Nykyaikaiset hiukkaskiihdyttimet ovat kehittyneitä työkaluja, joiden rakentaminen kestää kauan ja maksaa paljon. Kiihdytinten ideana on saattaa hiukkasia suuriin nopeuksiin, jotta nähtäisiin mitä tapahtuu kun korkeaenergiset hiukkaset törmäävät. Kiihdyttimet eivät kuitenkaan ole ainoa keino tämän tutkimiseen: Maapallolle saapuu koko ajan avaruudesta korkeaenergisiä sähköisesti varattuja hiukkasia, joita sanotaan kosmisiksi säteiksi. Suurin osa niistä on arkisia protoneita, seassa on myös jonkin verran raskaampia atomiytimiä ja elektroneita. Hyvin pieni osa kosmisista säteistä on antihiukkasia: antiprotoneita ja elektronin antihiukkasia.

Itse asiassa ensimmäiset antihiukkaset on havaittu juuri kosmisten säteiden avulla. Kvanttimekaniikan ja suppean suhteellisuusteorian yhdistämisen ensiaskelia oli Paul Diracin vuonna 1928 muotoilema ja nykyään hänen nimeään kantava yhtälö, joka kuvaa elektronia. Vuoteen 1931 mennessä oivallettiin, että yhtälön mukaan elektronin lisäksi on olemassa myös hiukkanen, joka on muuten tismalleen samanlainen kuin elektroni, paitsi että sen sähkövaraus on positiivinen eikä negatiivinen. Seuraavana vuonna, 1932, havaittiin, että taivaalta tosiaan sataa tällaisia hiukkasia, ja niiden nimeksi annettiin positroni. Myöhemmin muitakin hiukkasia löydettiin kosmisista säteistä ennen kuin hiukkaskiihdyttimistä tuli pääasiallinen tapa uusien hiukkasten etsimiseen.

Toisin kuin kiihdyttimissä, kosmisten säteiden tapauksessa ei tarvitse huolehtia hiukkasten saattamisesta suuriin nopeuksiin, pitää vain rakentaa laite jolla niitä havaitaan. Tässä on myös kosmisten säteiden heikkous fysiikan luotaamisen kannalta: ei voida vaikuttaa siihen, millaisia hiukkasia tulee ja kuinka paljon. Myöskään törmäyskohteita ei voi valita. Kosmisten säteiden saapuessa Maapallolle ne törmäävät niihin molekyyleihin, mitä ilmakehässä on. Törmäyksessä syntyy uusia hiukkasia, jotka nekin puolestaan törmäävät ilmakehän molekyyleihin, niin että ketjureaktiona muodostuu iso hiukkasryöppy. Toisin kuin kiihdyttimissä, törmäys ei tapahdu detektorin sisällä, mutta sitä voi mitata kahdella tavalla. Voi joko katsoa pimeään aikaan taivaalle ja nähdä törmäyksistä syntyvän valon tai mitata maan päälle (tai avaruudessa olevaan detektoriin) saapuvia sähköisesti varattuja hiukkasia sopivalla laitteella. Näin saadaan tietoa siitä, millaisia kosmiset säteet ovat ja miten hiukkaset käyttäytyvät korkeilla energioilla.

Nykyään kiihdyttimet ovat ylivertaisia uusien hiukkasten löytämisessä, joten kosmisia säteitä tutkitaan lähinnä sen takia, että opittaisiin jotain siitä, mistä ne ovat tulleet ja miten ne ovat matkanneet. Kaksi erityistä mielenkiinnon kohdetta ovat hyvin korkeaenergiset kosmiset säteet ja antihiukkaset, molemmat harvinaisia tapauksia kosmisten säteiden joukossa.

Korkeaenergisimpien Maapallolle saapuvien kosmisten säteiden energia on noin kymmenen miljoonaa kertaa isompi kuin LHC:ssä kiertävien protoneiden energia. LHC:ssä kuitenkin molemmat törmäyksen osapuolet liikkuvat hyvin nopeasti, kun taas kosmisten säteiden tapauksessa ilmakehän hiukkasten liike-energia on mitättömän pieni. Tämän takia törmäysenergia on korkeimmillaan vain vajaa sata kertaa isompi kuin LHC:ssä. Näitä erittäin korkeaenergisiä hiukkasia saapuu Maapallolle noin yksi per vuosisata per neliökilometri. Neliökilometrejä Maapallolla kuitenkin riittää, suurin kosmisten säteiden havaintoasema, Pierre Auger -observatorio, tarkkailee 3000 neliökilometrin kokoista aluetta.

Ennen LHC:n käynnistämistä julkisuudessa esitettiin pelkoja siitä, että sen korkeaenergiset törmäykset tuhoaisivat Maapallon tavalla tai toisella. Mahdollista uhkaa oli itse asiassa pohditty jo aiempien kiihdyttimien kohdalla, kauan ennen LHC:tä. Eräs kiihdyttimien turvallisuuden puolesta esitetty argumentti on se, että Aurinkokunnassa on tapahtunut yhtä rajuja törmäyksiä kosmisten säteiden kanssa vaikka kuinka paljon, eikä mitään katastrofia ole tapahtunut.

