Viime viikolla saattoi jälleen törmätä uutiseen, jonka mukaan “kansainvälinen tutkimusryhmä uskoo tehneensä ensimmäisen havainnon” pimeän aineen hiukkasista. Kyse ei ole Maapallon kiertoradalla havaituista positroneista, joiden avulla pimeä aine väitettiin melkein löydetyksi kaksi viikkoa aiemmin, vaan atomiydinten värinästä syvällä maan alla. Uutiset pimeän aineen hiukkasen löytymisestä ovat kuitenkin yhtä ennenaikaisia nyt kuin huhtikuun alussa.

Pimeä aine selittää lukuisia havaintoja: tähtien kiertoliike galakseissa, galaksien ja kaasun liikkeet galaksiryppäissä, galaksien muodostumisen aikataulu ja yksityiskohdat, gravitaatiolinssit, kosmisen mikroaaltotaustan epätasaisuuksien muoto (esimerkiksi Planck-satelliitin havainnoissa pimeän aineen vaikutus näkyy erittäin selvästi) ja muut havainnot kaikki sopivat yhteen pimeän aineen kanssa. Kaikissa näissä on kyse gravitaatiovuorovaikutuksesta: on siis nähty, että pimeä aine vetää ainetta ja valoa puoleensa. Periaatteessa havainnot voisivat selittyä sillä, että gravitaatio olisikin toisenlainen kuin mitä on ajateltu. Pimeä aine on yksinkertaisempi selitys ja se on ennustanut monia havaintoja oikein, mutta jotta asiasta voitaisiin olla varmoja, pitäisi nähdä pimeä aine muutenkin kuin gravitaation kautta.

Tähän on kolme keinoa. Tavallisen aineen hiukkaset voivat törmätä ja tuottaa pimeää ainetta, pimeän aineen hiukkaset voivat törmätä ja tuottaa tavallista ainetta tai pimeä aine ja tavallinen aine voivat törmätä. Ensimmäistä vaihtoehtoa on tutkittu LHC:ssä eikä mitään ole toistaiseksi löytynyt, toista tutkaillaan kiertoradalla olevilla kokeilla kuten PAMELAlla ja AMS:llä ja kolmas on se, mistä viime viikolla uutisoitiin.

Jos pimeää ainetta on olemassa, niin suurin osa Linnunradan massasta koostuu siitä ja Aurinkokunta matkaa pimeän aineen meressä. Niinpä pimeää ainetta on kaikkialla Maapallollakin: ilmassa, maassa, kehojemme sisällä. Koska pimeä aine on näkymätöntä ja vuorovaikuttaa tavallisen aineen kanssa hyvin heikosti, se enimmäkseen menee tavallisen aineen läpi ihan huomaamatta. Mutta joskus pimeän aineen hiukkanen vähän tönäisee jotakin atomiydintä. Pimeää ainetta voidaan siis löytää seuraamalla tarkkaan palaa tavallista ainetta ja odottamalla, että jokin sen atomeista saa pienen potkun kuin tyhjästä.

Tällaisia kokeita on käynnissä useita, ja viime viikon lehdistötiedote (ja kaksi artikkelia) tuli yhdeltä niistä, CDMS:ltä (lyhenne sanoista Cryogenic Dark Matter Search). Virallinen tiedote on melko hillitty. Siinä kerrotaan, että on havaittu kolme potkua, jotka saattavat olla pimeän aineen hiukkasten aiheuttamia, kun taustakohinan odottaisi tuottavan niitä vain 0.7. Todennäköisyys sille, että kyseessä on sattuma on noin 5% jos katsotaan vain potkujen lukumäärää. Jos tarkastellaan myös sitä, kuinka kovaa ytimiä on potkittu, eli paljonko energiaa ne ovat saaneet, niin sattuman todennäköisyys laskee 0.19%:iin. Tekstissä myös todetaan, että pimeän aineen tulkinta on hieman ristiriidassa toisen pimeää ainetta etsivän kokeen, XENONin, kanssa, koska se ei ole nähnyt mitään erityistä. (Lisää aiheesta Jesteriltä.)

