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.

Kommentit (0)

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