Oslon yliopiston fyysikot ovat kehittäneet uuden matemaattisen mallin selittämään pimeää ainetta.
 |
| Fermi-LAT luotaimen ottama kuva universumin gammasäteilystä. Keskellä oleva punainen alue on linnunradasta peräisin olevaa säteilyä. Linnunradan keskus on suunnilleen kuvan keskellä. |
Pimeän aineen uskotaan selittävän tähtien ja galaksien liikkeen ja universumin näkyvän aineen koossa pysymisen. Kukaan ei kuitenkaan tiedä mitä pimeä aine on. Nyt Oslon yliopiston astrofyysikot ovat kehittäneet uuden matemaattisen mallin selittämään pimeää ainetta.
"Etsimme uutta jäsentä hiukkasperheeseemme pimeän aineen selittämiseksi. Tiedämme sen olevan hyvin erikoislaatuisen. Ja me olemme löytäneet uskottavan selityksen," apulaisprofessori Are Raklev kertoo.
Astrofyysikot ovat laskeneet, että 80 % maailmankaikkeuden massasta on pimeää ainetta. Painovoiman ansiosta pimeä aine ja tavallinen näkyvä aine pysyy kasassa.
"Pimeän aineen hiukkasten on oltava joko hyvin painavia tai sitten niitä on oltava valtava määrä. Neutriinot täyttävät muut pimeän aineen vaatimukset, mutta ne ovat aivan liian keveitä."
Nyt Are Raklev yrittää osoittaa, että pimeä aine koostuu gravitinoista. Se on hiukkanen, jota on kohdeltu epäreilusti jo vuosien ajan. Ja mitä gravitinot ovat? Pidä nyt tiukasti kiinni: gravitinot ovat gravitonien supersymmetrisiä partnereita. Tai vielä tarkemmin:
"Hypoteettinen gravitino on hypoteettisen gravitonin supersymmetrinen partneri. Niinpä on mahdotonta ennustaa hypoteettisempaa hiukkasta," Raklev nauraa. (Blogissaan hän kirjoittaa etsivänsä pimeää ainetta myös sohvansa alta! Höh, rakkikoiruli on löytänyt sohvan alta vain lisää koiria!)
Jotta voisimme ymmärtää, miksi Raklev uskoo pimeän aineen koostuvan gravitinoista, on syytä palata pari askelta takaisinpäin.
Vaihe 1: Supersymmetria
Fyysikot haluavat tietää onko maailma supersymmetrinen vai ei. Supersymmetria tarkoittaa sitä, että aineen ja voimien välillä on symmetria. Jokaista erilaiselle elektronille ja kvarkille on olemassa vastaava raskas supersymmetrinen partneri. Supersymmetriset hiukkaset luotiin heti alkuräjähdyksen jälkeen. Mikäli jotkut niistä ovat vielä olemassa, niin ne voivat muodostaa pimeän aineen.
"Gravitonin uskotaan välittävän painovoiman, aivan kuten fotoni - valohiukkanen - välittää sähkömagneettisen voiman.Vaikka gravitonit ovat massattomia, niin gravitinot voivat painaa paljonkin. Mikäli maailma on supersymmetrinen ja gravitonit ovat olemassa, niin silloin myös gravitinot ovat olemassa. Tämä on puhdasta matematiikkaa."
Rakkikoirulin buffaus: Raklev antaa tässä ymmärtää, että (tavallinen)
fotoni välittää sähkömagneettisen voiman. Tämä on harhaanjohtavaa, sillä
sähkömagneettisen voiman aiheuttaa virtuaalinen (kuvitteellinen)
hiukkanen, jota kutsutaan fotoniksi. Se ei siis ole sama hiukkanen,
jonka energiaa kasvit hyöndyntävät fotosynteesissä. Kts. esim. Hawking: Ajan
lyhyt historia, s. 92.
On kuitenkin pieni mutta. Fyysikot eivät kykene osoittamaan gravitinojen ja gravitonien suhdetta, ennenkuin he onnistuvat yhdistämään kaikki voimat.
Vaihe 2: Luonnonvoimat
Fyysikkojen unelmana on yhdistää kaikki luonnonvoimat yhden teorian alle. Viime vuosisadan puolessa välissä fyysikot havaitsivat, että sähkö ja magnetismi ovat saman luonnonvoiman osia. Tätä voimaa kutsutaan sähkömagnetismiksi. Kaksi muuta voimaa ovat heikko ja vahva ydinvoima. 1970-luvulla sähkömagnetismi yhdistettiin heikkoon ja vahvaan ydinvoimaan. Tätä voimien yhdistämistä kutsutaan hiukkasfysiikan standardimalliksi.
Neljäs luonnonvoima on painovoima. Se on voimista heikoin.
Ongelmana on se, että fyysikot eivät ole kyenneet yhdistämään painovoimaa muihin luonnonvoimiin. Mikäli fyysikot joskus onnistuvat yhdistämisessä, niin silloin heillä on yhtenäinen kuva maailmasta. Fyysikot kutsuvat sitä kaiken teoriaksi (Theory of Everything, ToE).
"Jotta voisimme yhdistää painovoiman muihin kolmeen luonnonvoimaan, meillä täytyisi olla gravitaation kvanttiteoria. Tämä tarkoittaa sitä, että me tarvitsemme teorian, jossa gravitoni on osa atomin ydintä."
