BLOGI: Maailmankaikkeutta etsimässä

Olin tänään Suomen Euclid-ryhmän ensimmäisessä kokouksessa. Euclid on Euroopan avaruusjärjestö ESAn satelliitti, jonka on määrä nousta avaruuteen vuonna 2019 mittaamaan tarkasti galaksien jakaumaa ja ominaisuuksia.

Nykykosmologian vahvuutena on se, että on suuri määrä erilaisia tapoja tehdä havaintoja ja ne tukevat toisiaan. Jos epäilee jotain tulosta, asian voi tarkistaa toisella menetelmällä. Moninaisista havainnoista voi erottaa kolme, jotka ovat erityisen tärkeitä: kosmisen mikroaaltotaustan epätasaisuudet, supernovien kirkkaudet ja galaksien jakauma.

Kosminen mikroaaltotausta viestii enimmäkseen siitä, mitä tapahtui maailmankaikkeuden alkuaikoina, supernovista voi taasen lukea, miten maailmankaikkeus on laajentunut muutaman viime miljardin vuoden aikana. (Kummastakin on myönnetty Nobelin palkinto.) Galaksien jakauma kertoo sekä maailmankaikkeuden alkuhetkistä että sen myöhemmästä kehityksestä.

Kun maailmankaikkeus oli 400 000:n vuoden ikäinen, ei ollut galakseja, planeettoja tai muitakaan rakenteita, pelkästään pieniä, tuhannesosan kokoisia tiheysvaihteluita melkein tasaisessa ja kuumassa hiukkaskeitossa. Hiljalleen ne alueet, joissa on enemmän massaa, vetävät sitä muualta puoleensa, ja niiden tiheys kasvaa ja laajeneminen hidastuu. Joissakin alueissa tiheys nousee niin isoksi, että ne lakkaavat laajenemasta ja romahtavat oman painovoimansa takia. Romahduksen pysäyttää tyypillisesti pyörimisliike, ja jäljelle jää rakenne, joka ei sen enempää laajene kuin romahdakaan, vaan on suhteellisen stabiili. Esimerkiksi oma Galaksimme pysyy kasassa siksi, että aine kiertää keskustaa. Maailmankaikkeuden rakenne muodostuu hierarkisesti: ensin syntyneet pienet klimpit muodostavat hiljalleen isompia kokonaisuuksia, jotka puolestaan toimivat vielä suurempien rakenteiden palikoina: galaksit muodostavat galaksiryppäitä ja nämä superryppäitä. Tätä voi ihailla vaikkapa tästä Max Planck -astrofysiikkainstituutin simulaatiosta. (Instituutin sivuilla on muitakin vaikuttavia simulaatioita.)

Galaksien jakauma riippuu siitä, millaisia alkuperäiset tiheysvaihtelut ovat, miten galaksit vetävät toisiaan puoleensa ja miten maailmankaikkeus laajenee. Kun katsotaan kaukaisia galakseja, nähdään, millaisia ne olivat kauan sitten kun nyt meille saapuva valo lähti niistä: galaksien jakauma on kolmiulotteinen kuva maailmankaikkeuden historiasta. Galaksien paikkoja ja nopeuksia mittaamalla voidaan tutkia alkujakauman lisäksi sitä, millainen gravitaatiolaki maailmankaikkeudessa todella vallitsee ja miten maailmankaikkeus laajenee. Esimerkiksi kiihtyvä laajeneminen estää rakenteiden muodostumista: jos kiihtyminen jatkuu, rakenteet jäätyvät paikoilleen eikä superryppäitä isompia rakenteita koskaan muodostu.

Taivaalla tuikkivat valot ovat asia, joka monelle tulee ensimmäisenä mieleen maailmankaikkeudesta puhuessa, mutta Andromedan galaksia lukuunottamatta kaikki paljain silmin näkemämme on Galaksin tienoilla, kosmologisesti katsottuna kotipihassa. Kaukaisemmat galaksit ovat himmeitä ja suuri osa niiden valosta on infrapuna-aallonpituuksilla, joita ihmissilmä ei näe. Euclid on avaruusteleskooppi, joka täyttää taivaankuvamme näkemättömillä kohteilla: se mittaa puolen taivaan galaksien sijainnin miljardien valovuosien päähän. Luetteloiduksi tulee yli miljardi galaksia, ja kymmenistä miljoonista otetaan yksityiskohtaiset tiedot. Muina kohteina on ainakin galaksiryppäitä, kvasaareja ja eksoplaneettoja. Galaksien jakaumaa on mitattu useaan otteeseen, mutta ei koskaan näin tarkasti ja laajalti: Euclid on tämän hetken merkittävin eurooppalainen kosmologian havaintohanke. Edellinen oli ESAn Planck-satelliitti, joka on puolestaan tehnyt tarkimmat mittaukset mikroaaltotaustasta.

ESA valitsi Euclidin toteutettavaksi neljäs päivä lokakuuta 2011, sattumoisin samana päivänä kun supernovista annettiin Nobelin palkinto. Suomella ja Helsingin yliopiston fysiikan laitoksella on Planck-projektista hyvä maine, ja Suomi liittyi Euclidiin vuoden 2011 alkupuolella. Suomen osuudessa Helsingin yliopiston fysiikan laitoksella on johtava rooli, ja mukana ovat Turun yliopiston Tuorlan observatorio ja Jyväskylän yliopiston fysiikan laitos.

