Mainitsin kosmisista säteistä kirjoittaessani, että niitä käytetään pimeän aineen etsimiseen. Ideana on se, että useimmissa malleissa pimeää ainetta on yhtä paljon hiukkasia ja antihiukkasia. Kohdatessaan ne tuhoutuvat (eli annihiloituvat) ja syntyy muita hiukkasia, mukaan lukien elektroni-positroni -pareja, protoni-antiprotoni -pareja ja fotoneita. Kaksi ensiksi mainittua kuuluvat kosmisten säteiden nimikkeen alle, koska ne ovat sähköisesti varattuja.

Pimeän aineen annihilaatiotuotteita pitäisi näkyä eniten paikoissa, joissa pimeän aineen tiheys on suurin, kuten Linnunradan keskustassa. Sähköisesti varattujen hiukkasten kanssa on kuitenkin sellainen ongelma, että ne kiertelevät Linnunradassa minne sattuu, joten kun vaikkapa positroni saapuu Maapallolle, ei voi olla varma siitä, mistä päin se on peräisin. Syynä on se, että Linnunradan magneettikentät taivuttavat sähköisesti varattujen hiukkasten ratoja sinne tänne. Niinpä voidaan vain mitata, saapuuko Maapallolle odotettua enemmän kosmisia säteitä, joiden energia on niin korkea, että ne olisivat syntyneet pimeän aineen annihilaatiossa, mutta ei ole mahdollista määrittää, mistä ne tulevat. Väitteitä siitä, että Maapallolle tulisi enemmän positroneja pimeän aineen takia on esitetty, mutta tällä hetkellä ei vaikuta siltä, että pimeää ainetta tarvittaisiin havaittujen korkeaenergisten positroneiden selittämiseen.

Fotonien kulkuun eivät magneettikentät vaikuta, joten ne liikkuvat suoraan. Niinpä pimeän aineen annihilaatiohohteen pitäisi olla kirkkain taivaalla Linnunradan keskustan suunnassa. Kun pimeän aineen hiukkanen ja antihiukkanen annihiloituvat kahdeksi fotoniksi, kumpikin fotoni saa energiaa pimeän aineen hiukkasen massaa vastaavan määrän. Näin syntyvä säteily on hyvin korkeaenergistä, mikä helpottaa sen erottamista muusta Linnunradan keskustasta tulevasta säteilystä. Vaikka pulsareissa, supernovissa ja muissa äärimmäisissä ympäristöissä syntyy korkeaenergistä säteilyä, pimeän aineen annihilaatiossa syntyvät fotonit on helppo erottaa, koska niillä on kaikilla sama energia. Esimerkiksi supernovissa syntyy fotoneita hyvin erilaisilla energioilla, mikään energia ei ole erikoisasemassa.

Huhtikuussa ilmestyi artikkeli, jossa väitettiin, että Fermi-teleskoopin mittauksissa näkyy Linnunradan keskustasta tulevia fotoneita, joilla on hyvin samanlainen energia, ja vieläpä sellainen, joka sopii odotuksiin pimeän aineen massasta. Loka-marraskuun vaihteessa olleessa konferenssissa Fermi-koeryhmä julkaisi oman analyysinsä. Tulokset ovat yhteensopivia aiempien kanssa, joskaan havainto ei kenties ole tilastollisesti merkittävä; yksityiskohtia Jesteriltä. Lisäksi on kaksi syytä epäillä, kielivätkö mittaukset todella pimeästä aineesta.

Ensinnäkin samanlainen signaali näkyy myös fotoneissa, jotka syntyvät kosmisten säteiden iskiessä ilmakehään. Tällä ei kuitenkaan ole mitään tekemistä pimeän aineen kanssa, ja kyseessä on luultavimmin joku mittauksissa tai niiden analyysissä oleva virhe. Tämä herättää epäilyksen siitä, että Linnunradan keskustankin hohteessa olisi kyse virheestä eikä signaalista.