Julkisuutta sai CDMS-ryhmän tiedotteen sijaan Teksasin A&M -yliopiston hehkute, jossa eräs CDMS-ryhmän jäsen esittää tulokset siten, että koeryhmä on 99.8% varma siitä, että se on löytänyt pimeää ainetta ja he jatkavat tutkimuksia kunnes ovat 99.9999% varmoja.

Tämä on harhaanjohtavaa monestakin syystä. Jos oletetaan, että yksinkertainen pimeän aineen malli on totta ja pitää valita sen välillä ovatko mittalaitteessa nähdyt potkut tilastollinen sattuma vai merkki pimeästä aineesta, niin todennäköisyydellä 99.8% kyseessä on pimeä aine. Kyseessä ei kuitenkaan ole tutkijoiden arvio sille, millä todennäköisyydellä pimeää ainetta on löytynyt.

Luku 99.8% viittaa vuoden 2007-2008 havaintoihin. Vuonna 2006-2007 ei sen sijaan näkynyt ainuttakaan potkua. Vuonna 2006-2007 dataa kerättiin yhteensä 56 kilogrammavuotta ja seuraavana vuonna 140 kilogrammavuotta, eli vuoden 2006-2007 pudottamista laskuista tarkoittaa melkein kolmanneksen datasta jättämistä huomiotta. (Ideana on se, että potkuja näkee sitä todennäköisemmin, mitä isompi laite on tai mitä kauemmin odottaa, joten datamäärän yksikkö on massa kertaa aika.)

Lisäksi tulee ottaa huomioon se, että lehdistötiedotteessa mainittu XENON ei ole nähnyt mitään poikkeavaa. Kun analysoi myös XENONin havainnot, niin todennäköisyys laskee huomattavasti CDMS:n luvusta 99.8%, eikä tulkinta pimeän aineen hiukkasista ole enää erityisen luultava. Poikkeavia havaintoja voi yrittää selittää siten, että pimeä aine vuorovaikuttaa eri tavalla erilaisten atomiydinten kanssa, CDMS ja XENON kun käyttävät eri alkuaineita. CDMS:n luku 99.8% koskee kuitenkin vain yksinkertaista pimeän aineen mallia, jossa pimeä aine vuorovaikuttaa oleellisesti samalla tavalla kaikkien ydinten kanssa. Muuttamalla mallia sen jälkeen kun havainnot on tehty saa sen toki sopimaan havaintoihin paremmin, mutta silloin ei ole enää kyse mallin testaamisesta.

Mutta vaikka CDMS olisi havainnut tönimissignaaleja 99.9999% todennäköisyydellä, ei silti voisi julistaa pimeää ainetta löydetyksi. Syynä on se, että kokeissa on kaikenlaista taustakohinaa. Kokeet tehdään syvällä maan alla ja erittäin kylmässä lämpötilassa häiriöiden minimoimiseksi, mutta niistä ei pääse kokonaan eroon. Esimerkiksi detektorin materiaalista ---kuten kaikesta aineesta-- osa on radioaktiivista ja radioaktiivisten ydinten hajoaminen aiheuttaa samanlaisia tönäyksiä kuin pimeä aine. Tunnetut hajoamiset on otettu huomioon CDMS-kokeen arvioidussa 0.7 potkussa per vuosi, mutta ei ole sanottua, etteikö ole olemassa hajoamiskanavia, joita ei vielä tunneta. Sen selvittämiseksi, onko kyseessä pimeä aine, on tärkeää tutkia potkujen määrän riippuvuutta vuodenajasta.

Maapallo matkaa Auringon ympäri kerran vuodessa. Pimeä aine virtaa Aurinkokunnan läpi, eikä sen suunta muutu näin lyhyessä ajassa juurikaan. Niinpä tiettyyn vuodenaikaan Maapallo matkaa samaan suuntaan pimeän aineen kanssa ja vuoden toisella puolella pimeää ainetta vastaan. Silloin kun Maapallo matkaa pimeän aineen tuulen suuntaisesti, pitäisi laboratoriossa näkyä vähemmän törmäyksiä pimeään aineeseen, ja silloin kun kuljetaan vastatuuleen, niitä pitäisi olla enemmän. Samaan tapaan, jos juoksee sadetta vastaan, niin saa enemmän pisaroita naamalleen kuin poispäin juostessa.