Jos kaikki tapahtuu ajallaan (mikä lienee isoissa projekteissa poikkeuksellista), satelliitti laukaistaan seitsemän vuoden kuluttua ja se tekee mittauksia kuusi vuotta, vuoteen 2025 asti. Nyt kun vihreä valo on saatu, projekti on lähdössä tosissaan käyntiin. Mukana on noin 800 tutkijaa, varmaan suurin osa Euroopan kosmologeista on mukana (Yhdysvaltojen avaruusjärjestö NASA vetäytyi pois rahoitusongelmien takia).

En ole aiemmin ollut tällaisessa hankkeessa, ja on kiintoisaa miten asioiden suunnittelu on alkuvaiheessa yhtä aikaa yksityiskohtaista ja epämääräistä. Esimerkiksi projektiin osallistuvien henkilöiden tarkasta panoksesta ja työn jakaumasta on todellisuudessa vain summittaisia arvioita, mutta niiden perusteella projektiin käytettävät henkilötyövuodet on jo eritelty näennäisen tarkasti aina vuoteen 2025 asti. Euclidin organisaatio perustuu enimmäkseen vapaaehtoisuuteen jota motivoi se, että ne jotka tekevät enemmän töitä, saavat kunniasta (ja julkaisuista) isomman siivun. Toisinaan kysytään, kuinka paljon halu saada rahoitusta vääristää tutkimusta, mutta fyysikot eivät havittele rahaa vaan tunnustusta.

Minulle oli annettu viime viikonlopun Nuorten filosofiatapahtumaan ylläoleva otsikko ja pyydetty alustamaan “siitä millaista kauneutta on havaittavissa siinä, että maailmankaikkeudessa kaikki toimii, kuten toimii ja että niin monimutkaiset asiat voivat olla ennustettavissa niin tarkasti”. Haastajina toimivat Santeri Laurila ja Jesse Örö, ja yleisölläkin oli aiheesta kiinnostavia kysymyksiä. Alustus oli jokseenkin seuraavanlainen; osa sen aiheista on esiintynyt täällä blogissa.

Tässä jokunen sana fysiikasta, järjestyksestä ja niiden suhteesta kauneuteen; nämä ovat tällaisia fyysikon kotikutoisia mietteitä.

Ihmisellä on jo syntyessään käsityksiä maailmasta. Kohdun kokemusten lisäksi meillä on geeneissä olevaa, evoluution myötä kertynyttä tietoa. Esimerkiksi ihminen tunnistaa heti synnyttyään rinnan ja osaa imeä sitä. Tämä on esimerkki siitä, kuinka evoluution myötä valikoituvat sellaiset käsitykset, jotka auttavat henkiinjäämistä, tai yleisemmin maailmassa toimimista. Konkreettisten asioiden kuten hahmontunnistuksen ja yksinkertaisten toimintatapojen taustalla on perustavanlaatuisia oletuksia maailmasta.

Arkisen käsityksen mukaan on olemassa minä, itsenäinen ja vapaa toimija, sekä ulkoinen maailma, joka on meistä riippumaton. Philip K. Dickin sanoin “todellisuus on se, mikä ei katoa kun siihen lakkaa uskomasta”. Tämä ulkoinen maailma on pysyvä ja ennustettava: pystymme tekemään päätelmiä tulevaisuudesta menneisyyden perusteella. Asiat eivät tapahtu sattumanvaraisesti, vaan muutoksiin on syy, ja samanlainen syy johtaa yleensä samanlaiseen seuraukseen. Puhe syistä ja seurauksista, tai yleensä tapahtumisesta, edellyttää sitä, että meillä on käsitys ajan ja avaruuden olemassaolosta ja luonteesta. Aika ja avaruus ovat niin oleellinen osa ajatteluamme ja siten kieltämme, että on vaikea kuvitella, millaista olisi ilman niitä; tulee kovin orpo olo.

Havaintomme ovat moninaisia, muuttuvia ja sekavia. Käsityksen ulkoisesta maailmasta voi nähdä tapana tiivistää näitä havaintoja. Ulkoinen maailma on malli havainnoille, toisin sanoen rakenne, joka selittää menneitä havaintoja ja tekee ennusteita tulevista. Esimerkiksi mallimme mukaan on olemassa sellaisia esineitä kuin tuoleja riippumatta meistä. Malli ennustaa, miten näköhavaintomme muuttuvat kun liikumme tuolin suhteen, mitä tunnemme tuolia koskettaessamme, miltä näyttää jos tuolia hajottaa pienempiin osiin ja niin edespäin.

Tässä mielessä koko ajattelumme perustuu malliin maailmasta: käsitys ulkoisesta todellisuudesta ja ajasta ja avaruudesta ei ole päättelyn tulos, vaan päättelyn edellytys. Mallia voi kuitenkin verrata havaintoihin ja muuttaa niiden perusteella. Fysiikka, näin ymmärrettynä, on tapa tarkentaa, tarkistaa ja laajentaa havaintomalleja. Fysiikassa on siis kyse informaation tiivistämisestä, asioiden ymmärtämisestä yhä yksinkertaisempien käsitteiden avulla. Toisaalta tavoitteena on ymmärtää, miten yksinkertaisista lähtökohdista seuraa monimutkaisia asioita.

Fysiikka ja arkiajattelu eivät ole täysin samanlaisia. Niiden eroa voi hahmottaa käsitteillä malli ja teoria, vaikka jaottelu näiden kahden välillä onkin liukuva, ja fyysikot itse usein sekoittavat mallin ja teorian. Malli kertoo tiiviissä muodossa, millainen maailma on, millaista järjestystä havainnoissa on. Teoria kertoo lisäksi miksi näin on, mitkä ovat syyt järjestyksen takana.

