Salaperäisillä neutriinoilla, massattomiksi luulluilla alkeishiukkasilla, on kuin onkin massa, vakuuttavat yhdysvaltalaistutkijat. Massallisina neutriinot voivat myös muuttua toisikseen. Nämä kaksi asiaa tekevät neutriinoista universumin mahtitekijän. Ehkä aine ja antiaine olisivat tyystin hävittäneet toisensa alkuräjähdyksen jälkeen ilman neutriinojen väliintuloa.


on kuin onkin massa, vakuuttavat yhdysvaltalaistutkijat. Massallisina
neutriinot voivat myös muuttua toisikseen. Nämä kaksi asiaa tekevät
neutriinoista universumin mahtitekijän. Ehkä aine ja antiaine olisivat
tyystin hävittäneet toisensa alkuräjähdyksen jälkeen ilman neutriinojen väliintuloa.

Sisältö jatkuu mainoksen alla

Julkaistu Tiede-lehdessä 3/2004

Sisältö jatkuu mainoksen alla

Neutriinot kiitävät villeinä ja vapaina pitkin avaruutta lävistäen seiniä ja planeettoja kuin näkymättömät haamut. Ne eivät jää atomien vangeiksi. Sinäkään et huomaa, miten satatuhatta miljardia tuskin atomin ytimen tuhannesosan kokoista hiukkasta tunkeutuu ihoosi joka ainoa sekunti.


Neutriinoja on ollut olemassa käytännöllisesti katsoen aina, sillä niitä syntyi ydinreaktioissa heti alkuräjähdyksen jälkeen ja niitä syntyy jatkuvasti lisää esimerkiksi tähtien säteilyn sivutuotteena.


Onneksi jatkuva neutriinosuihku ei vaaranna terveyttämme. Neutriinojen pysäyttämiseen tarvittaisiin nimittäin valovuosien paksuinen lyijyseinä, ja siksi niiden näkökulmasta me olemme pelkkää tyhjää - samoin planeetat ja tähdet.


Meille neutriinot ovat kuitenkin tärkeitä. Jollei niitä olisi, tähdet eivät loistaisi. Ei olisi maapalloa eikä meitä. - Jos haluamme ymmärtää universumia, meidän on ymmärrettävä neutriinoja, korostaakin neutriinoseminaarissa luennoinut Boris Kayser, joka on Chicagossa sijaitsevan Fermin kansallisen kiihdytinlaboratorion tutkija.


Iloitkaamme siis pikkuriikkisistä neutriinoista, jotka ovat maailmankaikkeuden toiseksi yleisimpiä hiukkasia; vielä yleisempiä ovat vain valohiukkaset eli fotonit. Jokaista protonia, elektronia ja neutronia kohti on neutriinoja peräti miljardi. Nyt tiedetään, että niillä on massaakin, joten joukkovoimallaan ne voivat muokata ympäristöään.



Neutriinon tarina alkoi 1932. Silloin Wolfgang Pauli ehdotti, että täysin uudenlainen, näkymätön, massaton ja varaukseton hiukkanen selittäisi, miksi radioaktiivisessa beetahajoamisessa näyttää syntyvän vähemmän energiaa kuin teoriassa pitäisi. Näin Pauli sai pelastetuksi yhden fysiikan peruspilarin eli energian säilymisen periaatteen.


Pauli itse myönsi, että vain epätoivoinen fyysikko ehdottaa uutta hiukkasta, jota ei voi havaita. Kukaan ei nimittäin olettanut, että massaton ja varaukseton neutriino jättäisi jälkensä mittariin.


Mutta mahdottomaksi väitetty temppu kannusti monia yrittämään. 1956 Fred Reines ja Clyde Cowan rakensivat neutriinoilmaisimen erään ydinvoimalan lähelle. Uraanin hajotessa kevyemmiksi ytimiksi tapahtuu nimittäin runsaasti beetahajoamisia, joissa syntyy neutriinoja.


Reines ja Cowan onnistuivatkin havaitsemaan neutriinon. Sitä alettiin nimittää elektronin neutriinoksi, koska se esiintyy reaktioissa yhdessä elektronin kanssa.


Elektronilla on lisäksi kaksi isoveljeä, myoni ja tau, jotka muistuttavat elektronia mutta ovat paljon raskaampia. Emme tapaa niitä arkielämässä, sillä ne hajoavat nopeasti muiksi hiukkasiksi. Hajotessaan ne synnyttävät omia neutriinojaan. Myonin neutriino löytyikin vuonna 1962 mutta taun neutriino vasta hiljattain.



Neutriinoja on siis kolmea lajia. - Kussakin neutriinossa on kuitenkin samaan aikaan jokaisen neutriinon ominaisuuksia, jatkaa Boris Kayser ja heijastaa seuraavan dian taululle.


Mitä? Kurottaudun tihrustamaan tekstiä noin sadan kuuntelijan selän yli.


Taululla lukee, että myonin ja taun neutriinot eivät ole tietynmassaisia hiukkasia. Sen sijaan kumpikin rakentuu erimassaisista osista, joiden suhde muuttuu neutriinon liikkuessa. - Kun neutriino liikkuu tietyllä energialla, sen raskaimmat osat jäävät jälkeen, eikä myonin neutriino olekaan enää myonin neutriino vaan myonin ja taun neutriinojen sekoitus, Kayser selittää. Matkan taittuessa sekatila muuttuu taun neutriinoksi.


Kuulostaa oudolta, mutta taidan ymmärtää: pikkuriikkisen neutriinon tekemisiä hallitsee kvanttifysiikka epämääräisyyksineen, joten sama neutriino voi olla joko elektronin, taun tai myonin neutriino.


