Jahti galaksien näkymättömän massan kintereillä kiihtyy. Epäiltyjen hiukkasten listalle ovat nousseet neutraliino, gravitiino ja tekniwimp.Ne ovat olemassa ainakin teoriassa.

Teksti: Anne Liljeström

Jahti galaksien näkymättömän massan kintereillä kiihtyy. Epäiltyjen hiukkasten listalle ovat nousseet neutraliino, gravitiino ja tekniwimp.Ne ovat olemassa ainakin teoriassa.

Julkaistu Tiede -lehdessä 12/2010

Pimeän aineen metsästäminen on kuin etsisi mustaa eläintä pimeässä huoneessa, kuvailee tähtitieteilijä Chris Flynn Turun yliopiston Tuorlan observatoriosta. – Emme tiedä, onko siellä kissoja, laumoittain kärpäsiä vai elefantti, mutta olemme melkoisen varmoja, että jokin eläin siellä on!

Pimeä aine tuli löytyneeksi sattumalta, kun sveitsiläinen tähtitieteilijä Fritz Zwicky tutki Coman galaksijoukkoa vuonna 1933. Hän määritti galaksirypään massan mittaamalla yksittäisten galaksien liikkeet joukon reunoilla ja havaitsi jotain hämmentävää. Galaksijoukon massa oli noin 170 kertaa suurempi kuin joukon kirkkaus ja galaksien lukumäärä antoivat odottaa. Zwicky ehdotti, että galaksijoukossa oli jonkinlaista näkymätöntä ainetta, jonka painovoima piti joukon koossa ja selitti galaksien liikkeet.

Zwickyn havaintoja seuranneiden 80 vuoden aikana samantyyppisiä havaintoja on tehty lisää. Galaksit pyörivät kummallisesti, aivan kuin niitten reunamilla piileskelisi valtavia määriä näkymätöntä ainetta. Galaksijoukot taas taivuttavat takaansa tulevaa valoa aivan liian voimakkaasti, jotta näkyvät galaksit voisivat saada moisen aikaan.

Näkymätön massa vaikuttaa

Helsingin yliopiston hiukkastutkija Andrea Ferrantelli vertaa pimeän aineen hiukkasen etsimistä mustien aukkojen havaitsemiseen. – Mustaa aukkoakaan ei kykene havaitsemaan suoraan, koska se ei säteile, hän kuvailee. – Sen olemassaolon voi päätellä vain siitä, että sen ympärillä kiertää tähtiä ja kaasua valtavaa vauhtia. Mitään ei näy, mutta silti voidaan päätellä, että juuri sillä kohdalla on valtavan suuri massa.

Pimeän aineen olemassaolo näkyy myös kaikkialla avaruudessa vaikuttavassa kosmisessa taustasäteilyssä. WMAP-satelliitti, Wilkinson Microwave Anisotropy Probe, on mitannut maailmankaikkeuden ensimmäisten hetkien kaikuja koko 2000-luvun alun ajan. Tulokset vetävät alan tutkijan nöyräksi.

Kuvittelimme jo tuntevamme melko hyvin maailmankaikkeuden ja sen galaksit, kaasusumut ja tähdet. WMAP paljasti, että kaikki tämä niin sanottu baryoninen aine muodostaa vain 5 prosenttia kaikesta universumin massasta ja energiasta. Pimeää, ei-baryonista ainetta on noin 23 prosenttia – siis viisinkertaisesti tavallisen aineen määrä. Loput 72 prosenttia on tuntematonta pimeää energiaa, joka saa universumin laajenemaan kiihtyvällä nopeudella.

Mitä pimeä aine sitten oikeasti on, on kiihtyvän tutkimuksen kohteena. Käynnissä on useita äärimmäisen tarkkoja kokeita, joiden uskotaan tuovan viimeinkin valoa mysteeriin. Tähän mennessä on jo osoittautunut, että pimeää ainetta on montaa laatua.