Esimerkiksi ensimmäisen Keplerin lain mukaan planeettojen radat ovat ellipsejä. Kyseinen malli tiivistää informaatiota tehokkaasti. Radan kaikkien pisteiden sijaan tarvitsee tietää vain muutama asia: kahden akselin pituus, radan keskipiste ja ellipsin asento meihin nähden. Mallilla on suuri ennustusvoima: muutaman havainnon perusteella se ennustaa planeetan kaikki tulevat sijainnit. Keplerin ensimmäinen laki ei kuitenkaan selitä sitä, miksi radat ovat ellipsejä, eikä siitä voi johtaa mitään muita seikkoja. Newtonin gravitaatioteoria sen sijaan kertoo mistä tämä säännöllisyys johtuu, ja siitä voi ennustaa myös komeettojen radat, omenoiden putoamisnopeuden ja monia muita planeettojen ratoihin liittymättömiä asioita. Teoria ei kuvaa vain yhtä asiaa, vaan kytkeytyy laajemmalle.

Toinen asia, joka erottaa fysiikan arkisesta päättelystä on tässä mukaan otettu matematiikan käyttö. Matematiikka on tapa ilmaista loogisia suhteita asioiden välillä, joten asioiden tiivistäminen täsmällisesti, eli informaatiota menettämättä, on matematiikkaa. Matemaattisten rakenteiden kauneus liittyy suhteiden esittämiseen yksinkertaisimmalla ja selkeimmällä tavalla. (Matematiikan kauneus ei varmaankaan pelkisty tähän, ja matemaatikoilla lienee aiheesta paljonkin sanottavaa.)

Fysiikan teorian kauneus ei siis liity ensisijaisesti sen kuvaamiin havaintoihin. Molekyylien lait eivät ole kauniita siksi, että lumihiutaleet ovat symmetrisiä, eikä ydinfysiikan estetiikka aiheudu siitä, että auringonvalo on miellyttävää. Niinpä fysiikassa teorian rakenne tuntuu ensisijaiselta, ja havaintojen voi ajatella vain vahvistavan teorian tai antavan osviittaa siitä, miten teoriaa pitäisi parantaa. Joskus sanotaan, että fysiikan tavoitteena on ennustaa havaintoja. Fyysikoiden näkökulmasta kuitenkin havainnot toimivat apuvälineenä todellisuuden syvempään ymmärtämiseen, ja tuo ymmärrys tiivistyy teorian matemaattiseen rakenteeseen.

Lienee syytä korostaa, että ennustaminen ja ymmärtäminen ovat eri asioita. Jos meillä olisi laatikko (sanotaan vaikka väriltään musta) joka vastaisi aina oikein kaikkiin tulevaisuutta koskeviin kysymyksiin, kyseessä ei olisi fysiikan teoria, koska se ei antaisi ymmärrystä siitä, miksi asiat kehittyvät niin kuin ne tekevät, miten tuntemamme alkutila liittyy johonkin myöhempään tilaan. Fysiikka ei ole laskukone.

Ilman teoreettista ymmärrystä myös kyky esittää mielekkäitä kysymyksiä on rajoittunut. Ennustaminen tarkoittaa sitä, että osataan sanoa, millainen lopputila tietystä alkutilasta seuraa. Mutta tämä edellyttää käsitystä siitä, miten alkutilaa ja lopputilaa kuvataan, eli mitkä ovat ne asiat, joiden avulla havaintoja järjestetään. Arkikäsitteiden perusteella osaamme kysyä, mitä tuolille tapahtuu. Mutta kun katsotaan asiaa lähemmin ja halutaan tietää mitä tuolin osasille käy, pitää olla joku tapa puhua puun kuolleista soluista, ja vieläkin tarkemmin molekyyleistä ja atomeista ja sitten olemmekin jo kaukana arkisen ajattelun ulkopuolella.

Kvanttimekaniikka ja suhteellisuusteoria ovat paljastaneet, että arkikäsityksemme siitä millaisia esineet ovat ja millaisia aika ja avaruus ovat ja miten nämä ovat suhteessa toisiinsa on perustavanlaatuisesti virheellinen. Tarkemmin sanoen, arkimallimme pätevyysalue on hyvin rajoittunut. Käsitys maailmasta, joka on pysyvä, deterministinen ja on määrätyssä tilassa on approksimaatio. Vain havaintojen tarkka järjestäminen on voinut kertoa tismalleen millä tapaa se ei ole totta, ja mikä sitten on totta. (Arkikäsitys minuudesta ja toimijuudesta on sekin virheellinen, mutta se on toinen tarina.)

Arkikäsityksemme on kehittynyt kuvaamaan niitä tapahtumia, jotka ovat oleellisia meidän toimintamme kannalta, mikä rajoittaa ne kapeaan siivuun olosuhteita: pituusskaalaan joka ei ole liian iso eikä liian pieni, pieniin nopeuksiin, heikkoihin gravitaatiokenttiin ja niin edelleen. Arkiajattelun käsitteet eivät pysty kuvaamaan havaintojen niitä piirteitä, jotka ovat merkittäviä vain näiden olosuhteiden ulkopuolella. Tätä vierasta aluetta voi lähestyä vain matematiikan kautta. Niinpä kauneuskäsitys, jolla arvioidaan matemaattisia rakenteita on tärkeä opas fysiikassa. Kauneus ei siis fysiikassa ole vain jotain, mitä ihaillaan lopputuloksessa, jo valmiissa teoriassa, joka rakennettaisiin yksikäsitteisesti havaintojen pohjalta. Teorioiden muodostaminen on sotkuista puuhaa, ja asioiden oikeiden suhteiden selvittämisessä matematiikan kauneus on tapa kurottaa arkiajattelun tuolle puolen.