Muutama vuosi sitten hyvin korkeaenergiset kosmiset säteet saivat paljon huomiota, koska niitä näytti tulevan Maapallolle paljon odotettua enemmän. Tätä pidettiin hyvin kiinnostavana, koska erittäin korkeaenergiset hiukkaset törmäävät kosmisen mikroaaltotaustan fotoneihin ja hajoavat viimeistään noin sata miljoonaa valovuotta matkattuaan. Niitä pitäisi siis saapua Maapallolle erittäin vähän, ainakin jos ne ovat syntyneet hyvin kaukana meistä. Ei ole yksimielisyyttä siitä, mikä prosessi maailmankaikkeudessa kiihdyttää hiukkasia näihin valtaviin energioihin, mutta yleisesti ajatellaan, että se tapahtuu kosmologisten etäisyyksien päässä, ei lähiseuduilla.

Ongelmaan ehdotettiin erilaisia eksoottisia ratkaisuja, kuten sitä, että spekulatiivisten kvanttigravitaatioefektien takia hiukkasten nopeuden ja energian suhde ei vastaakaan suppean suhteellisuusteorian ennustetta. Toinen mahdollisuus olisi, että korkeaenergisiä kosmisia säteitä syntyisi pimeän aineen hajotessa oman galaksimme tienoilla. Uudempien havaintojen valossa näyttää kuitenkin todennäköiseltä, että kyseessä oli mittausvirhe ja hyvin korkeaenergisiksi luultujen hiukkasten energiat ovatkin odotetuissa rajoissa.

Mitä tulee toiseen mielenkiinnon kohteeseen, antihiukkasiin, niitä odotetaan syntyvän pimeän aineen hiukkasten annihiloituessa antihiukkastensa kanssa galaksin keskustassa ja muissa paikoissa, missä pimeän aineen hiukkasia arvellaan olevan paljon. Niinpä Maapallolle saapuvien antihiukkasten määrä voi olla signaali pimeästä aineesta. Kosmisiin säteisiin liittyviä havaintoja tulee esille tuon tuosta, viime vuosien eniten huomiota saanut tapaus oli PAMELA-satelliittikokeen havainnot. Antihiukkasia tulee kuitenkin myös tavanomaisemmista lähteistä, kuten supernovien jäänteistä, ja on vaikea sanoa varmasti, onko kyseessä todella pimeä aine. Haluttaisiin, että asia voitaisiin varmentaa kosmisten säteiden lisäksi näkemällä myös annihilaatiosta tuleva valosignaali. Eräs tällainen valonhehku galaksin keskustasta onkin raportoitu viime huhtikuussa, mutta asia on vielä epävarma, ja se onkin sitten jo toinen tarina.

Päivitys (01/11/12):  Olisin voinut mainita, että kosmisten säteiden löytämisestä tuli tänä vuonna kuluneeksi sata vuotta. Löydöstä voi lukea lisää CERN Courierin kiintoisasta artikkelista, jonka ingressi on seuraava:

Physicists were reluctant to abandon the hypothesis of a terrestrial origin for a mystery penetrating radiation, even when experiments above water showed a clear independence from radioactivity in the Earth’s crust.

Kommentit (6)

Vasuri

Hyvä kirjoitus. On mukava taas lukea näinkin paljon tiedettä liippaavaa tekstiä! Lisää tällaista sisältöä nettilehteenne!

Metusalah

Joo. Todella mielenkiintoinen tiedepläjäys; Syksy on alan miehiä! Sattumoisin juuri tämän päivän Hesarissa (31.10. s A6) on artikkeli Pyhäjärvellä mahdollisesti toteutettavasta "suuresta neutriinokokeesta" noin kymmenen vuoden kuluttua. Kansainvälinen projekti on kallis ja vaatii toteutuakseen Suomessa poliittisen päätöksen. Johtaja Eelis Kokko Oulun yliopistosta sanoo: "Hanketta varten pitäisi perustaa ministeriöiden yhteinen työryhmä ja sille arvovaltainen vetäjä."

En ole ihan varma siitä, onko tämä kirjoitukseni nyt täysin metsässä blogin aiheeseen nähden, mutta eikös Syksy Räsänen olisi varsin mallikelpoinen ehdokas tämän Pyhäjärvi-projektin vetäjäksi? Virkaikääkin olisi hänellä jäljellä niin paljon, ettei hankkeen vetäjää tarvitsisi vaihtaa kesken kaiken. Syksy on myös yhteiskunnallisesti suuntautunut ihminen, joten eri intressipiirien linkit ovat hänellä varmaankin hallinnassa.

Syksy Räsänen

Metusalah:

Pyhäjärven kokeen tieteelliseen johtoon tarvittaisiin minua ansioituneempi ja enemmän neutriinoja ja kokeellista fysiikkaa tunteva henkilö.

Loistava keskusta - blogit - T...

[...] kosmisista säteistä kirjoittaessani, että niitä käytetään pimeän aineen etsimiseen. Ideana on se, että [...]

Jukka Kytilä

4 vastausta artikkeliin “Vieraita avaruudesta”, -ja vain kolme viestiä näytettiin...-taisi jäädä oma taannoinen viestini näyttämättä jostain syystä..., no väliäkös tuolla niin...
Hyvä ja valaiseva kirjoitus oli tämäkin.
-Mutta tuohon pimeän aineen olemassaoloon kajoaisin sen verran että pimeää ainetta sanotaan olevan eniten glaksiryhmien tienoilla.
-Myös tässä veikkaan, että tästä eteenpäin tullaan Milky Wayn keskustasta näkemään tuota valohehkua lisääntyvässä määrin...

Jutunkerrontaa - blogit - Tied...

[...] mittaa sähköisesti varattuja hiukkasia ja antihiukkasia (eli kosmisia säteitä), lähinnä elektroneja, positroneja, protoneita ja antiprotoneita. Koe pitää lukua siitä [...]

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