Toinen ongelma liittyy siihen, että pimeän aineen koko idea on siinä, että se vuorovaikuttaa heikosti valon kanssa. Näin ollen on hieman kummallista, että pimeän aineen hiukkaset annihiloituisivat enimmäkseen fotoneiksi eli toisin sanoen valoksi. Tyypillisesti pimeän aineen hiukkaset annihiloituvat mieluummin muiksi hiukkasiksi, ja vain pieni osa menee suoraan fotoneiksi. Muistakin annihilaatiotuotteista syntyy kuitenkin valoa välillisesti. Esimerkiksi elektronien ja positronien kääntyileminen magneettikentissä johtaa siihen, että ne hohtavat valoa. Pimeän aineen annihilaatiosignaalissa odottaisi siis olevan selvän yhden energian fotonien piikin lisäksi tasainen tausta eri energian omaavia fotoneita. Tällaista taustaa ei kuitenkaan ole havaittu. Ongelma on vähän sama kuin PAMELA-kokeen tapauksessa, missä näkyi positroneja, mutta ei odotettuja antiprotoneja.

Teoreetikot rustailevat työkseen malleja jotka selittävät havaintoja, ja tähänkin tapaukseen löytyy sopivia hiukkasfysiikan hyllyltä. Toistaiseksi on kuitenkin vielä syytä odottaa uusia havaintoja ennen reseptin kirjoittamista.

Kommentit (23)

Lentotaidoton

Syksy: ” Kohdatessaan ne tuhoutuvat (eli annihiloituvat) ja syntyy muita hiukkasia, ”

Mikseivät ne kaikki olisi jo annihiloituneet (kuten tavallinen aine on tehnyt)? Aikaa olisi ollut, kun muistetaan, että pimeää ainetta on ollut yhtä kauan ja se on ollut varsinaisena syynä (kerääntymiskeskuksina) normaaliaineen kerääntymiseen galakseiksi

Syksy Räsänen

Lentotaidoton:

Hyvä kysymys. Tavallinen aine ja antiaine ovat annihiloituneet tehokkaasti (ja jäljelle on jäänyt vain pieni määrä ainetta, jota oli hieman enemmän kuin antiainetta), koska ne tuntevat sähkömagneettisen vuorovaikutuksen, joka on voimakas. Pimeä aine sen sijaan vuorovaikuttaa hyvin heikosti, joten annihilaatio ei ole kovin tehokasta sillä tiheydellä mikä Linnunradan keskustassa on, vain pieni osa pimeästä aineesta annihiloituu.

Lentotaidoton

Syksy: Hyvä kysymys. Tavallinen aine ja antiaine ovat annihiloituneet tehokkaasti (ja jäljelle on jäänyt vain pieni määrä ainetta, jota oli hieman enemmän kuin antiainetta), koska ne tuntevat sähkömagneettisen vuorovaikutuksen, joka on voimakas. Pimeä aine sen sijaan vuorovaikuttaa hyvin heikosti, joten annihilaatio ei ole kovin tehokasta sillä tiheydellä mikä Linnunradan keskustassa on, vain pieni osa pimeästä aineesta annihiloituu.

Juu tämä tietysti selvää. Mutta baryogenesishän tapahtui jo 10^-12 sek. BB:stä. Pimeällä aineella on ollut aikaa 13,7 MILJARDIA vuotta. Eikö tässäkin ole pienoinen ”hierarkiaongelma”?

Syksy Räsänen

Lentotaidoton:

Baryogeneesin aikaskaala ei liity tähän mitenkään - silloin määräytyy epäsuhta tavallisen aineen ja antiaineen välillä, mutta niiden välinen annihilaatio tapahtuu paljon myöhemmin.

Kuten sanottua, jos pimeä aine tuntee vain heikon vuorovaikutuksen, vain hyvin pieni osa hiukkasista annihiloituu (myöhäisessä maailmankaikkeudessa), joten pimeän aineen tiheys ei siitä merkittävästi pienene.