Taiteeseen ja matematiikkaan verrattuna on sellainen ero, että fysiikassa ei ole ainoastaan kauniita ja rumia rakenteita, vaan myös oikeita ja vääriä rakenteita. Fysiikassa estetiikan tajun tuleekin olla kouliutunut matemaattisen ymmärryksen ja havaintojen hahmottamisen kautta. Totuus ja kauneus kietoutuvat toisiinsa ainutlaatuisella tavalla: samalla kun etsitään esteettiset vaatimukset täyttävää totuutta, muokataan käsitystä siitä, mikä on esteettistä. Kauneus voi johtaa harhaan: saattaa olla houkuttelevaa seurata jotakin tiettyä esteettistä käsitystä pitkälle, tehdä kauaskantoisia johtopäätöksiä tarkistamatta noudattavatko havainnot todella tätä estetiikkaa.

Matematiikan keskeinen osa havaintojen kuvailussa johdattelee kysymykseen siitä, onko todellisuuden rakenne pohjimmiltaan matemaattinen vai onko matematiikka vain väline havaintojen kuvailemiseen. Onko matematiikka olemassa erillään todellisuudesta? Tekisi mieli esimerkiksi kysyä, oliko matematiikkaa olemassa ennen alkuräjähdystä, mutta ilmaisu ei tarkoita mitään, sen enempää kuin “maailmankaikkeuden ulkopuolella”. Mutta jos aika ja avaruus joskus loppuvat, onko matematiikkaa silti olemassa? Tarjoaako matematiikka esimerkin olemassaolosta ilman aikaa ja paikkaa? Mitä tarkoittaa olemassaolo ilman maailmankaikkeutta? On vaikea muotoilla tällaisia ajatuksia. Saavutaan abstraktion huipuille, joilla ilma on ohutta ja on vaikea hengittää ja puhua, joten lopetan tähän.

Kuten edellisen merkinnän kommenteissa mainostettiin, olen alustajana tämän viikon lauantaina 14.1. Nuorten filosofiatapahtuma Nufitissa. Alustaja pitää 15 minuutin puheenvuoron, jonka jälkeen kaksi haastajaa kommentoi sitä ja keskustelu avataan sitten yleisölle. Tämän vuoden teemana on kauneus. Otsikokseni annettiin “Kaikki järjestyksessä”, ja puhun kauneuden roolista fysiikan tavassa jäsentää maailmaa. Keskustelu on kellonaikaan 11.35-13.00 Karl Lindahl -salissa. Muukin ohjelma on kiintoisaa; teoreettisen filosofian professori Matti Sintosen aihe “Totuus ja kauneus” vaikuttaa erityisen läheiseltä.

Nufit tapahtuu Helsingin Paasitornissa perjantaina 13. ja lauantaina 14. päivä. Liput maksavat 10/5 euroa.

Radio Rockin Heikelä Korporaatio haastatteli minua Higgs-tuloksista viime viikolla (haastattelu alkaa kohdasta 14.57 ja on seitsenminuuttinen). En ole aamuisin kirkkaimmillani, joten en mene takuuseen selitysten valistavuudesta.

Radio Rock teki marraskuun lopussa puolituntisen haastattelun, jossa toimittajat kysyivät muun muassa alkuräjähdyksestä, aikamatkailusta ja vapaasta tahdosta. Haastattelu löytyy kotisivultani. Siellä on myös linkit videonauhoituksiin tämän syksyn Studia Generaliasta, missä puhuin pimeästä aineesta, ja Voxista, missä puhuin fysiikan tekemisestä, sekä taustoja omasta tutkimuksestani, mm. linkit Scientific Americanin ja New Scientistin artikkeleihin.

Eilen kirjoitin ensimmäisestä maan päällä tehdystä havainnosta, joka kurkottaa hiukkasfysiikan Standardimallin tuolle puolen, tänään on vuorossa Standardimallin viimeinen pala, Higgsin hiukkanen.

CERNin LHC-koe on toiminut koko vuoden intensiivisesti. Kiihdyttimessä on yksi hiukkassuihku, mutta se menee neljän eri havaintoaseman läpi. Näistä ALICE ja LHCb ovat erikoistuneita havaintolaitteita, kun taas toiset kaksi, ATLAS ja CMS, tekevät laajempia mittauksia, ja etsivät muiden muassa Higgsin hiukkasta. Taustoja tarjoaa vaikkapa Higgsin metsästäjä. Tänään ATLAS ja CMS pitivät tieteellisen seminaarin siitä mitä Higgsin hiukkasesta on saatu selville sitten viime kesän.

Laitteet ovat toimineet erinomaisesti ja keränneet noin viisinkertaisen määrän dataa alkuvuoteen verrattuna, noin sata kertaa enemmän kuin vuonna 2010. Nyt dataa on niin paljon, että on jo kiinnostavaa sanottavaakin. Yhdysvalloissa toiminut Tevatron-kiihdytin kilpaili vielä viime vuonna LHC:n kanssa monien vuosien etumatkan turvin, mutta nyt sen voi unohtaa: Tevatron suljettiinkin lopullisesti syyskuun lopussa.

