Kaikilla sähkövarauksen omaavilla hiukkasilla on antihiukkanen, jolla on vastakkainen varaus, mutta joka on muuten samanlainen. Esimerkiksi negatiivisesti varattua elektronia vastaa positiivisesti varattu positroni. Sama pätee muihinkin vuorovaikutuksiin liittyviin varauksiin, esimerkiksi vahvan vuorovaikutuksen tuntevilla gluoneilla on antihiukkaset, vaikka niillä ei ole sähkövarausta. Tunnetuista hiukkasista vain fotonilla ja Z-bosonilla ei varmasti ole antihiukkasta (neutriinoista ei vielä tiedetä).

Näkemässämme maailmankaikkeudessa on ainoastaan tavallista ainetta, ei antiainetta, pulsareissa, supernovissa ja muissa väkivaltaisissa ympäristöissä syntyviä hyvin pieniä määriä lukuunottamatta. Kun hiukkanen ja antihiukkanen kohtaavat, ne annihiloituvat eli hajoavat säteilyksi. On selvää, miksi antiainetta ei ole: se annihiloituisi tavallisen aineen kanssa. Sen sijaan on kummallista, miksi ainetta sitten on olemassa. Standardimallissa aine ja antiaine ovat melkein (mutta eivät aivan) symmetrisessä asemassa, mutta jos niitä olisi maailmankaikkeudessa yhtä paljon, molemmat tuhoutuisivat. Pitää olla tapa kallistaa vaakakuppia siten, että ainetta onkin enemmän.

(En tässä yhteydessä käsittele pimeää ainetta, joka saattaa koostua yhtä suuresta määrästä ainetta ja antiainetta: annihilaatiosta tulevan säteilyn etsiminen onkin yksi tapa löytää pimeä aine.)

Aineen ja antiaineen tasavertaisuuden rikkomista maailmankaikkeudessa kutsutaan nimellä baryogenesis eli baryonisen aineen synty; baryoninen aine on kvarkeista koostuvaa tavallista ainetta. Baryogenesis on eräs kosmologian merkittävistä tutkimusaiheista, pimeän aineen, pimeän energian ja inflaation ohella.

Ensiksi voi kysyä, miksi baryogenesistä tarvitaan: ehkä ainetta vain on maailmankaikkeudessa enemmän alusta lähtien, ja se siitä? Kosmologinen inflaatio kuitenkin pyyhkii pois kaiken, mitä sitä ennen tapahtui, joten epäsuhdan pitää syntyä inflaation jälkeen, kuitenkin joskus maailmankaikkeuden ensimmäisen sekunnin aikana.

Andrei Sakharov esitti vuonna 1967 yleiset ehdot, jotka hiukkasfysiikan ja kosmologian mallin pitää toteuttaa baryogenesiksen onnistumiseksi. Ensinnäkin hiukkasten vuorovaikutusten pitää olla sellaisia, että baryonien miinus antibaryonien lukumäärä voi muuttua. Yhtä itsestäänselvää on se, että malli ei voi olla täysin symmetrinen hiukkasten ja antihiukkasten suhteen. Tämä ei kuitenkaan riitä: mallin pitää olla sellainen, että jos vaihtaa hiukkaset ja antihiukkaset keskenään sekä lisäksi oikean ja vasemman, niin maailma näyttää erilaiselta, eli hiukkasten peilaamista ei saa olla mahdollista kumota maailman peilaamisella. Lisäksi maailmankaikkeuden aineen pitää olla jossain vaiheessa poissa termisestä tasapainosta, jotta eroa pääsisi syntymään.

Standardimallissa kaikki Sakharovin ehdot toteutuvat. Baryonien lukumäärä voi muuttua korkeissa lämpötiloissa, ja aineen ja antiaineen ero on pieni, mutta ei olematon. Termisen epätasapainon tarjoaa sähköheikko symmetriarikko. Maailmankaikkeuden laajetessa lämpötila laskee, ja sen vajotessa tiettyyn kriittiseen arvoon (noin miljoona miljardia Celsiusta) Higgsin kentän tila muuttuu siten, että se antaakin hiukkasille massat. Tapahtuu samoin kuin vettä jäähdytettäessä: nollaan asteeseen tultaessa veden olomuoto muuttuu toisenlaiseksi, kiinteämmäksi, ja muutoksen aikana terminen tasapaino rikkoutuu. Higgsin kentän olomuodon muuttuessa voi aineen ja antiaineen välille syntyä epäsuhta, joka jäätyy paikalleen muutoksen mentyä ohi.