Pentti S. Varis

Missähän määrin tiedeyhteisö on reagoinut siihen, että jotkut tutkijat eivät vastoin odotuksia löytäneet pimeää ainetta auringon läheltä? Vai onko tieto jo osoittunut virheelliseksi - sehän on julkaistu jo kesällä?

http://www.eso.org/public/news/eso1217/

Mitä vaihtoehtoisia pyörimisnopeuteen vaikuttavia tekijöitä voisi olla? Monimaailmahypoteesi? Kahvin pintaan kertyvä vaahto on muun muassa pyörimisliikkeineen niin avaruuden kaltainen, että siitä voisi analogiaperiaatteella tehdä joitakin hypoteeseja tai veikkauksia.

PekkaP

Syksy:
"...joten pimeän aineen tiheys ei siitä merkittävästi pienene."

Vaikuttaako pimeän aineen annihiloituminen mitenkään avaruuden "dynamiikkaan"? Maallikkona kuvittelisin, että massa tai ainakin massa-energia pysy samana annihiloitumisen jälkeenkin ja siten myös avaruutta kaareuttava vaikutus? Vai vaikuttaako annihiloituminen pitkässä juoksussa galaksin kokonaismassan jakautumiseen?

Syksy Räsänen

PekkaP:

Vaikuttaa kyllä, koska massalliset hiukkaset kuten pimeä aine ja massattomat hiukkaset kuten valo kaareuttavat aika-avaruutta eri tavalla. Annihiloituvan pimeän aineen määrä on kuitenkin niin pieni, että tällä ei ole mitattavaa merkitystä. On kyllä ehdotettu malleja, joissa pimeän aineen hiukkasilla olisi äärellinen elinikä, joka olisi maailmankaikkeuden tämänhetkisen iän luokkaa. Tällöin pimeän aineen hiukkasia olisi hajonnut suuri osa. Tätä on ehdotettu selitykseksi sille, että jotkut galaksit näyttävät pienemmiltä ajan kuluessa. Selitys kuitenkin kaatuu juuri tuohon aika-avaruuden kaarevuuteen: se muuttuisi niin merkittävästi, että tämän olisi pitänyt näkyä selvästi kosmisessa mikroaaltotaustassa.

Mitä Linnunrataan tulee, vaikka pimeän aineen tiheys on suurin keskustassa, niin pimeästä aineesta suurin määrä on kaukana keskustasta, eikä Linnunradan nykyinen muoto muuttuisi kauheasti vaikka keskustassa olevasta pimeästä aineesta suuri osa annihiloituisi.
En tiedä mitä seurauksia pimeän aineen annihilaatiolla on hyvin pitkällä aikaskaalalla, se onkin mielenkiintoinen kysymys: annihiloituuko pimeä aine galakseissa kokonaan, vai heikkeneekö annihilaatio laskevan tiheyden myötä niin paljon, että se ei pysty hävittämään kaikkea pimeää ainetta? Luulisin jälkimmäistä, mutta en ole laskematta ja enempää miettimättä varma.

Lentotaidoton

Syksy: ” , mutta niiden välinen annihilaatio tapahtuu paljon myöhemmin.”.

Olen aina käsittänyt että baryonisen aineen annihilaatiot olisivat olleet valmiita noin sekunnissa, viimeisinä elektronit ja positronit (jollei, niin koska sitten?). Siksi epäsuhta 1 sek kontra 13,7 miljardia vuotta tuntuu suurelta.
Ilmeisesti sitten on niin, että pimeä aine on NIIN harvaa (se ei voi menettää energiaa fotoneita emittoimalla, kuten tavallinen aine) ja vuorovaikutus NIIN heikkoa, että koko kosmoksen eliniässä on vain tapahtunut vähän annihilaatiota.

Syksy Räsänen

Lentotaidoton:

Elektronit eivät ole baryoneja. Baryonilukua kantavien hiukkasten annihilaatiot loppuvat noin 10^(-5) sekunnin kohdalla. Pimeän aineen hiukkasten merkittävä annihilaatio loppuu tyypillisissä malleissa aiemmin, noin 10^(-7) sekunnin kohdalla. Annihilaatioiden loppumisen syyt ovat aivan erilaiset. Baryonien kohdalla se johtuu siitä, että lämpötila laskee kevyimpien baryonien massan alle, pimeän aineen kohdalla siitä, että vuorovaikutusten voimakkuus laskee liian pieneksi suhteessa maailmankaikkeuden laajenemisnopeuteen. Tämä riittäköön tästä.

