Cernin julkistama koe osoitti yllättäen, että neutriinot liikkuisivat valoa nopeammin. Onko kyseessä virhe vai vihje useammista ulottuvuuksista? Se selviää ehkä vasta kuukausien tai vuosien kuluttua.

Juuri nyt -sarja

Teksti: Maria Korteila

Pitkästä aikaa koko maailma kohahti tieteellisen kokeen tuloksista. 23. syyskuuta Euroopan hiukkastutkimuskeskus Cern julkisti tuloksen, jonka mukaan neutriinot kulkisivat valoa nopeammin.

Sen pitäisi olla mahdotonta. Mikään ei liiku valoa nopeammin. Suhteellisuusteorian mukaan massattomat valohiukkaset eli fotonit kulkevat universumin suurimmalla mahdollisella nopeudella.

Yllättävä tulos saatiin Cernin ja sen yhteistyökumppanien Opera-kokeen sivutuotteena. Siinä neutriinoja ammuttiin Genevestä 732 kilometrin päähän italialaiseen tutkimuslaitokseen Gran Sassoon. 15 000 kertaa toistetuissa mittauksissa neutriinot näyttivät saapuvan perille 60 nanosekuntia nopeammin kuin valolta menisi samaan matkaan.

Kyseessä ei ole ensimmäinen kerta, kun neutriinojen on mitattu kulkevan valoa nopeammin. Aiemmin kuitenkin mittausvirheiden rajat ovat olleet niin laajat, ettei tulokseen ole voinut luottaa. Nyt tutkijat eivät löytäneet mitään syytä, joka voisi viedä yhtä isosti harhaan. Puoli vuotta yritettyään he päättivät julkaista tutkimuksen: jos vaikka joku muu löytäisi systemaattisen virheen lähteen.

"Syön kalsarini, jollei ole virhe"

Vaikka ajatus valon nopeuden ylityksestä kutkuttaa, suurin osa fyysikoista pitää todennäköisenä, että taustalta vielä paljastuu mittausvirhe. Yksi on lyönyt vetoa talostaan, toinen luvannut syödä kalsarinsa suorassa tv-lähetyksessä, jollei kyseessä ole erehdys.

Silti moni myös vähän toivoo, ettei virhettä olisikaan, sillä mikäpä olisi tieteelle mielenkiintoisempaa kuin täysin odottamaton tulos.

Suhteellisuusteoriaa on kuitenkin testattu niin moneen kertaan, että jos siinä olisi jotakin pahasti pielessä, johonkin epäilyttävään olisi pitänyt törmätä aiemminkin. Esimerkiksi supernovista peräisin olevia neutriinoja on tutkittu runsaasti, eikä niillä ole havaittu liian suuria nopeuksia.

On tiedossa, etteivät kaikki Albert Einsteinin teoreemat toimi atomitason mitoissa, mutta sellaisesta ei nyt ole kyse.

Mikä saattoi mennä vikaan?

Nopeus on matka jaettuna ajalla. Kummankin mittaamisessa voi olla ongelmia, sillä neutriinojen syntyhetkeä on vaikea määrittää. Ne syntyvät, kun parin metrin mittaista hiilitankoa pommitetaan protoneilla. Syntyy pioneja, joista syntyy neutriinoja. Mutta missä kohtaa ja milloin, kun kyse on nanosekunneista? Tutkijat ovat kuitenkin mielestään analysoineet virherajat, eivätkä ne riitä selittämään outoa tulosta.

Kannattaa myös pitää mielessä, ettei yksittäisiä neutriinoja voi havaita, vaan havainnot on tehty miljardeista neutriinoista koostuvista parvista.

Tutkimuksen julkaisemisen jälkeen tieteellisiä julkaisuja keräävään nettisivustoon arXiviin alkoi tulvia tulkintoja, ensimmäiset jo parin päivän kuluttua. Osa pyrkii selittämään ilmiötä teoreettisesti, osa pureutuu virhelähteiden etsimiseen.

Lokakuun puolivälissä julkisuutta sai esimerkiksi hollantilaisen fyysikon ja tekoälytutkijan Ronald van Elburgin selitys. Hänen mukaansa suhteellisuusteoriaa ei otettu huomioon, kun mittauksissa käytetyt kellot ajastettiin gps-satelliittien signaalien avulla. Elburgin laskujen perusteella ajan mittauksessa syntyisi näin juuri sen suuruinen virhe kuin neutriinojen etuaikaisuus oli. Tämä ehdotus kuitenkin vain lisäsi väittelyä.

Nyt odotetaan jatkoa

Tieteellinen tulos voi olla varma vasta, jos se voidaan toistaa muuallakin. Sekä Yhdysvaltain hiukkastutkimuslaitos Fermilab että Japanin hiukkastutkimuskeskus T2K aloittavat omat neutriinomittauksensa, mutta menee aikaa, ennen kuin niistä saadaan riittävästi irti. Myös mittaukset Italian Gran Sassossa jatkuvat.