ATLAS ja CMS ovat tehneet paljon työtä analyysin eteen. Higgsiä koskevan datan kerääminen lopetettiin tältä vuodelta vasta kuusi viikkoa sitten, mutta kahden havaintoaseman valtava datamäärä on jo nyt analysoitu. Tämänpäiväinen seminaari oli suunnattu fyysikoille, mutta alan ulkopuolinenkin pystyy näkemään, miten monia yksityiskohtia pitää ottaa huomioon ja kuinka huolellisesti asioita syynätään. (Seminaari lienee pian näkyvissä täällä.) On myös huomattavaa, miten kriittisiä kollegoiden kysymykset ovat: tulosten kanssa saa olla tarkkana, jos haluaa saada ne yleisesti hyväksyttyä. (Ilmeisesti tilaisuutta seuraavat toimittajat oli laitettu eri saliin, jotta voitaisiin keskittyä asiaan.)

ATLAS ja CMS lähestyvät data-analyysiä kahdella tavalla. Ensinnäkin, jos Higgsin hiukkasta ei ole olemassa, niin kokeissa ei pitäisi löytyä mitään siihen viittaavaa. Voidaan siis katsoa, kuinka yhteensopiva data on sen hypoteesin kanssa, että Higgsiä ei ole. Toisaalta, jos Higgs on olemassa, niin kokeissa pitäisi näkyä hiukkanen, jolla on juuri oikeat ominaisuudet: Standardimalli ennustaa kaikki yksityiskohdat paitsi Higgsin massan.

Ensimmäinen tehtävä on helpompi: katsotaan vain, että kokeissa ei näy mitään ylimääräistä. ATLAS ja CMS voivat nyt sulkea pois Higgsin hiukkasen suurimmalta osalta massan arvoja. Pienillä massan arvoilla tämä ei kuitenkaan onnistu: havainnoissa näkyy jotain, eikä ole mahdollista sanoa, etteikö kyseessä olisi uusi hiukkanen.

Onkin sitten vaikeampi kysymys, vastaavatko ylimääräiset signaalit Higgsin hiukkasta. Jos hiukkastörmäyksessä syntyy Higgsin hiukkanen, se hajoaa ennen ehtimistään havaintolaitteiden detektoreihin, joten ainoastaan hiukkasen hajoamistuotteet on mahdollista nähdä. Higgs voi hajota useilla eri tavoilla, esimerkiksi kahdeksi fotoniksi tai sitten elektroni-positronipariksi yhdessä neutriino-antineutriinoparin kanssa. Näitä eri vaihtoehtoja kutsutaan hajoamiskanaviksi. Standardimalli ennustaa tarkalleen, mitä eri kanavilla pitäisi näkyä. Kaikkien kanavien signaalien pitää olla sopusoinnussa, ennen kuin hiukkanen voidaan sanoa tunnistetuksi. Lisäksi ATLAS- ja CMS-kokeet tekevät mittauksensa ja analysoivat havaintonsa toisistaan riippumattomasti. Ryhmien välinen kilpailu kannustaa suhtautumaan epäilevästi toisten tuloksiin ja valmistamaan omansa huolella.

Sekä ATLAS että CMS näkevät eri hajoamiskanavilla signaaleja, jotka ovat yhteensopivia Higgsin hiukkasen kanssa. Toistaiseksi yksittäisten kanavien havainnot eivät ole kovin merkittäviä, mutta kun ne yhdistetään, niin todennäköisyys sille, että kyseessä ei ole Higgsin hiukkanen on ATLAS-kokeen havainnoille suunnilleen 1:3000 ja CMS-kokeen havainnoille 1:100. Kokeiden saamat massojen arvot ovat yhteensopivia. On kenties hieman huolestuttavaa, että Standardimallin Higgsiltä ei olisi odottanut näin merkittävää signaalia nyt kerätyllä datamäärällä, mutta ehkä meillä on ollut tuuria.

Tilannetta hieman monimutkaistaa se, että jos katsoo suurta määrää satunnaisia heilahteluita, niin jostain taatusti löytää sen, mitä odottaa. Jos otetaan huomioon se, että jossain muualla datan seassa olisi voinut olla hiukkaselta näyttäviä signaaleja sattumalta ja olisimme ilahtuneet niistä yhtä paljon, todennäköisyydet tippuvat arvoihin 1:50 ja 1:20. Toisaalta, jos kyseessä on Higgsin hiukkanen, se on suunnilleen siellä missä on odotettukin, joten ehkäpä nämä ovat liian varovaisia arvioita.

Higgsiä on etsitty pitkään, ja nyt on kenties saatu ensimmäinen vihi sen lymypaikasta. Vaihtelevia arvioita havaintojen merkityksestä voi lukea kollegoiltani: Today’s Higgs Results, Visual on Higgs, it seems…, Firm Evidence Of A Higgs Boson At Last! ja Higgs Update Today: Inconclusive, As Expected.