Lentotaidoton

Kiitos ”oikaisusta”.
” Elektronit eivät ole baryoneja ”. Joo lapsus. Olisi pitänyt kirjoittaa aiemman tapaan ”tavallisen aineen” annihilaatiot. Ei siitä enempää

Eusa

Ei kai yksinäisiä positroneja magneettikentät sen kummemmin kierrättele kuin gravitaatiokaan. Suurienergisellä on suuri nopeus, eikö sellainen voi hyvinkin olla peräisin 10 miljardin valovuoden päästä ja vieläpä varsin tarkasti tulosuunnastaan? Toki tässä matkan viime vaiheilla on tiheämmin materiaa, mutta sitä ennen on voinut hyvinkin olla miltei valonsuora reitti? Vai eikö ja miksi ei?

Pentti S. Varis

Pimeän aineen arvoitus (yhtenä monista..) varmaan jakaa fyysikkojen ja kosmologien joukon erityyppisen asenteen omaaviin. Jotkut hyväksyvät idean ehkä enemmättä kritiikittä ja uskovat todisteiden löytyvän aikanaan. Jotkut taas suhtautuvat pimeään aineeseen ja ylipäänsä kaikkeen skeptisesti, vieroksuvat konsensusta ja tahtovat kulkea omia teitään. Lieneekö näin?

Tunnettuja oman tien kulkijoita olivat mm. Thomas Gold, Fritz Zwicky ja Hannes Alfven

http://www.skepsis.fi/lehti/2003/2003-3lain.html

http://www.amg.swemorph.com/pdf/amg-1-3-2012.pdf

http://public.lanl.gov/alp/plasma/people/alfven.html

Topi Rinkinen

Hei,

Jos pimeä hiukkanen ja antipimeä hiukkanen voivat annihiloitua elektroni-positroni-pariksi, niin pitäisikö elektroni-positronin annihiloitumisella pimeäksi materiapariksi olla nollaa suurempi todennäköisyys?

Todennäköisyyteen ilmeisesti vaikuttaa positronin ja elektronin välinen suhteelinen liikemäärä/liike-energia, vai vaikuttaako?

Eli voimmeko oikeasti luoda pimeää ainetta hiukkaskiihdyttimessä?

-Topi Rinkinen

Syksy Räsänen

Pentti S. Varis:

Jako kritiikittömiin ja skeptisiin ei kuvaa hiukkaskosmologien yhteisöä oikein. Asenteet ovat muuttuneet sen myötä, mitä enemmän todisteita pimeästä aineesta on saatu. Valtaosa pitää pimeän aineen olemassaoloa hyvin luultavana.

Syksy Räsänen

Topi Rinkinen:

Kyllä, jos elektronilla ja positronilla on tarpeeksi liike-energiaa tormätessään. LHC törmäyttää protoneita, mutta niidenkin törmäyksissä voi syntyä pimeän aineen hiukkasia (ainakin useissa pimeän aineen malleissa; joissain malleissa pimeän aineen hiukkasten massa on liian iso, että niitä voisi tuottaa LHC:ssä). Niiden olemassaolo detektorissa päätellään siten, että havaittujen törmäystuotteiden yhteenlaskettu energia ja liikemäärä ei vastaa törmäävien protoneiden energiaa ja liikemäärää, eli jotain puuttuu.

Eusa

Syksy " Yksittäiset positronit kiertävät paljon magneettikentissä."

Kysymys jäi vastaamatta. Onko galaksien välisessä avaruudessa merkittäviä magneettikenttiä, jotka poikkeuttavat ratoja?

Syksy Räsänen

Eusa:

Varatut hiukkaset joka tapauksessa taipuvat Linnunradan magneettikentissä tänne saavuttuaan. Galaksienvälisessä avaruudessakin on magneettikenttiä, mutta en osaa sanoa kuinka voimakkaasti ne muuttavat varattujen hiukkasten reittejä.