Himmeät tähdet eivät riittäneet

Ensin ajateltiin, että pimeä aine olisi jotain tavanomaista ainetta, joka ei säteile havaittavissa määrin. Nykytekniikalla havaittavissa kun on vain viidennes normaalistakaan aineesta. Epäiltyjen penkillä oli pieniä ja himmeitä tähtiä, mustia aukkoja sekä ruskeita kääpiöitä, jotka ovat eräänlaisia epäonnistuneita tähtiä.

– Kesti noin kymmenen vuotta käydä läpi se mahdollisuus, että pimeä aine voisi selittyä näin, Flynn sanoo. Ilmeisesti hyvin pieni osa pimeästä aineesta todella on tällaista tavallista, heikosti säteilevää ainetta, kuten himmeitä tähtiä ja galaksienvälistä kaasua. Niitä ei kuitenkaan ole tarpeeksi. Pimeää ainetta tarvitaan valtavia määriä.

– Tyypillisissä galakseissa on kymmenen kertaa enemmän pimeää kuin näkyvää ainetta. On myös löydetty galakseja, joissa pimeää ainetta on tuhatkertainen määrä. Jolleivät tavalliset alkuaineet kelpaa pi­meäksi aineeksi, niin mikä sitten? Nyt on tultu siihen tulokseen, että lopun puuttuvan massan löytymiseksi on tarkasteltava erilaisia massiivisia, eksoottisia hiukkasia. Fyysikot etsivät parhaillaan jotakin sellaista, tuntemattomia hiukkasia, jotka pystyvät kulkemaan vaikka Maan läpi, Flynn kertoo. – Ne voisi – toivottavasti – havaita herkillä instrumenteilla.

Kylmää ja kuumaa

Hiukkasfyysikot ovat järjestelleet erilaiset pimeän aineen hiukkaskandidaatit kylmään ja kuumaan aineeseen sen mukaan, miten nopeasti ne liikkuvat. Kuumat hiukkaset liikkuvat liki valon nopeudella, ja niiden täytyy siis olla hyvin kevyitä. Kylmä pimeä aine liikkuu hitaasti. Sen nopeus on alle kymmenen prosenttia valon nopeudesta, ja sen hiukkaset ovat raskaita.

Kuumaa pimeää ainetta on jo löydetty. Neutriinot ovat huikeaa vauhtia kiitäviä alkeishiukkasia. Ne ovat tavallisen aineen kanssa vuorovaikutuksessa yksinomaan gravitaa­tion välityksellä, joten niiden havaitseminen on hyvin vaikeaa. Jokaisen ihmisen läpi pyyhältää noin 50 biljoonaa neutriinoa sekunnissa.

Neutriinoita on maailmankaikkeudessa niin valtavasti, että niiden massan on oltava hyvin pieni. Elektronitkin ovat köykäisiä, mutta vaikka neutriino painaisi vain kymmenestuhannesosan siitä mitä elektroni, koko universumi luhistuisi niiden massan alla.

Neutriinojen tarkkaa massaa ei vielä tunneta, mutta nekään eivät yksin voi selittää kaikkea pimeää ainetta. Pimeää ainetta nimittäin tarvitaan selittämään ensimmäisten tähtien ja galaksien muodostuminen, ja neutriinot liikkuvat aivan liian vikkelään ehtiäkseen osallistua näihin talkoisiin.

Kun universumi jäähtyi alkuräjähdyksen jälkeen, siinä oli pieniä lämpötilaeroja, joita WMAP mittasi kosmisesta taustasäteilystä. Kylmemmät alueet olivat tiheämpiä kuin kuumat, ja ne alkoivat imeä itseensä lisää vetyä, heliumia ja pimeää ainetta. Pimeä aine nopeutti tätä tiivistymistä, niin että ensimmäiset tähdet ja galaksit pääsivät muodostumaan.

Noin 90 prosenttia kaikesta pimeästä aineesta näyttää olevan tällaista kylmää ainetta: hitaasti liikkuvia, massiivisia hiukkasia, jotka vuorovaikuttavat heikosti ympäristönsä kanssa. Hiukkasfyysikot kutsuvat näitä hiukkasia nimellä wimp, weakly interacting massive particle. Vielä ei tiedetä, mikä hiukkanen sopisi tähän rooliin. On mahdollista, että kylmän pimeän aineen hiukkasiakin on useampaa kuin yhtä sorttia.