CERNin virallinen kanta on, että tulokset ovat “fantastisia ja alustavia” ja että Higgsiä ei ole vielä löydetty eikä osoitettu olemattomaksi. Tänä vuonna kerätyn datan analyysi ei ole täysin valmis, mutta katseet suuntautuvat jo ensi vuoteen. Jos kyseessä todella on Higgs, niin vuonna 2012 siitä saadaan vakuuttavia ja riippumattomia todisteita yksittäisillä hajoamiskanavilla, ei vain niiden yhdistelmällä: sitten asiaa ei tarvitse epäillä. Jos Higgsiä ei olekaan olemassa, niin senkin saamme ensi vuonna selville. Kuten eräs teoreetikko seminaarissa sanoi: “Kiitos tästä joululahjasta, toivottavasti ette ota sitä pois.”

Päivitys (22/12/11): Minua haastateltiin aiheesta Radio Rockin Heikelä Korporaatiossa. (Seitsemän minuutin haastattelu alkaa kohdasta 14.57.)

Kirjoitin edellä siitä, että neutriinot eivät selittäneet taivaalla havaittua pimeää ainetta kuten oli toivottu. Ne ovat kuitenkin tarjonneet ensimmäisen maanpäällisen havainnon ilmiöistä hiukkasfysiikan Standardimallin tuolta puolen, nimittäin neutriino-oskillaatiot ja niihin liittyvät neutriinojen massat.

Standardimallia 1960-70-luvulla kasattaessa neutriinoiden massoista ei ollut vielä mitään havaintoa, eikä teorian rakenne vaadi massoja. Niinpä yksinkertaisuuden vuoksi neutriinot jätettiin massattomiksi. Havainnot kuitenkin vaativat ne takaisin. Eräs tärkeä vihje saatiin Auringosta, jonka luotaamisessa neutriinot ovat tärkeitä. Auringon sisustaan ei voi nähdä valon avulla, koska Aurinko ei koostu atomeista, vaan plasmasta, eli aineesta, jossa on irrallisia sähkövarauksia. Valo siis poukkoilee elektroneista ja atomiytimista ympäriinsä, eikä pääse liikkumaan suoraan. (Sama tilanne oli nuoressa maailmankaikkeudessa ennen atomien muodostumista ja kosmisen mikroaaltotaustan syntyä.) Koska neutriinoilla ei ole sähkövarausta, niitä tällainen ei häiritse, ja ne kiitävät Auringon läpi ongelmitta. Neutriinot ovat siis viestinviejiä, jotka kertovat mitä Auringossa tapahtuu.

Aurinkoa kuvaavien mallien puitteissa voidaan laskea, paljonko elektronin neutriinoja Auringon ydinreaktioissa syntyy. Jo 1970-luvulla oli todisteita siitä, että Maahan tulee vain kolmasosa odotetusta lukumäärästä. Pitkään epäiltiin, että ongelmana olisi Auringon ytimen mallintaminen, ja vasta 1998 saatiin varmistettua, että kaksi kolmesta elektronin neutriinosta todella katoaa matkalla. Selitys on se, että kolmannes elektronin neutriinoista muuttuu myonin neutriinoiksi ja kolmannes taun neutriinoiksi. Tällaista neutriinojen muuttumista toisikseen kutsutaan neutriino-oskillaatioksi. Sittemmin oskillaatioita on mitattu monissa kokeissa, kuten hiljattain kuuluisuuteen nousseessa OPERAssa.

Neutriinoja voi luokitella kahdella tapaa. Ensinnäkin sen mukaan, miten ne vuorovaikuttavat: elektronin neutriino vuorovaikuttaa elektronin kanssa, myonin neutriino vuorovaikuttaa myonin kanssa ja taun neutriinon kohdalla arvaattekin jo. Näitä sanotaan neutriinojen vuorovaikutustiloiksi. Toisaalta neutriinoja voi luokitella sen mukaan, mikä massa niillä on: kevyin, raskain ja siltä väliltä. Nämä tunnetaan neutriinojen massatiloina. Nämä kaksi luokittelutapaa eivät ole yhtäpitäviä: elektronin neutriino ei ole mikään massatiloista, sillä ei ole mitään määrättyä massaa. Neutriino-oskillaatiot liittyvät tähän ilmiöön, joka juontaa juurensa siihen, että kvanttimekaniikan mukaan todellisuus on epämääräinen.

Kun mitataan elektronin neutriinon massaa, ei ole määrättyä, mikä arvo jää haaviin. On vain todennäköisyys sille, että saadaan joku kolmesta mahdollisesta tuloksesta. Myonin ja taun neutriinon kohdalla on samoin, niidenkin massoja mitattaessa saadaan joku noista kolmesta tuloksesta, eri todennäköisyyksillä kuin elektronin neutriinon tapauksessa.

Kun tietyn elektronin neutriinon massa on kerran mitattu –sanotaan vaikka että saadaan pienin kolmeasta vaihtoehdosta– niin sittenpä se tiedetään. Jos massa mitataan uudelleen, saadaan sama tulos. Mutta jos selvitetään, miten tämä neutriino vuorovaikuttaa elektronin tai myonin tai taun kanssa, niin huomataan, että sepä ei enää olekaan varmasti elektronin neutriino, vaan voidaankin saada myonin tai taun neutriino, tietyllä todennäköisyydellä. Hiukkasen henkilöllisyys ei ole enää “elektronin neutriino”, vaan “kevyin neutriino”.

Neutriinolaatuja ei voi käsitellä yksinään, pitää tarkastella kolmen neutriinon muodostamaa kokonaisuutta. Tietty vuorovaikutustila on sekoitus massatiloja, ja tietty massatila on sekoitus vuorovaikutustiloja. Hiukkasta voi kuvata täydellisesti joko kertomalla, millä todennäköisyydellä saadaan tietty vuorovaikutustila kun tehdään mittaus, tai millä todennäköisyydellä saadaan tietty massa kun mitataan. Se, mitä kutsumme “elektronin neutriinoksi” on erityistapaus, jossa todennäköisyys myonin ja taun neutriinolle sattuu olemaan nolla.