Aluksi Fermilab käy läpi aiemmat mittaustuloksensa neutriinojen nopeuksien kannalta. Fermilab arvioi tämän jatkuvan toukokuulle. Kenties siis jo keväällä saamme valaistusta asiaan – puolesta tai vastaan.

Tai ehkä jo ennen sitä joku osoittaa aukottomasti, mikä aiheutti virheen Cernin mittauksissa.

Yksi seikka ei ainakaan ole muuttunut: valo kulkee edelleen valonnopeudella.

Neutriinoista sen sijaan on tullut entistäkin kuumempi tutkimusaihe. Jopa vuosikausia metsästetty Higgsin hiukkanen tuntuu jäävän neutriinojen varjoon.

Artikkelia varten on haastateltu teoreettisen hiukkasfysiikan professoria Jukka Maalampea Jyväskylän yliopistosta ja teoreettisen fysiikan dosenttia Iiro Viljaa Turun yliopistosta.

Lisää neutriinotutkimuksesta: Jos kaikki menee nappiin, maailmankaikkeuden arvoitus ratkeaa Suomen uumenissa, Tiede 8/2011 tai tiede.fi/arkisto

Entä jos se on totta?

Fyysikoilla on muutama spekulatiivinen selitys takataskussa:

1 Ulottuvuuksia onkin enemmän

Säieteoriat ja muut modernin fysiikan uudet teoriat esittävät, että ulottuvuuksia on paljon enemmän kuin tutut kolme tilaulottuvuutta ja aika. Meidän neliulotteinen todellisuutemme voi olla viidennelle ulottuvuudelle kuin kaareutuva pinta. Neutriinot ovat voineet "oikaista" viidennen ulottuvuuden kautta ja siksi saapua perille etuajassa.

2 Neutriinot ovatkin takioneja

Takioni on oletettu hiukkanen, jolla on imaginäärinen massa. Siksi se liikkuisi valoa nopeammin eikä edes voisi liikkua valoa hitaammin. Takionin massan neliö olisi negatiivinen luku, mitä on ehkä vielä vaikeampi hahmottaa kuin ylimääräisiä ulottuvuuksia. Neutriinoilla saattaa olla takionimaisia ominaisuuksia tai ne voivat muuttua takioneiksi.

3 Lorentzin symmetria rikkoutuu

Suhteellisuusteoria perustuu Lorentzin symmetriaan, jonka mukaan fysiikan lait eivät riipu avaruuden suunnista eivätkä havaitsijasta, kunhan ei olla kiihtyvässä liikkeessä. Aika-avaruuden symmetrian rikkoutuminen tarkoittaisi esimerkiksi sitä, että syyn ja seurauksen lait eivät pätisi ja ajan suunta riippuisi havaitsijasta. Voisi kuitenkin olla, että rikkoutuminen tapahtuisi vain neutriinojen kohdalla eikä vaikuttaisi muuhun fysiikkaan.

Alkeishiukkasten outo lintu

Jokainen meistä tietänee jonkun omalaatuisen tyypin, joka aiheuttaa aina hämminkiä ja päätyy joskus jopa otsikoihin.

Neutriino on sellainen – hiukkasfysiikan pikku häirikkö. Se on lähes massaton alkeishiukkanen, mutta ei kuitenkaan täysin massaton, vaikka niin aluksi luultiin. Se ei juuri ole tekemisissä minkään kanssa, mutta on kuitenkin hiukan. Neutriinot reagoivat hitusen gravitaatioon ja alkeishiukkasten heikkoon vuorovaikutukseen.

Neutriinon alalajeja on kolme: elektronin, myonin, ja taun neutriinot. Ne näyttävät pystyvän muuttumaan toisikseen ihan tuosta vain. Lisäksi saattaa olla olemassa niin sanottuja steriilejä neutriinoja, joiden massa on vielä pienempi ja jotka vuorovaikuttavat vielä vähemmän kuin tavalliset neutriinot.

Sähkövarausta neutriinoilla ei ole, joten ne eivät reagoi sähkö- ja magneettikenttiin. Neutriinoja voi tuottaa ja havainnoida vain välillisesti. Kaikkein vähiten pystymme itse aistimaan, että joka sekunti lävitsemme kulkee tuhansia miljardeja neutriinoja, jotka ovat peräisin Auringon ydinreaktioista.

Neutriinot kuitenkin synnyttävät muita hiukkasia, joita on mahdollista havaita. Yhdysvaltalainen tutkimusryhmä teki ensimmäiset kokeelliset havainnot neutriinoista vuonna 1956, ja löytö palkittiin fysiikan Nobelin palkinnolla vuonna 1995.

Neutriinojen avulla etsitään myös vastausta kysymykseen, miksi universumi on olemassa eli miksi ainetta on enemmän kuin antiainetta.

Haamuhiukkasiksi kutsunut neutriinot voivat yllättää meidät vielä moneen kertaan. 

Julkaistu Tiede-lehdessä 11/2011