Toistaiseksi CDMS:llä ei ole tarpeeksi mahdollisia havaintoja, että voisi arvioida miten ne muuttuvat vuodenaikojen vaihtuessa. Mutta koe nimeltä DAMA on jo vuosia sitten ilmoittanut havainneensa kymmeniätuhansia pimeästä aineesta johtuvia potkuja, ja kertonut niiden määrän vaihtelevan vuodenaikojen mukaan odotetulla tavalla. Kukaan ei ole osoittanut DAMAn koejärjestelyistä virhettä, mutta koeryhmän havaintoja ei silti hyväksytä pimeän aineen löydöksi, koska muut kokeet eivät ole pystyneet toistamaan DAMAn tuloksia.

Pimeän aineen löydetyksi julistamiseen ei riitä yksi havainto, vaan tulokset täytyy varmentaa usealla tavalla. Vakuuttavinta olisi, jos tönimiskokeiden tulokset sopisivat yhteen taivaalla nähtyjen signaalien tai kiihdytinhavaintojen kanssa. Tässä yhteydessä on syytä huomauttaa, että sellaiset pimeän aineen hiukkaset, jotka sopisivat CDMS:n tuloksiin, ovat kymmeniä kertoja liian kevyitä, että ne voisivat selittää AMS:n huhtikuun alussa mainostamat havainnot positroneista: nämä kaksi havaintoa eivät tue toisiaan.

Jos CDMS:n havainnoissa on kyse pimeästä aineesta, niin samanlaisia potkuja kertyy mittalaitteissa tasaista tahtia, joten seuraavia datanjulkistuksia sopii odottaa mielenkiinnolla.

Kommentit (23)

Lentotaidoton

“Dark Matter research is starting to look a lot like epicycles and dancing angels."
Tuolla Jesterin kirjoituksen kommenttiosiossa oli nimim. Anonymous`in mielestäni osuva yo. kommentti.

Topi Rinkinen

Syksy kirjoitti: "Pimeä aine virtaa Aurinkokunnan läpi, eikä sen suunta muutu näin lyhyessä ajassa juurikaan."

Olen ymmärtänyt että pimeä aine ei juurikaan reagoi itsensä kanssa (sisäinen kitka käytännössä nolla, muuten siitä olisi muodostunut pimeitä aurinkoja ;). Onko jotain syytä olettaa pimeän aineen liikejakauman olevan epähomogeeninen maapallosta tarkkailtuna?

Jos pimeä aine pommittaisi maapalloa tasaisesti joka suunnasta riittävän leveällä nopeusjakaumalla ei vuodenaikavaihtelua voitaisi kait havaita, vai voidaanko?

-Topi Rinkinen

Voieiseputosi Virtanen

Itte olen aina aatellu että eikö se pimeä aine ole gravitoneja kun se vetää asitoita puoleensa

Syksy Räsänen

Lentotaidoton:

Millä tapaa osuva? Pimeän aineen malleja on erilaisia, mutta yksinkertaisimpaan malliin ei 30 vuoden aikana ole tarvinnut lisätä mitään. Päin vastoin, se on ennustanut oikein suuren määrän havaintoja.

Syksy Räsänen

Topi Rinkinen:

Oleellista on se, että pimeän aineen nopeusjakauma ei muutu vuoden aikana merkittävästi ja on sama eri puolilla Aurinkokuntaa missä Maa matkaa. Se, mihin suuntaan pimeä aine virtaa on toissijaista, pääasia on se, että Maapallo liikkuu eri suuntaan eri vuodenaikoina.

Syksy Räsänen

Voieiseputosi Virtanen:

Samalla perusteella voisi ajatella, että tavallinen aine on gravitoneja kun se vetää asioita (astioita?) puoleensa. Pimeä aine on aivan eri asia kuin gravitonit.

Pyry Kontio

Hei, ja kiitos mielenkiintoisesta blogista.

