Kosmisen mikroaaltotaustan ja kevyiden alkuaineiden syntyprosessin perusteella tiedetään, kuinka paljon maailmankaikkeudessa on ainetta, joka koostuu protoneista, neutroneista ja elektroneista. Vertaaminen gravitaation avulla havaittuun aineen määrään osoittaa, että valtaosa maailmankaikkeuden sisällöstä on tuntematonta: pimeää ainetta on nelin-viisinkertainen määrä tavalliseen aineeseen nähden. Galaksimme kelluu näkymättömässä, mutta hyvin raskaassa pilvessä.

Tai siltä ainakin tuntuu. Varmuuden saamiseksi tulisi löytää pimeä aine suoraan. Tehtävä on vaikea: näkymättömyydessä on kyse siitä, että vuorovaikuttaa valon kanssa heikosti. Toisin sanoen, koska valo on sähkömagneettista säteilyä, pimeän aineen sähkömagneettiset vuorovaikutukset ovat heikkoja. Tämä koskee myös vuorovaikutusta tavallisen aineen kanssa: pimeä aine liikkuu atomien lävitse kummankaan juuri huomaamatta.

Hiukkasfysiikan Standardimalli sisältää tällaisia heikosti vuorovaikuttavia hiukkasia, neutriinoja. Niitä kulkee kehojemme läpi jatkuvasti lähes valon nopeudella, 112 kappaletta kuutiosenttimetrissä. Neutriinot sopisivat kauniisti pimeäksi aineeksi. Taivaalla tehdyt havainnot selittyisivät niillä näkymättömillä hiukkasilla, joita maanpäälliset kokeet osoittavat olevan olemassa - neutriinot havaittiin jo 1950-luvulla.

Nykyään kuitenkin tiedetään, että neutriinot ovat liian kevyitä, jotta ne voisivat olla pimeää ainetta. Kevyet hiukkaset liikkuvat nopeasti paikasta toiseen, ja niiden matkailu häiritsee stabiilien rakenteiden muodostumista. Galaksiryppäiden kehityksestä voi päätellä, että pimeä aine liikkuu hitaasti.

Tämä epäonnistuminen on hieno saavutus. Osoittamalla, että Standardimalli ei pysty selittämään pimeää ainetta, on löydetty jotain uutta maailmasta. Sen sijaan, että kosmologiset havainnot olisivat vain varmentaneet jotain mitä tiedettiin, ne ovat avanneet ikkunan tuntemattomaan.

Mutta vaikka ikkunasta voi kurkistaa, siitä on vaikea mennä. Monet kosmologiset havainnot vaativat pimeää ainetta, mutta mikään niistä ei ole kertonut, millaista se tarkalleen ottaen on. Hiukkasfysiikan kannalta tarvitaan vain hiukkanen, joka on tarpeeksi raskas ja vuorovaikuttaa heikosti. Teorioitahan fyysikot osaavat tuottaa, eikä tämä ole vaikeimmasta päästä, joten ehdokkaita on pilvin pimein.

Henkilökohtaisesti pidän sellaisista kandidaateista, joita ei ole keksitty vain pimeää ainetta silmälläpitäen. Teoreettiselta kannalta on suotavaa, että hiukkanen olisi osa jotain selkeää Standardimallin laajennusta. Kokeelliselta kannalta on bonusta, jos malli selittää muutakin kuin ne painovoimahavainnot, joita varten pimeää ainetta tarvitaan.

Standardimallin laajennuksista epäilemättä suosituin on Minimaalinen Supersymmetrinen Standardimalli (MSSM). Ideana on, että Standardimalliin lisätään uusi symmetria, josta seuraa jokaiselle Standardimallin hiukkaselle partneri, jolla on sama massa ja sähkövaraus. Tällaiset supersymmetriset partnerit olisi helppo nähdä, mutta niitä ei ole koskaan havaittu. Aukon voi paikata rikkomalla symmetrian niin, että partnerien massa on isompi kuin tavallisten hiukkasten, jolloin niiden havaitseminen vaikeutuu.

Supersymmetriasta, ja symmetrioista fysiikassa yleensä, ehkä joskus toiste enemmän. Tässä yhteydessä oleellista on vain, että fotonin supersymmetrinen partneri on oiva kandidaatti pimeäksi aineeksi. Kuulostaa ehkä oudolta, että valohiukkasen pari olisi pimeä, mutta jos fotonille antaisi massan, niin sen vuorovaikutuksista näkyvän aineen kanssa tulisi hyvin heikkoja. Itsensä kanssa valo vuorovaikuttaa heikosti jo valmiiksi: valonsäteet kulkevat toistensa läpi häiriintymättä (aivan kuten pimeä aine tavallisen aineen läpi).

MSSM:n tutkiminen on eräs pian käynnistyvän LHC:n odotetuimpia tavoitteita. Supersymmetrisillä hiukkasilla olisi kyllä tähän mennessä ollut useita muita tilaisuuksia näyttäytyä, mutta mitään ei ole löydetty. Saattaakin olla, että Standardimallin tuolla puolen on jotain aivan muuta.

Olen hivenen mieltynyt teoriaan, jossa Standardimalli täydennetään lisäämällä siihen niinsanotut oikeakätiset neutriinot. Standardimallin ainehiukkasilla on kaksi osasta, jotka muuttuvat toisikseen peilatessa, niinkuin oikea ja vasen käsi. Ainoa poikkeus ovat neutriinot, joita on vain vasenkätisinä. Jos tilanteen korjaa, oikeakätiset neutriinot tarjoutuvat pimeäksi aineeksi yhtä luontevasti kuin niiden vasenkätiset parit aikoinaan, sillä erolla, että nämä voivat olla tarpeeksi raskaita sopiakseen yhteen havaintojen kanssa.

Supersymmetrian ja oikeakätisten neutriinojen selittäminen kunnolla vaatisi omat merkintänsä, muista malleista puhumattakaan, mutta tämä riittäköön tästä. Ensi merkinnässä kirjoitan siitä, miten eri ehdokkaat voi kokeellisesti erottaa - ja ylipäänsä todistaa, että pimeää ainetta on olemassa.

Kommentit (4)

MrrKAT

T+A:ssa oli juttu että gammasäteet ei vaimenekaan kaukaisista galakseista juurikaan eli fotoneja on vähän universumissa. Eniten siinä mua hämmenti se, että "kevyet"(vähäenergiset) fotonit ylipäänsä voisivat pysäyttää "raskaan sarjan" gammasäteilyä muttei itse 3K:ta ym kevyen sarjan fotoneja? Tajusinko väärin?

Syksy Räsänen

Pääsääntöisesti en vastaa kysymyksiin, jotka eivät liity blogimerkinnän aiheeseen.

Kiekkoja ja palloja - blogit -...

[...] eikä siihen voi koskea. Jos pimeää ainetta on olemassa, niin se koostuu toistaiseksi tuntemattomista hiukkasista. Useat seikat viittaavat pimeän aineen olemassaoloon. Ne kaikki liittyvät pimeän aineen [...]

Odotettuja törmäyksiä | Tiede.fi

[...] mukaan “kansainvälinen tutkimusryhmä uskoo tehneensä ensimmäisen havainnon” pimeän aineen hiukkasista. Kyse ei ole Maapallon kiertoradalla havaituista positroneista, joiden avulla pimeä aine [...]

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