Vaka vanha malli

Wimpejä eli kylmää pimeää ainetta on etsittävä ensin teoreettisen hiukkasfysiikan puolelta. Jyvälle pääsemiseksi kannattaa kerrata hiukan hiukkasfysiikan alkeita.

Atomit koostuvat niiden ytimessä piileskelevistä neutroneista ja protoneista sekä ydintä kiertävistä elektroneista. Sekä protonit että neutronit koostuvat kolmesta kvarkista, elek­tronia taas ei voi jakaa pienempiin osiin.

Kvarkit ja elektronit ovat alkeishiukkasia. Ne kuuluvat jo 40 vuotta vanhaan ja hyvin palvelleeseen hiukkasfysiikan standardimalliin. Malliin sisältyy muutama muukin alkeishiukkanen, kuten kolme erilaista neutriinoa. Nämä hiukkaset ovat niitä rakennuspalikoita, joista kaikki aine rakentuu.

Näiden lisäksi malliin kuuluu välittäjähiukkasia, joista meille kaikkein tutuin on valohiukkanen eli fotoni. Standardimallin kaikki muut hiukkaset on jo löydetty, mutta superjulkkis Higgsin bosoni puuttuu vielä. Higgs on välittäjähiukkanen, jonka uskotaan antavan kaikille muille hiukkasille niiden massan. Sitä metsästetään Euroopan hiukkastutkimuskeskuksen Cernin uudella LHC-kiihdyttimellä, ja tuloksia odotetaan vuoden 2011 loppuun mennessä.

Kaksi tunnettua pimeän aineen komponenttia, tavallinen aine ja kuumat neutriinot, kuuluvat standardimalliin. Standardimalli voi myös tarjota yhden ehdokkaan kylmäksi pimeäksi aineeksi. Voisi nimittäin olla olemassa neljäs neutriino. Sellaisesta on juuri saatu vihiä Fermilabin hiukkas­ilmaisimessa, mutta löytö on vielä vahvistamatta. Neljännen neutriinon löytäminen on ollut vaikeaa, sillä se vuorovaikuttaa ympäristönsä kanssa ainoastaan gravitaation kautta.

Superpartnerit solmussa

Standardimalli ei ole täydellinen hiukkasmalli. Se ei nimittäin selitä gravitaatiota. Maailmankaikkeuden kaikkien perusvuorovaikutusten selittämiseen tarvitaan lisää teoriaa.

Yksi yritys yhdistää vuorovaikutukset on teoria supersymmetriasta. Se tarjoaa myös kandidaatteja pimeäksi aineeksi. Supersymmetria ennustaa, että jokaisella standardimallin hiukkasella on massiivinen hiukkastoveri, superpartneri. Fotonin raskas kaveri olisi nimeltään fotiino, Higgsin bosonilla olisi toverinaan higgsiino.

Suosikkiehdokkaat pimeän aineen rooliin ovat supersymmetriset hiukkaset gravitiino ja neutraliino, mallin mahdollisesti keveimmät hidut. Keveimmät eivät enää hajoa pienemmiksi ja olisivat siis riittävän vakaita täyttämään pimeän aineen tehtävät maailmankaikkeudessa.

Neutraliino on monimutkainen cocktail, joka syntyy, kun Higgsin bosonin, fotonin ja parin muun hiukkasen superpartnerit menevät kvanttimekaanisesti solmuun.

Gravitiino on gravitonin superpartneri. Gravitoni puolestaan on supersymmetriateoriassa samanlainen välittäjähiukkanen gravitaatiolle kuin fotoni on sähkömagnetismille.

– Gravitiino voisi olla hyvä wimp, jos se osoittautuu tämän mallin keveimmäksi hiukkaseksi, kuvailee Andrea Ferrantelli, joka tutkii gravitiinoja Helsingin yliopistossa. Gravitiino vuorovaikuttaa ainoastaan gravitaation välityksellä, joten sitä on hyvin vaikeaa havaita. – Se on siinä mielessä puhdas pimeän aineen hiukkanen, Ferrantelli kertoo. 