Minkä vuorovaikutuksen kautta pimeän aineen "töytäisyjen" oletetaan välittyvän, vai onko malleja tämän suhteen erilaisia? Miten asia on yksinkertaisimmassa niistä? Onko pimeän aineen hiukkasen sähköheikko vuorovaikutus näissä malleissa täysin olematonta, vai vain hyvin harvinaista?

Syksy Räsänen

Pyry Kontio:

Tyypillisissä malleissa kyse on heikosta vuorovaikutuksesta, eli pimeän aineen hiukkaset vaihtavat joko W- tai Z-bosonien ytimen kanssa. Se, mikä vuorovaikutus on kyseessä, ei kuitenkaan vaikuta siihen millainen tönäisy on kunhan on kyse ns. elastisesta sironnasta, eli prosessista jossa pimeän aineen hiukkanen ja ydin vain vaihtavat energiaa ja liikemäärää, mutta uusia hiukkasia ei synny. Elastisessa sironnassa ytimen saama tönäisy riippuu vain pimeän aineen hiukkasen massasta ja nopeudesta (ja ytimen massasta). Pimeän aineen hiukkasten nopeudet ovat niin pieniä, että törmäykset ovat elastisia: uusien hiukkasten tuottamiseen ei riitä energiaa. (Muitakin vaihtoehtoja on kyllä tutkittu.)

Se, onko kyse heikosta vuorovaikutuksesta vai jostain muusta vaikuttaa vain sen todennäköisyyteen, että pimeän aineen hiukkanen ja ydin vuorovaikuttavat. Se siis määrää sen, paljonko signaaleja detektorissa pitäisi näkyä, pimeän aineen massa ja nopeus taas sen millaisia signaalit ovat.

Kimmo Rouvari

Harmittaa näin tavallisen veronmaksajan näkökulmasta haamujahtiin upotettavat rahamäärät. Onneksi Suomi ei ole tässä asiassa kukkaro auki etunenässä. Pimeä aine -hypetys on nyt vain pahimmillaan ja työllistää kivasti aihetta tutkivat laitokset ja ihmiset.

Pimeälle aineelle on olemassa parempia vaihtoehtoja, mutta ne ovat nyt oppositiossa :)

Lentotaidoton

Syksy: ”Millä tapaa osuva? Pimeän aineen malleja on erilaisia, mutta yksinkertaisimpaan malliin ei 30 vuoden aikana ole tarvinnut lisätä mitään. Päin vastoin, se on ennustanut oikein suuren määrän havaintoja.”

Ei olekaan kysymys (yksinkertaisimman mallin) teoriasta. Astronomiset havainnot toki ovat erittäin vakuuttavia, niitä ei kukaan (paitsi jotkut jukuripäät) kiistä. Nämä hiukkasten etsimiset vain näyttävät olevan ” like epicycles” (niinkuin itsekin kirjoituksesisikin sävyssä annoit ymmärtää; ” Muuttamalla mallia sen jälkeen kun havainnot on tehty saa sen toki sopimaan havaintoihin paremmin, mutta silloin ei ole enää kyse mallin testaamisesta” = episyklit ja ” mutta ei ole sanottua, etteikö ole olemassa hajoamiskanavia, joita ei vielä tunneta” ja ” Kun analysoi myös XENONin havainnot, niin todennäköisyys laskee huomattavasti CDMS:n luvusta 99.8%, eikä tulkinta pimeän aineen hiukkasista ole enää erityisen luultava” ja ” muut kokeet eivät ole pystyneet toistamaan DAMAn tuloksia.”). Tämä kaikki muistuttaa alkuaikojen hakuammuntaa planeettojen ratojen laskemisissa (”Poikkeavia havaintoja voi yrittää selittää…”). No mutta tulevaisuudessa tämäkin varmasti selviää. Ei siitä sen enempää.

Syksy Räsänen

Lentotaidoton:

Episykleissä oli kyse siitä, että yksinkertainen malli planeettojen radoista ennusti asioita väärin, joten siitä piti tehdä monimutkaisempi. Lopulta osoittautui, että mallin lähtökohtakin oli täysin väärin. Vastaavia tapauksia on fysiikassa muitakin, vaikkapa eetteriteoria.