"Mikäli supersymmetria on totta, niin silloin fyysikot osaavat selittää miksi maailmassa on pimeää ainetta. Juuri se on työssäni niin mielenkiintoista," Raklev nauraa.
Nyt hän väittää, että pimeä aine koostuu gravitinoista. "Supersymmteria yksinkertaistaa kaiken. Jos kaiken teoria on olemassa eli kaikki neljä luonnonvoimaa voidaan yhdistää, niin silloin gravitinojen täytyy olla olemassa."
"Pian alkuräjähdyksen jälkeen oli olemassa hiukkaspuuro, jossa hiukkaset törmäilivät toisiinsa. Gluonit törmäsivät toisiin gluoneihin ja lähettivät gravitinoja. Kun maailmankaikkeus oli vielä plasmaa alkuräjähdyksen jälkeen, syntyi suuri määrä gravitinoja. Niinpä meillä on seitys niiden olemassaololle."
Tähän asti fyysikot ovat nähneet gravitinot ongelmallisina. He ovat uskoneet, että supersymmetria ei voi toimia, koska niitä on liian paljon.
"Sen vuoksi fyysikot ovat pyrkineet poistamaan gravitinot teoreettisista malleistaan. Me kuitenkin olemme löytäneet uuden selityksen, joka yhdistää supersymmetrian gravitinoista koostuvaan pimeään aineeseen. Mikäli pimeä aine ei ole stabiilia, mutta kuitenkin pitkäikäistä, on mahdollista selittää kuinka pimeä aine koostuu gravitinoista."
Vanhoissa malleissa pimeä aine oli aina ikuista. Tämä teki gravitinoista ongelmallisia. Raklevin uudessa mallissa niiden elinikä ei ole enää rajaton. Kuitenkin niiden elinikä on hyvin pitkä, jopa pidempi kuin universumin. On kuitenkin suuri ero rajattoman eliniän ja yli 15 miljardia vuotta kestävän eliniän välillä. Rajallisen eliniän aikana gravitinojen on muututtava muiksi hiukkasiksi. Tämä muutosefektin me voimme mitata. Ja muutos selittää mallin.
"Uskomme, että lähes kaikki pimeä aine koostuu gravitinoista. Selitys löytyy mutkikkaan matematiikan takaa. Olemme kehittämässä erikoismalleja, joilla voidaan laskea näiden teorioiden seuraukset ja me voimme ennustaa, kuinka hiukkasia voidaan kokeellisesti havaita."
Tutkijat yrittävät nyt testata tätä ja selittää sitä, miksi näitä uusia hiukkasia ei ole vielä havaittu CERNin kokeissa.
"Toisaalta, pitäisi olla teoreettisesti mahdollista havaita niitä avaruusluotaimesta."
Yksinkertaisin tapa havaita gravitinoja, olisi tutkia mitä tapahtuu, kun kaksi hiukaksta törmää avaruudessa ja muuntuu toisiksi hiukkasiksi, kuten fotoneiksi tai antiaineeksi. Ongelmana on kuitenkin se, että gravitinot eivät törmäile.
"Onneksi gravitinot eivät ole täysin stabiileja. Joskus ne muuntuvat muiksi hiukkasiksi. Me voimme ennustaa tällaisen muutoksen aiheuttaman havaintosignaalin. Muutos saa aikaan gammasäteilyä."
"Toistaiseksi olemme havainneet vain kohinaa. Mutta yksi tutkimusrhmä kertoo havainneensa ylimääräisen heikon gammasäteen linnunradan keskustasta. Heidän havaintonsa saattaa sopia malliimme," Raklev sanoo.
Eli meillä on hypoteettisen hiukkasen (gravitoni) hypoteettinen supersymmetrinen partneri (gravitino). Gravitoni selittää painovoiman. On kuitenkin pieni ongelma. Sitä ei ole koskaan havaittu. Mutta sen uskotaan olevan olemassa, koska sillä on havaittava vaikutus: painovoima. Eli tieteen piirissä on luvallista uskoa näkymättömiin ja kuvitteellisiin entiteetteihin. Mutta tähän on lisättävä pieni varaus. Näiden entiteettien on oltava yhteensopivia naturalistisen filosofian kanssa. Niiden on oltava ainehiukkasia. Ei haittaa, vaikka niitä ei koskaan havaittaisi. Usko ainehiukkasten olemassaolosta riittää, koska se on tieteellinen selitys.
Painovoimaa selitetään myös avaruuden kaareutumisella. Avaruudessa oleva massa aiheuttaa avaruuden kaareutumisen ja saa aikaan painovoimana tuntemamme ilmiön. On kuitenkin pieni ongelma. Massaa ei voi olla olemassa ilman painovoimaa. Massa aiheuttaa avaruuden kaareutumisen, joka aiheuttaa painovoiman, jonka vuoksi aine saa massan. (Kuu putoaa kohti Maata ja Maa kohti Aurinkoa). Kyseessä on kuitenkin piirileikki, joka tunnetaan myös toisella nimellä: kehäpäätelmä. Mutta ei se haittaa. Se on tiedettä.
Lähde:
http://www.apollon.uio.no/english/articles/2012/4_dark_matter.html
Ei kommentteja:
Lähetä kommentti