Hiukkasfyysikko Kimmo Kainulainen Jyväskylän yliopistosta korostaa, että hyvään kylmän pimeän aineen hiukkasen teoriaan vaaditaan tukeva pohja. – Hyvin perusteltu hiukkanen on aina osa suurempaa viitekehystä, hän sanoo. Tämä on juuri se syy, miksi supersymmetrian keveintä hiukkasta pidetään johtavana kandidaattina. Supersymmetriaahan ei keksitty pimeän aineen takia, vaan selittämään hiukkasfysiikan muita ongelmia.

Jos Higgsin bosonia ei löydy, ovat standardimalli ja supersymmetria vaikeuksissa. Moni uskoo Higgsin lopulta löytyvän, mutta koska kaikkeen halutaan varautua, painii joukko fyysikkoja jo erilaisten higgsittömien vaihtoehtojen kimpussa.

Yksi näistä malleista on Kainulaisenkin kehittelemä ”tekniväriteoria”. Se saa nimensä myös värivoimaksi kutsutusta vahvasta vuorovaikutuksesta. Tämän teorian mukaan Higgsin bosoni onkin yhdistelmä aiemmin tuntemattomia muita hiukkasia. Tekniväriteo­rian laajennus, kävelevä tekniväriteoria, ennustaa oman pimeän aineen hiukkasensa, tekniwimpin.

Katoava energia kielii wimpistä

Supersymmetrian wimp-ehdokkaat, neutraliino ja gravitiino, voitaisiin havaita LHC-kiihdyttimen törmäytyksissä. Käytännössä ne voidaan löytää siten, että törmäytettä­vien hiukkasten sekä törmäyksestä jälkeen jäävien­ hiukkasten liikemäärää ja energiaa verrataan toisiinsa.

Jos liikemäärää ja energiaa katoaa törmäyk­sessä jonnekin, voidaan päätellä, että sen on vienyt mukanaan törmäyksessä syntynyt, heikosti vuorovaikuttava hiukkanen. Se ei jää ilmaisimen haaviin vaan kulkee siitä läpi kuin Auringosta tulevat neutriinot ihmisestä.

Myös Higgsin bosonin pitäisi löytyä vuoden 2011 loppuun mennessä, kertoo Ferrantelli. Se sulkisi pelistä higgsittömät mallit ja samalla tekniwimpin.

Välähdystä etsimässä

Käynnissä on myös kokeita, joissa pyritään havaitsemaan merkkejä wimpien törmäyksistä tavalliseen aineeseen. Yksi tällainen koe on Italian Gran Sassossa käynnissä oleva Xenon. Kokeissa käytetään suuria määriä jotain hyvin puhdasta ja muilta ominaisuuksiltaan sopivaa alkuainetta, kuten ksenon-jalokaasua. Jos wimp sattuu törmäämään suoraan johonkin tämän aineen atomiytimeen, se voidaan havaita joko valontuikahduksena tai pikkuruisena tärähdyksenä. Mitä suurempia määriä ilmaisinainetta on käytössä, sitä todennäköisemmin törmäys voidaan havaita.Minnesotassa käynnissä oleva CDMS II -koe (Cryogenic Dark Matter Search) näytti jo havainneen pimeän aineen hiukkasen viime joulukuussa. Maanalaisen koetankin germaniumkiteeseen tärähti kahdesti jokin tuntematon hiukkanen, joka sopisi ominaisuuksiltaan pimeän aineen hiukkaseksi. Tuloksia ei ole kyetty vielä varmistamaan, mutta molemmille kokeille on tulossa jatkoa jo lähivuosina.– Uusien kokeiden herkkyys tulee olemaan kertaluokkia parempi, Kimmo Kainulainen kuvailee. – Ne kykenevät joko vahvistamaan tai lähes sulkemaan pois sen mahdollisuuden, että kevein supersymmetrinen tai teknivärihiukkanen on kylmää pimeää ainetta.Kaksi pimeän aineen komponenttia on siis jo löydetty: neutriinot sekä tavallisesta aineesta koostuvat himmeät tähdet ja galaksienvälinen kaasu. Kylmän pimeän aineen metsästys jatkuu, ja kiikarissa on heikosti vuorovaikuttava, massiivinen hiukkanen. Ehdokkaita on monta.– On liian aikaista laittaa rahat yhdellekään tietylle hevoselle, Kainulainen tuumaa.