Jos noissa maanalaisissa törmäyskokeissa tulisi yksi toisensa jälkeen luotettavia havaintoja, joiden selittämiseksi pimeän aineen ominaisuuksia pitäisi säätää, niin tilannetta voisi verrata episykleihin. Nyt näin ei ole. Todennäköisyys sille, että CDMS:n havainnot ovat vain taustakohinaa on ainakin 5%, eli ihan tarpeeksi iso että nuo muutamat havainnot voi jättä huomiotta niin halutessaan. Ongelmia tulee vain jos lähtee siitä, että CDMS on havainnut pimeän aineen hiukkasia mutta yrittää selittää miksi XENON ei ole niin tehnyt, eikä ristiriita XENONin kanssa edes ole kovin iso.

Pimeä ainehan muuten saattaa vuorovaikuttaa niin heikosti (tai sen massa voi olla niin pieni), että sitä ei koskaan löydetä tällaisilla törmäyskokeilla. Vaikka niissä ei siis ikinä näkyisi mitään, tämä ei ole pimeän aineen kannalta ongelma - vain tiettyjen pimeän aineen mallien kannalta. Itse asiassa eräs lempikandidaattini, 10 keVin oikeakätinen neutriino, on sellainen jota ei näy näissä törmäyskokeissa.

Syksy Räsänen

Kimmo Rouvari:

Pimeälle aineelle on ehdotettu vaihtoehdoksi sitä, että gravitaatiolaki olisi erilainen kuin yleisessä suhteellisuusteoriassa, mutta mikään tällainen malli ei ole onnistunut selittämään tai ennustamaan havaintoja yhtä hyvin kuin pimeä aine.

Kimmo Rouvari

Täsmennetään sen verran, että mikään yleisesti tiedetty malli ei tosiaan ole lyönyt pimeää ainetta laudalta.

Eusa

Jaa-a,

Miksi väittämäni, että perinteinen pimeän aineen hiukkasselitys on menestynyt vapaasti tarpeen mukaan muotoiltavan halon mallin vuoksi, piti sensuroida?

Toinen lauseeni koski arvaustani mistä periaatteesta voisi löytää hiukkasselitykselle vaihtoehtoa. Eikö kestä arvailla?

Pentti S. Varis

Kimmo Rouvari toteaa: "mikään yleisesti tiedetty malli ei tosiaan ole lyönyt pimeää ainetta laudalta."

Niin ilmeisesti on, vaikka esimerkiksi Suomessakin prof. Arto Annila onkin kehittänyt esityksen, joka tekee sekä pimeän aineen että pimeän energian tarpeettomaksi.Johtuneeko sitten esityksen periaatteellisesta yksinkertaisuudesta vai sen muodollisesta vaikeatasoisuudesta, että sitä ei ole ilmeisesti Suomessa huomioitu pieniä "toisinajattelijoiden" piirejä lukuunottamatta.

Annilan esitys kiinnostaa itseäni jo siitä syystä, että oma vajavainen ajatusmaailmani ei taivu uskomaan ko. pimeiden suureiden olemassaoloon.

Annilan mukaan ei kyseessä ole matemaattinen malli Yleisen Suhteellisuusteorian tapaan, vaan perustavimpien luonnonlakien kuten pienimmän vaikutuksen periaatteen a`la Maupertuis avulla rakennettu kuva siitä, miten mailmankaikkeus todellisuudessa toimii. Kyseessä ei näin ollen olisi efektiivinen teoria, vaan ilmiöiden juuret esiin tuova esitys.

Annilan pimeän aineen ja pimeän energian tarpeettomaksi tekevä artikkeli "Least-time paths of light" on herattänyt useiden kommentaattorien huomion ulkomailla.

http://phys.org/news/2011-10-supernovae-universe-expansion-understood-da...

http://www.helsinki.fi/yliopisto/

Keskustellessani taannoin Kylmäfysiikan laitoksen entisen johtajan kanssa hän totesi Annilan näkemyksen luonnosta olevan merkittävä (sanamuotoa en muista, mutta tulkitsin asiasisällön näin).