Tällainen sekoittuminen on mahdollista vain kun neutriinojen massat ovat nollasta eroavia, joten neutriino-oskillaatiot ovat osoitus fysiikasta Standardimallin tuolta puolen. Vaikka tästä myönnettiinkin osa fysiikan Nobelin palkintoa vuonna 2002, löytöä ei kuitenkaan pidetä kovin ihmeellisenä, koska neutriinoiden massat olisi voinut laittaa Standardimalliin alun perinkin. Joskus neutriinojen massat katsotaankin vaivihkaa osaksi Standardimallia, kuin kyseessä olisi päivitys.

Standardimalli ei kuitenkaan ennusta, mitkä neutriinojen massojen pitäisi olla, eli mitkä niihin liittyvät oskillaatiotodennäköisyydet ovat. Neutriinot ovat ainoa stabiili Standardimallin hiukkanen, joka tuntee vain heikon vuorovaikutuksen, mikä avaa uusia mahdollisuuksia massojen kehittämiselle. Se, että neutriinojen massat ovat paljon pienempiä kuin muiden Standardimallin hiukkasten vihjaakin siihen, että neutriinojen –toisin kuin muiden tunnettujen hiukkasten– massojen alkuperä ei kenties olekaan Higgsin kenttä. On kehitetty useita neutriinojen massoja selittäviä malleja, ja joissakin niistä neutriinojen oskillaatiot liittyvät siihen, miksi maailmankaikkeudessa on enemmän ainetta kuin antiainetta. Mutta se onkin jo toinen tarina.

Tampereen pääkirjastossa on Nobel-iltapäivä ensi lauantaina, jolloin palkinnot jaetaan Tukholmassa. Minä puhun fysiikan palkinnosta otsikolla “Maailmankaikkeuden suurin mysteeri”, Katariina Pussi puhuu kemian palkinnosta otsikon “Kvasikiteiden kielletty kauneus” alla ja Mikko Hurme käsittelee lääketieteen palkintoa aiheenaan “Immuunipuolustuksen tiedustelijat ja tulenjohtajat”.

Tilaisuus on pääkirjasto Metsossa kello 12-15, ja siihen on vapaa ja ilmainen pääsy.

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.

Olin viime viikolla Pavian yliopistossa osallistumassa ensimmäisen graduopiskelijani valmistumisen muodollisuuksiin ja juhlistamiseen, ja vierailin muutenkin paikallisella fysiikan laitoksella.

Fysiikan tekeminen on jokseenkin samanlaista kaikkialla, mutta akateemisissa rituaaleissa on eroja. Suomessa graduun ei liity seremoniaa, missä työtä puolustettaisiin, ja arvosanasta päättää virallisesti tiedekuntaneuvosto, jonka jäseniä ei koskaan tapaa. Paviassa gradusta pidetään esitys jota tutut ja sukulaiset seuraavat, kuten Suomessa väitöskirjan kohdalla. Virallinen yleisö on kuitenkin oman laitoksen johto (ja mahdolliset muut arvioijat, kuten tässä tapauksessa minä), joka antaa arvosanan tutkinnosta saman tien. Paviassa on monimutkainen pisteidenlaskujärjestelmä, jonka perusteella arvosana on tarkoitus määrittää, mutta minulle tuli sellainen vaikutelma, että asiasta oli päätetty etukäteen ja pisteitä annettiin eri osa-alueista sen verran kuin arvosanaan tarvittiin.

Hiukkaskosmologian gradut ovat yleensä katsauksia johonkin aiheeseen, vain harvoin graduvaiheessa on mahdollista tehdä mitään omaa. Graduopintojen päämäärä on oppia lukemaan ja kirjoittamaan. Kun pystyy käymään läpi oman alansa tutkimusta, ymmärtämään mitä siinä tehdään, toistamaan saman itse ja kokoamaan tutkimuksen osia järkeväksi kokonaisuudeksi, voikin siirtyä tekemään tutkimusta itse väitöskirjaopiskelijana. Akateemisen maailman kannalta gradujen arvo on siis vähäinen. Jotkut niistä ovat kelpo lähteitä, varsinkin jos aihe on vieras, koska graduissa on toisinaan kirjoitettu asioita enemmän auki kuin edistyneemmissä teksteissä.

Opiskelijalle gradu taasen on vuosien opintojen huipentuma ja joskus pitkän kamppailun lopullinen voitto. Niille jotka eivät jatka opintojaan, eli suurimmalle osalle opiskelijoista, gradu on myös akateemisen matkan päätepiste, joka lopettaa tärkeän jakson elämässä. Olisi hauskaa, jos tämä siirtymä olisi seremoniallisempi, vaikka juhlistuksen ei soisikaan kasvattavan gradujen korkeaa arvostusta.

Tämän vuoden Nobel-palkintoa käsittelevän merkinnän kommenteissa kysyttiin Casimir-ilmiöstä, jota joskus esitetään todisteeksi tyhjön energian olemassaolosta. Asia on aiemmin tullut esille virtuaalisista hiukkasista kirjoittaessani, joten solmin tuon langan pään.