Anne Liljeström on vapaa tiedetoimittaja.

Tästä kysymys:

Maailmankaikkeudessa on valtavasti massaa, jota emme ole toistaiseksi pystyneet havaitsemaan muuten kuin sen aiheuttaman painovoiman eli gravitaation kautta. Sitä on alettu kutsua pimeäksi aineeksi.

TEORIAT TARJOAVAT EHDOKKAITA

HIUKKASFYSIIKAN STANDARDIMALLI yhdistää tunnetut alkeishiukkaset ja vuorovaikutukset lukuun ottamatta gravitaatiota. Malliin kuuluvat keveät, nopeat neutriinot ovat kuumaa pimeää ainetta. Neljäs neutriino voisi sopia kylmäksi pi­meäksi aineeksi, jonka täytyy koostua hitaista massiivisista hiukkasista.

SUPERSYMMETRIATEORIA ennustaa, että jokaisella standardimallin hiukkasella on olemassa supersymmetrinen pari. Niistä neutraliino ja gravitiino ovat ehdolla kylmäksi pimäksi aineeksi.

TEKNIVÄRITEORIA yrittää selittää hiukkasten massat ilman Higgsin bosonia. Teoria väittää, että uusi vuorovaikutus, teknivärivoima, sitoo uudenlaisia hiukkasia, teknikvarkkeja. Se ennustaa oman tekniwimpin eli kylmän pimeän aineen hiukkasen.

Suomalaistutkija havaitsi, että maaseudun monimuotoinen luonto saattaa suojata koiria allergialta. Se antaa tukea biodiversiteettihypoteesille.

Kaupunkilaiskoirilla on enemmän allergioita kuin maaseudulla asuvilla. Vähiten allergioita on koirilla, jotka elävät maalla maalaismaiseen tapaan monilapsisessa, muitakin eläimiä omistavassa perheessä ja saavat ulkoilla vapaasti kotipihalla.

Tällaisia asioita koirista Jenni Lehtimäki sai selville väitöstutkimuksessaan, josta Helsingin Sanomat kertoo jutussaan.

Ihmisistä tosin ei samanlaista yhteyttä löytynyt allergioiden ja asuinpaikan väliltä.

Lehtimäki testasi biodiversiteettihypoteesia. Sen mukaan immuunijärjestelmämme häiriintyy ja allergian tapaiset tulehdusperäiset sairaudet lisääntyvät, kun ympäristön monimuotoisuus hupenee ja me altistumme entistä vähemmille luonnon mikrobeille.

Väitöskirja koostui neljästä tutkimuksesta, joista kaksi käsitteli lapsia ja kaksi lemmikkikoiria.

Kummassakaan lapsitutkimuksessa ei löytynyt merkittävää yhteyttä allergioiden ja ihon mikrobien tai luonnon monimuotoisuuden välillä.

Toisin oli lemmikkien laita. Koiranomistajille suunnatun kyslytutkimusken mukaan sairaimpia olivat kaupunkilaiskoirat, joista noin 17 prosentilla oli allergiaa. Maalla osuus oli viitisen prosenttia.

”Kysely osoittaa ensimmäistä kertaa urbaanin ympäristön ja muun nisäkkään kuin ihmisen allergian välisen yhteyden”, Lehtimäki kertoo.

Vielä selvemmän näytön tarjoaa neljäs tutkimus, johon osallistui yhteensä 170 labradorinnoutajaa ja suomenlapinkoiraa.

Se paljasti, että eniten allergioista kärsivät kaupungissa esimerkiksi kerrostalossa asuvat koirat, joilla on ”urbaani elämäntyyli”. Niiden hoidosta vastaa yksi ihminen, joka harrastaa monenlaista ja lenkkeilee paljon koiran kanssa.

Harvinaisimpia allergiat ovat maalaiseen tapaan maalla elävillä koirilla. Niiden iholla on viljalti ympäristöstä peräisin olevia bakteereja.

