta”.
Hän ei selvästikään ollut ymmärtänyt asiaa. Vuotta myöhemmin edesmennyt Leena Tähtinen kirjoitti samasta uutena aiheena,mutta oli
myös ymmärtänyt väärin, eivät neutriinot auringosta tullessaan erotu nopeutensa johdosta, vaan kvanttiaallonpituutensa).
Jälkiepisodina lähetin samana jutun “Tiede”-lehden kirjoituskilpailuun. Ei päässyt maininnalle, vaikka palkintolautakunnan prof.
Esko Valtaoja kertoi minulle ihmetelleensä, sillä juttuni oli hänen mukaansa kosmologian aiheen paras. No,minä en ole ainaisena
skeptikkona järin suosittu medioissa.
5. joulukuuta 2011 kello 12.41
Tuleeko tästä nimimerkin “Hannu Tanskanen” synkkä itsepuhelu?
5. joulukuuta 2011 kello 14.58
Hannu Tanskanen:
Poistan kommentit, joissa esitellään omia teorioita. Ne eivät kuulu tämän blogin kommentteihin.
22. joulukuuta 2011 kello 15.26
[…] useilla eri tavoilla, esimerkiksi kahdeksi fotoniksi tai sitten elektroni-positronipariksi yhdessä neutriino-antineutriinoparin kanssa. Näitä eri vaihtoehtoja kutsutaan hajoamiskanaviksi. Standardimalli […]
25. maaliskuuta 2012 kello 0.11
[…] syyskuussa OPERA-koe ilmoitti havainneensa neutriinojen matkanneen CERNistä 730 kilometrin päähän Gran Sasson laboratorioon nopeammin kuin mitä valo […]