Casimir-ilmiö on yksinkertainen: kun laitetaan kaksi sähköä johtavaa tasaista levyä lähekkäin, ne vetävät toisiaan puoleensa tietyllä voimalla, joka näyttää riippuvan vain levyjen etäisyydestä, ei niiden muista ominaisuuksista. (Tässä oletetaan, että kummankin levyn sähkövaraus on nolla.)

Se, että Casimir-voima ei riipu levyjen yksityiskohdista johdattelee ajattelemaan, että se on levyjen välissä olevan tyhjän tilan ominaisuus. Voiman suuruuden voikin johtaa seuraavasti. Lasketaan ensin, mikä energia kaikkien virtuaalisten hiukkasten pulppuamiseen tyhjässä tilassa liittyy. Sitten katsotaan millaisia virtuaalisia hiukkasia levyjen väliin mahtuu, ja lasketaan niistä sinne kertyvä energia. Nämä energiat ovat erilaisia ja tämä saa aikaan voiman, joka vetää levyjä yhteen. (Lasku ei itseasiassa kerro, mikä kumpikaan noista energioista on, mutta erotuksen se antaa kiltisti.) Asian voi tulkita siten, että levyjen väliin ei mahdu liian ison aallonpituuden omaavia hiukkasaaltoja, ja niiden puute työntää levyjä toisiaan kohti.

Tämän tulkinnan takia Casimir-ilmiö usein esitetään todisteena tyhjön energian olemassaolosta, tunnettujenkin fyysikoiden taholta. Mutta Casimir-voiman voi ymmärtää paljon arkisemmin, puhumatta tyhjöstä mitään. Vaikka levyt ovat sähköisesti neutraaleja, niissä kuitenkin on positiivisia ja negatiivisia sähkövarauksia, joista osa pystyy liikkumaan ympäriinsä — muutenhan levyt eivät johtaisi sähköä. Koska sähkövaraukset eivät ole jakautuneet täysin tasaisesti, levyjen välille syntyy pieni voima. Se, että voima ei riipu levyjen ominaisuuksista on vain suunnilleen totta: kun Casimir-ilmiötä mitataan tarkasti, pitää ottaa huomioon esimerkiksi se, että oikeat levyt eivät johda sähköä täydellisesti (eli käsitellä sähkövarausten todellista jakaumaa levyssä), vaikka ensi arviolta siitä ei tarvitsekaan välittää.

Casimir-ilmiön ymmärtäminen tällä tavoin on käsitteellisesti yksinkertaisempaa kuin tyhjön energian avulla, mutta yksityiskohtaiseen laskemiseen tyhjön energia tarjoaa nopeamman reitin. Tämän takia siihen liittyvä tulkinta lienee saanut niin suuren jalansijan. Tekipä laskun miten päin vain, pitää sähkömagneettista voimaa käsitellä kvanttikenttäteorian keinoin: ilman kvanttimekaniikkaa ja suppeaa suhteellisuusteoriaa ei ole Casimirin ilmiötä. Sen laskemisessa käytetään virtuaalisia hiukkasia, pieniä värähtelyjä tyhjän tilan ympärillä.

Jos Casimirin ilmiö tulkitaan todisteeksi tyhjön energiasta, niin samaan sitten kelpaa mikä tahansa kvanttikenttäteorian ilmiö, jota käsitellään virtuaalisten hiukkasten avulla — eli siis melkein kaikki mitä kvanttikenttäteoriassa on! Harva fyysikko hyväksyy moisen. Olikin hieman yllättävää, että Ruotsin kuninkaallinen tiedeakatemia kirjoitti Nobel-palkinnon taustamateriaalissa että tyhjön energia on havaittu sen perusteella että vetyatomin energiatasoissa on kvanttikenttäteoreettisia korjauksia.

Tämä on harhaanjohtavaa siksi, että näissä kvanttikenttäteorian laskuissa on kyse värähtelyistä tyhjön päällä. Se tyhjön energia, joka saattaa selittää ne havainnot, joista Nobel-palkinto myönnettiin, on kuitenkin tuo pohjalla oleva tasainen jakauma, joka ei värähtele eikä tee mitään muutakaan. Kvanttikenttäteoriassa, aivan niin kuin klassisessa mekaniikassa, voi mitata vain energioiden erotuksia. Voidaan sanoa, että jos systeemin haluaa siirtää tästä tilasta tuohon, niin siihen tarvitsee lisätä noin paljon energiaa. Kysymys siitä, paljonko energiaa systeemillä on kaikkiaan, tulee esille vain yleisessä suhteellisuusteoriassa. Sen mukaan gravitaatio on tinkimätön kirjanpitäjä, joka mittaa kaiken energiasisällön: mitä enemmän energiaa, sitä voimakkaammin avaruus kaareutuu.

Onkin eriskummallista, että tyhjön energia tuntuu kvanttikenttäteorian luonnolliselta ennusteelta, mutta sen mittaamiseen tarvitaan yleistä suhteellisuusteoriaa. Tämän takia tyhjön energia saattaa raottaa ovea kvanttigravitaatioon ja sen ymmärtäminen on yksi hiukkasfysiikan suurimpia ongelmia. Aiheen nouseminen myös kosmologian keskeiseksi aiheeksi ei ole varsinaisesti vähentänyt mielenkiintoa.

Mainittakoon, että puhun maanantaina 31.10. kello 18 Arkadia-kirjakaupassa tämän vuoden Nobel-palkintoon liittyvästä fysiikasta, muun muassa tyhjön energiasta. Esitys on englanninkielinen.