Tätä neutriinojen muuttumista toisikseen ja takaisin nimitetään oskillaatioksi. Muuttuminen tapahtuu sitä varmemmin, mitä pidempään neutriinot ovat matkanneet avaruudessa.



Laboratorioissa, joissa käytetään keinotekoisia neutriinolähteitä, matkat ovat lyhyitä. Siksi oskillaatioiden todennäköisyys on pieni. Auringosta tänne asti matkaava neutriino ehtii sen sijaan mainiosti vaihtaa tyyppiään matkalla - itse asiassa jo Auringon sisällä.


Neutriinojen oskillaatio pelastikin päivänpaisteen aivan hiljattain. Jo vuonna 1968 oli näet huomattu, että Auringosta tulee vain kolmannes niistä neutriinoista, joita sen säteilyn tuottaminen teoriassa edellyttää. Oli siis syytä epäillä, ettei auringonpaisteen alkuperää ymmärretty kunnolla. Toinen vaihtoehto oli, että matkalla Maahan Auringon neutriinoille tapahtuu jotakin.


Kesällä 2001 kanadalaiset fyysikot ilmoittivat havainneensa, että Auringon elektronin neutriinot muuttuvat muiksi, vaikeammin havaittaviksi neutriinoiksi. Siksi elektronien neutriinoja siis rekisteröitiin odotettua vähemmän. Yli 30-vuotinen mysteeri ratkesi.


Kayserin mukaan Auringon neutriinojen oskillaatiosta kertynyt näyttö on vahva, ja seminaarin neljä muuta esitelmöijää ovat samaa mieltä.


Löytö on niin merkittävä, että sille on jo povattu fysiikan nobelia.



Nyt tiedetään, että neutriinoilla on pakko olla ainakin pieni massa, koska ilman sitä oskillaatio ei olisi mahdollista. Oskillaatiohavaintojen mukaan massiivisimman neutriinon massa lienee vähintään kymmenesmiljoonasosa elektronin massasta.


- Vaikka yksittäisten neutriinojen massa olisi pienikin, kaikilla neutriinoilla on yhteensä yhtä paljon massaa kuin universumin tähdillä ja planeetoilla, sanoo Washingtonin yliopistossa työskentelevä John Wilkerson luennossaan.


"Uuden" massallisen hiukkasen rooleja on kiinnostavaa spekuloida. Ehkä niin sanottu pimeä aine, jota tähtitieteilijät ovat etsineet jo vuosikymmeniä, koostuukin neutriinoista? Käytännössä neutriinot riittäisivät kuitenkin kattamaan siitä enintään viidenneksen.


Joka tapauksessa maailmankaikkeuden alussa syntyneiden neutriinojen joukkovoima vaikutti ratkaisevasti universumin rakenteeseen. Kun alussa syntyneet neutriinot syöksyivät matkaan lähes valon nopeudella, ne tasoittivat universumiin muodostuneita pieniä epätasaisuuksia, joista myöhemmin kehittyi galakseja.


Tasoituksen määrä riippui neutriinojen massasta. Niinpä universumin suuren mittakaavan kokkareisuus kertoo neutriinoista ja päinvastoin. Universumin rakenteen perusteella onkin jo laskettu, että neutriinojen massan yläraja on viisi kertaa niin suuri kuin oskillaatiohavainnoista saadun massan alaraja. Palaset loksahtelevat kohdalleen.



- Neutriinon massasta vakuuttuminen on jo johtanut uusiin kysymyksiin, huomauttaa Boris Kayser. - Kysytään esimerkiksi, onko erilaisia neutriinoja vain kolme. Miksei neljää, 17:ää tai ääretöntä määrää?


Alkuräjähdysteorian ja universumin litiumin määrän perusteella voidaan päätellä, että neutriinoja voi olla enintään neljä. Universumin alun rakennetta kartoittaneista WMAP-satelliitin mittauksista näkyykin alustavasti neljännen neutriinon haamu. Myös Los Alamosin hiukkaskiihdyttimellä on saatu viitteitä neljännestä neutriinosta.


Neljäs, niin sanottu steriili neutriino olisi aivan erilainen kuin muut, sillä se ei liittyisi elektronin kaltaiseen hiukkaseen. - Elektronin, myonin ja taun neutriinoihin vaikuttaa sekä heikkovoima että vetovoima. Steriiliin neutriinoon vaikuttaisi sen sijaan pelkästään vetovoima, Kayser selittää. - Se on siis varsinainen haamuhiukkanen.


Tietysti tutkijoita kiinnostaa myös neutriinojen tarkka massa ja se, miksi neutriinot ovat niin paljon kevyempiä kuin muut hiukkaset. - Jälkimmäisen kysymyksen vastaus saattaisi auttaa ymmärtämään massan alkuperää laajemminkin.



Kayser kysyy myös, ovatko neutriinot syy siihen, että olemme olemassa.


Alkuräjähdyksessä muodostui näet yhtä paljon sekä ainetta että antiainetta, ja nämä tuhoavat toisensa yhdistyessään. Jäljellä ei siis pitäisi olla mitään. Me kuitenkin olemme täällä.


- Neutriinojen ja aineen välinen vuorovaikutus ehkä tuotti universumin alkutilaan epätasapainon aineen eduksi, Kayser pohtii. Tämä saattoi johtua esimerkiksi siitä, että antineutriino ja neutriino oskilloivat eri tavoin. Voimme siis olla neutriinojen lapsia.


Leena Tähtinen on tähtitieteen dosentti, vapaa tiedetoimittaja ja Tiede-lehden vakituinen avustaja.

Sisältö jatkuu mainoksen alla