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.

Kommentit (1)

Tiedon häntää - blogit - Tiede.fi

[...] syyskuussa OPERA-koe ilmoitti havainneensa neutriinojen matkanneen CERNistä 730 kilometrin päähän Gran Sasson laboratorioon nopeammin kuin mitä valo [...]

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