Pekka

Moi. Miten kommentoit tällaista "uutista" tai tiedonantoa jossa viitataan viisaan professorin mielenkiintoiseen heittoon pimeästä aineesta:

In a paper titled “An expanding universe without dark matter and dark energy” (arXiv:1212.1110) Pierre Magain, a professor at Belgium’s Institut d’Astrophysique et de Géophysique, proposes that the expansion of the Universe could be explained without the need for enigmatic material and energy that, to date, has yet to be directly measured.

Read more: http://www.universetoday.com/98864/do-we-really-need-dark-matter/#ixzz2E...

Syksy Räsänen

Pekka:

Kun artikkeli ei juuri liity merkinnän aiheeseen, sanon vain että juttu ei ole varteenotettava.

Pentti S. Varis

Lentotaidoton kirjoitti: "Mikseivät ne kaikki olisi jo annihiloituneet (kuten tavallinen aine on tehnyt)? Aikaa olisi ollut, kun muistetaan, että pimeää ainetta on ollut yhtä kauan ja se on ollut varsinaisena syynä (kerääntymiskeskuksina) normaaliaineen kerääntymiseen galakseiksi"

Olisi kiinnostava tietää, minkälaisia visioita pimeän aineen hiukkasten olemuksesta fyysikoilla on. Esimerkiksi puuttuuko niiltä joku tavallisessa aineessa yleinen aspekti vai voiko niillä olla uusi, tuntematon ominaisuus.

Tällaisella spekulaatiolla ei ehkä ole matemaattista teoriaa suuntaavaa vaikutusta, mutta kukapa tietää. Esimerkiksi Feynman keksi polkuintegraalin (tai jonkun muun suurista keksinnöistään) katsellessaan ravintolassa tarjoilijan leikkiä lautasilla.

Aina tehdessäni kupin murukahvia tuntuu, että kahvin pinnalla pyörivät ja törmäilevät "galaksit" voivat pitää rakenteissaan kosmologisia salaisuuksia, joita pelkkä älyn heikkous estää näkemästä.

Eusa

Pentti S. Varis

Ei se kahvikupin tuijottaminen välttämättä hyödytöntä ole. Vaikka bloginpitäjä ei ehkä arvosta yksinkertaistavia analogioita, ottakaamme tämä vanha tuttu kumikalvoesimerkki, mutta vaihdetaan tilalle kahvikupin nestepinta. Kumikalvoesimerkissä ongelma on se, ettei se parhaalla tavalla mallinna ryhmähitautta, viskositeettia, jota uean kappaleen gravitaatiosidoksissa täytyy esiintyä samoin kuin sähkömagneettisen aineen nesteessä tai kaasussa. Lisäksi kupin reunakin saattaa tuoda ideoita siihen kuinka gravitationaalinen aine käyttäytyy tilastollisesti suhteessa esim. galaksin reunaan, jossa energiatiheys putoaa radikaalisti; voisiko ajatella, että tilan virittymisen liikehitaus, joka galaksin keskustassa massan voimakkaan siajintihierarkian vuoksi ei näy, tulee ilmi pimeänä aineena ja taas reunaa kohti pyrkii kiihtymään jonkin verran - väliin jää lineaarisen vaikutuksen vyöhyke...

Tällä ajatusten avaamisella pyrin tuomaan ilmi kuinka ideat tieteenkin teossa ilmeisesti toimivat - edellisessä ei ollut mitään todellista spekulaatiota, vain tuntuman ottoa - suunnittelijana minulla tosin voi olla myös harhautunut käsitys tutkimusajattelun poluista - tällaista palautetta kuitenkin juuri tämä blogikirjoitus kommentteineen herätti. Syksy viittasi "signaaleihin" ja "uusiin havaintoihin", joita odotetaan toisaalta vahvistamaan eräitä hypoteeseja, toisaalta kumoamaan toisia. On hienoa, että voimme lukea blogia, joka tuo tutkimuksen ilmiöt populääriin keskusteluun. Way to go, Syksy!

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