Lehtimäki ihmettelee, miksi ympäristön ja allergian yhteys tuli ilmi koirilla muttei lapsilla.

”Allergia on monimutkainen sairaus ja ihmiselämä on monimutkaista, mikä saattaa piilottaa ympäristön vaikutuksen”, hän miettii.

Täysin piiloon ihminen ei kuitenkaan jäänyt. Kyselytutkimuksessa paljastui, että jos allergia vaivaa koiraa, omistajakin on todennäköisesti allergikko. Tämä johtuu epäilemättä jostain yhteisestä tekijästä koiran ja omistajan elämäntavoissa tai ympäristössä.

”Maaseutumaisessa ympäristössä koiran ja ihmisen elimistö altistuu mikrobeille, jotka jollakin tavalla tukevat immuunijärjestelmän toimintaa”, Lehtimäki toteaa.

Kysely

Uskotko biodiversiteettihypoteesiin?

Tutustu sisältöön ja lue uusi lehti digilehdet.fi:ssä.

 

Tieteessä 2/2018 

 

PÄÄKIRJOITUS

Kun viha vie

Vihapuhuja ratsastaa alkukantaisella reaktiolla.

 

PÄÄUUTISET

Unissa puhutaan rumia

Myöntisen päiväminän takaa kurkkii
kielteinen yöminä – hyvästä syystä.

Alienkivi on yksi miljoonista

Tähtienvälisiä asteroideja syöksyy
aurinkokunnan läpi jatkuvasti.

Nykyihminen seikkaili
ulos Afrikasta useita kertoja

Yhden ulostulon malli ei enää mitenkään
istu Aasian löytöihin.

Korallit kalpenevat kiihtyvää tahtia

Lämpenevät vedet riistävät
polyypilta elintärkeän kumppanin.

 

ARTIKKELIT

Migreeni vyöryy aivorungosta

Kun sähköt sekoavat hermokeskuksessa,
kipuviestit kiihdyttävät aivot hälytystilaan.

Esinisäkkäät
Maailman valtiaat ennen dinosauruksia

Kehitys kohti meitä käynnistyi jo silloin,
kun maapallon mantereet olivat vielä yhtä.

Siittiöt hukassa

Enää hälytyskellot eivät kilise van kumisevat.
Miesten siittiömäärät ovat romahtaneet.

James Bond
Harmaa agentti hurmasi maailman

Vastoin odotuksia huomaamaton vakooja sai
valtavan huomion. Kohu teki fiktiosta faktaa.

Liikenne jättää tiet

Visio on villi muttei utopiaa. Jokainen sopiva
maapala tarvitaan luonnolle ja ruoalle.

Ennen paras mies oli poikamies

Naiset ja seksi eivät ole aina olleet miehen mitta.
Elämän tärkeät asiat löytyivät pitkään toisaalta.

 

TIEDE VASTAA

Voiko pissa jäätyä kaarelle?

Haudataanko vainajat ilmansuuntien mukaan?

Mikä on puujalkavitsi?

Miksi kuusi kestää lumen painon?

Miten norppa löytää takaisin avannolle?

Voiko avaruusaseman palauttaa Maahan?

 

KIRJAT

Oma dna kantaa suvun historiaa

Marja Pirttivaara teki suomalaisille sukututkijoille uudenlaisen kätevän oppaan.

 

KUVA-ARVOITUS

Klassikkopalsta

kutsuu lukijoita tulkitsemaan kuvia lehden Facebook-sivustolle: facebook.com/tiede.fi

 

OMAT SANAT

Valoa kohti

Entisinä aikoina kantasana tarjosi myös lämpöä.

 

Jos olet Sanoman jonkin aikakauslehden tilaaja, voit lukea uusimman numeron jutut Sanoman Digilehdet-palvelussa.

Ellet vielä ole ottanut tilaukseesi kuuluvaa digiominaisuutta käyttöön, tee se osoitteessa https://oma.sanoma.fi/aktivoi/digilehdet. Aktivoinnin jälkeen pääset kirjautumaan suoraan digilehdet.fi-palveluun.