Syksy Räsänen

Eusa:

Kommenttiosio ei ole paikka omien teorioiden esittelemiselle. Sellaiseen keskittyvät kommentit poistetaan.

Ei ole totta, että pimeän aineen selitys galaksien rakenteelle perustuisi siihen, että pimeän aineen jakauman voisi mielivaltaisesti valita vastaamaan havaintoja. Pimeän aineen vaikutusta tutkitaan yksityiskohtaisissa tietokonesimulaatioissa, ja niistä saadaan tuloksena pimeän aineen jakauma - näkyvän aineen jakauman lisäksi.

Kuten merkinnässä mainitaan, on olemassa monia havaintoja, joita pimeä aine selittää onnistuneesti. Kenties vankin yksittäinen todistuskappale on kosmisen mikroaaltotausta epätasaisuuksien muoto. Se määräytyi maailmankaikkeuden ollessa noin 380 000 vuotta vanha, paljon ennen kuin galakseja tai pimeän aineen sidottuja tiloja oli olemassa. Se on siis täysin riippumaton osoitus pimeästä aineesta. Vakuuttavaa on se, että useat erilliset havainnot, jotka luotaavat maailmankaikkeuden erilaisi ilmiöitä eri aikakausina osoittavat samaan suuntaan.

Kimmo Rouvari

Huutelen tässä vieraisiin pöytiin...

Miten mikroaaltotaustan epätasaisuuksien muoto on todiste pimeälle aineelle? Voisitko avata tätä tai antaa vaikka linkin, joka näin esittää?

Lentotaidoton

Syksy: ”Itse asiassa eräs lempikandidaattini, 10 keVin oikeakätinen neutriino, on sellainen jota ei näy näissä törmäyskokeissa.”

Tämänhetkisessä standardimallissahan neutriino on vasenkätinen, massaton Diracin hiukkanen sillä vain vasenkätiset neutriinot osallistuvat heikon vuorovaikutuksen prosesseihin. Standardimalli ei sisällä lainkaan oikeakätistä neutriinoa, sillä sellaisen ei ole havaittu osallistuvan mihinkään vuorovaikutuksiin muiden leptonien kanssa.
Ratkaisuna ongelmaan voitaisiin standardimallia laajentaa siten, että se sisältäisi nykyisten hiukkasten lisäksi myös oikeakätisen neutriinon. Se olisi steriili singlettikenttä siinä mielessä, että se ei vuorovaikuttaisi muiden leptonien kanssa
Toistaiseksi ei tiedetä, ovatko neutriinot Dirac- vai Majorana-hiukkasia

Syksy, viitsitkö tarkentaa hiukan vihjailuasi, mitä oikeakätisen neutriinon teoriaa tuossa ajat takaa.

Syksy Räsänen

Lentotaidoton:

Jos Standardimalliin lisää oikeakätiset neutriinot, yksi niistä sopii pimeän aineen kandidaatiksi jos sen massa on luokkaa 10 keV. Ei siinä sen kummempaa. Samalla mallilla voi tosin selittää myös baryogeneesin. Ks. esim. http://arxiv.org/abs/1208.4607 .

Lentotaidoton

Näitä steriilejä neutroneja ei voi havaita LHC:ssä (vMSM:n mukaan) ja tämä lasketaan epäsuoraksi tueksi teorialle (koska siellä SM:n ulkopuolista fysiikkaa ei ole havaittu). Steriilin neutriinon etsintää tekevät CERN PS191, NuTeV , CHARM , NOMAD and BEBC. Aika paljon tutkimuksia. Onko näissä mitään vihjeitä saatu (en jaksanut käydä läpi)?

Teoriahan on laaja: selittää paitsi neutraalit neutriinot, myös pimeän aineen, baryooni asymmetrian ja neutriinojen makuoskillaatiot. Osallistutko sinä millään tavalla tähän hommaan (vai muuteko vain sinun favoriitti)?

Syksy Räsänen

Lentotaidoton:

Mitään todisteita steriileistä neutriinoista ei ole. Tuo malli on kuitenkin sinänsä mukava, että se on mahdollista kokeellisesti sulkea pois lähitulevaisuudessa. En ole työskennellyt kyseisen mallin parissa.

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