Kaunis tarina, mutta ei koko totuus. Standardimallissa on mahdollista tarkkaan laskea, mitä Higgsin kentän olomuodon muutoksen aikana tapahtuu, ja tuloksena on, että aineen ja antiaineen eroa kehittyy liian vähän. Ongelmana on se, että Higgsin kentän olomuodon muutos ei ole yhtä raju kuin veden jäätyminen, joten sen aikana ei saa paljoa rikottua. Kuten pimeän aineen tapauksessa, tämä epäonnistuminen on suuri saavutus: siitä, että näemme enemmän ainetta kuin antiainetta tiedetään, että on olemassa uutta hiukkasfysiikkaa. Erilaisia baryogenesistä kuvaavia malleja on kehitetty lukuisia, ja useimmissa tapahtuma liittyy Higgsin tilan muutokseen, mutta joskus kiertotien kautta. (Standardimallin laajennuksista, ainakin supersymmetrisestä sellaisesta, toiste enemmän.)

Baryogenesistä kuvaavan mallin pitää tuottaa oikein havaittu aineen ja antiaineen epäsuhta - tai siis aineen ja fotonien suhde, koska antiaine on annihiloitunut fotoneiksi. Jokaista protonia ja neutronia kohden on maailmankaikkeudessa noin miljardi fotonia. Nykymaailmankaikkeuden tavallinen aine on vain miljardisosa alkuperäisestä, melkein kaikki tuhoutui ensimmäisen sekunnin aikana.

On helppoa saada yksi luku oikein (etenkin kun tietää etukäteen, mikä se on), joten aineen ja fotonien suhteen perusteella ei voi vielä juurikaan sulkea baryogenesismalleja pois. Mutta sikäli kun baryogenesis liittyy Higgsin kentän tilan muutokseen, LHC saattaa tarjota lisävalaistusta, Higgsin tutkiminen kun on LHC:n keskeinen tavoite. LHC saattaa paljastaa, miksi ainetta on olemassa - tai osoittaa, että kertomus onkin monimutkaisempi.

Kommentit (6)

Mursu

Ihan pieni huomautus: Venäläinen nimi, joka englanniksi kirjoitetaan "Sakharov" kirjoitetaan suomeksi "Saharov". Piti nipottaa, ettei joku luulisi, että fyysikko Sakharov ja aktivisti Saharov ovat kaksi eri henkilöä... (Mutta voi olla, että kohta kukaan ei enää muista aktivisti Saharovia, vaan fyysikko Saharovin muisto elää pitempään...)

Syksy Räsänen

Kiitos korjauksesta. Suomen ja englannin kirjoitusasujen ero kolmannesta kielestä tulevien nimien ja termien kohdalla on minulla tosiaan hukassa.

Pekka

Voitko valaista jossain blogissa miten maailmankaikkeuden fotonien lukumäärä on osattu arvioida, periaate kiinnostaa. Hehkulampustakin lähtee fotoneita, mutta tässä taitaa olla kyse jostain "paljon massiivisemmasta" tekijästä, veikkaan siis taustasäteilyä ja siitä tehtyjä havaintoja...

Syksy Räsänen

Pekka:

Oleellista tässä yhteydessä on varhaisessa maailmankaikkeudessa olevien fotonien lukumäärä, ajalta ennen tähtien syttymistä. Nämä fotonit muodostavat nykyään mikroaaltotaustan. (Tähtien valon osuus maailmankaikkeuden fotoneista tosin on joka tapauksessa hyvin vähäinen.)

Mikroaaltotaustan jakauma on terminen, joten lämpötilamittauksesta 2.7 K saadaan suoraan fotonien lukumäärä. (Tai oikeammin lukumäärätiheys: lukumäärä tietysti riippuu siitä, kuinka isoa aluetta tarkastelee.) Näiden fotonien lukumäärä myös vaikuttaa maailmankaikkeuden ensimmäisten minuuttien aikana kevyiden alkuaineiden syntyprosessiin, joten mittaamalla kevyiden alkuaineiden pitoisuuksia voidaan selvittää, paljonko fotoneita on. Ks. http://www.tiede.fi/blog/2007/12/14/populaareja-ihmeita/ .

Volmari

Hei,
kiitos mielenkiintoisesta blogistasi! Kirjoitit että neutriinojen antihiukkasista ei vielä tiedetä. Olenko ihan pihalla kun sanon beeta(-)hajoamisessa ilmestyvän antineutriinoja, joita voi havaita?

Syksy Räsänen

Volmari:

Olisi ollut tarkempi sanoa, että kaikilla hiukkasilla on antihiukkanen, mutta joidenkin hiukkasten kohdalla se on sama kuin hiukkanen itse. Antineutriinoja on toki havaittu, mutta vielä ei tiedetä ovatko ne itseasiassa samoja hiukkasia kuin neutriinot.

Seuraa 

Maailmankaikkeutta etsimässä

Blogin päivittäminen on päättynyt.

Syksy Räsänen on teoreettinen fyysikko Helsingin yliopistossa. Syksy kirjoittaa kosmologiasta, hiukkasfysiikasta ja niiden tekemisestä, tai ainakin asioista sinne päin.

Teemat

Blogiarkisto