Tutkijat nauttivat mysteerien tutkimisesta, ja mitä suurempi mysteeri, sitä suurempi innostus. Tieteessä on monia valtavia vastaamattomia kysymyksiä, mutta kun ollaan menossa suuriin asioihin, on vaikea päihittää kysymystä ”Miksi on olemassa jotakin, eikä mitään?”
Tämä saattaa vaikuttaa filosofiselta kysymykseltä, mutta se on sellainen, joka on hyvin altis tieteelliselle tutkimukselle. Hieman konkreettisemmin ilmaistuna: ”Miksi maailmankaikkeus on tehty sellaisesta aineesta, joka mahdollistaa ihmiselämän, jotta voimme edes kysyä tätä kysymystä?”. Japanissa tutkivat tiedemiehet ilmoittivat viime kuussa mittauksesta, joka vastaa suoraan tähän kiehtovimpaan kysymykseen. Vaikuttaa siltä, että heidän mittauksensa on ristiriidassa nykyisen teorian yksinkertaisimpien odotusten kanssa, ja se saattaa hyvinkin viitoittaa vastausta tähän ajattomaan kysymykseen.
Heidän mittauksensa näyttää kertovan, että tietyssä joukossa subatomisia hiukkasia aine ja antiaine käyttäytyvät eri tavalla.
Aine vs. antiaine
Japanin Tokaissa sijaitsevan J-PARC-kiihdyttimen avulla tutkijat ampuivat neutriinoiksi kutsuttujen aavemaisten subatomisten hiukkasten ja niiden antiainevastineiden (antineutriinojen) säteen maapallon läpi Super Kamiokande -koealueelle, joka sijaitsee Kamiokassa, myös Japanissa. Tämän T2K (Tokai to Kamiokande) -nimisen kokeen tarkoituksena on selvittää, miksi maailmankaikkeutemme koostuu aineesta. Neutriinojen omituinen käyttäytyminen, jota kutsutaan neutriinooskillaatioksi, saattaa valaista tätä hyvin hankalaa ongelmaa.
Kysymys siitä, miksi maailmankaikkeus on tehty aineesta, saattaa kuulostaa omituiselta kysymykseltä, mutta on olemassa erittäin hyvä syy siihen, että tiedemiehet ovat yllättyneitä tästä. Se johtuu siitä, että sen lisäksi, että tiedemiehet tietävät aineen olemassaolosta, he tietävät myös antiaineesta.
Vuonna 1928 brittiläinen fyysikko Paul Dirac ehdotti antiaineen – aineen antagonistisen sisaruksen – olemassaoloa. Yhdistetään yhtä suuret määrät ainetta ja antiainetta, ja nämä kaksi annihiloituvat keskenään, jolloin vapautuu valtava määrä energiaa. Ja koska fysiikan periaatteet toimivat yleensä yhtä hyvin myös päinvastoin, jos sinulla on valtava määrä energiaa, se voi muuttua täsmälleen yhtä suuriksi määriksi ainetta ja antiainetta. Antimaterian löysi amerikkalainen Carl Anderson vuonna 1932, ja tutkijoilla on ollut lähes vuosisata aikaa tutkia sen ominaisuuksia.
Tämä ”täsmälleen yhtä suuriksi määriksi” on kuitenkin arvoituksen ydin. Lyhyinä hetkinä heti alkuräjähdyksen jälkeen maailmankaikkeus oli täynnä energiaa. Kun se laajeni ja jäähtyi, tuon energian olisi pitänyt muuttua yhtä suuriksi osiksi ainetta ja antiainetta sisältäviksi subatomisiksi hiukkasiksi, joiden pitäisi olla havaittavissa nykyään. Silti maailmankaikkeutemme koostuu lähes kokonaan aineesta. Miten se voi olla mahdollista?
Laskemalla atomien lukumäärän maailmankaikkeudessa ja vertaamalla sitä havaitsemamme energiamäärään tiedemiehet totesivat, että ”täsmälleen yhtä paljon” ei ole aivan oikein. Jotenkin, kun maailmankaikkeus oli noin sekunnin triljoonasosan kymmenesosan ikäinen, luonnonlait vinoutuivat hiukan aineen suuntaan. Jokaista 3 000 000 000 000 antiainehiukkasta kohden oli 3 000 000 000 001 ainehiukkasta. Kolme miljardia ainehiukkasta ja kolme miljardia antiainehiukkasta yhdistyivät – ja annihiloituivat takaisin energiaksi, jolloin jäljelle jäi lievä aineylijäämä, joka muodostaa nykyisin näkemämme maailmankaikkeuden.
Sen jälkeen kun tämä arvoitus ymmärrettiin lähes sata vuotta sitten, tutkijat ovat tutkineet ainetta ja antiainetta nähdäkseen, voisivatko he löytää subatomisista hiukkasista sellaista käyttäytymistä, joka selittäisi aineen ylijäämän. He ovat varmoja siitä, että ainetta ja antiainetta syntyy yhtä paljon, mutta he ovat myös havainneet, että eräät kvarkkeiksi kutsutut subatomiset hiukkaset käyttäytyvät siten, että ne hieman suosivat ainetta antiaineen sijaan. Kyseinen mittaus oli hienovarainen ja koski K-mesoniksi kutsuttua hiukkasluokkaa, joka voi muuttua aineesta antiaineeksi ja takaisin. Mutta on pieni ero siinä, että aine muuttuu antiaineeksi verrattuna päinvastaiseen. Ilmiö oli odottamaton, ja sen löytäminen johti Nobel-palkintoon vuonna 1980, mutta vaikutuksen suuruus ei riittänyt selittämään, miksi aine hallitsee maailmankaikkeuttamme.
Aavemaiset säteet
Niinpä tutkijat ovat kääntäneet huomionsa neutriinoihin nähdäkseen, voisiko niiden käyttäytyminen selittää ylimääräisen aineen. Neutriinot ovat subatomisen maailman aaveita. Ne vuorovaikuttavat keskenään vain heikon ydinvoiman välityksellä ja voivat kulkea aineen läpi vuorovaikuttamatta lähes lainkaan. Mittakaavan hahmottamiseksi neutriinot syntyvät yleisimmin ydinreaktioissa, ja suurin ydinreaktori on Aurinko. Suojautuakseen puolelta Auringon neutriinoista tarvitsisi noin 5 valovuoden syvyisen massan kiinteää lyijyä. Neutriinot eivät oikeastaan vuorovaikuta kovinkaan paljon.
Vuosien 1998 ja 2001 välisenä aikana joukko kokeita – joista toisessa käytettiin Super Kamiokande -ilmaisinta ja toisessa SNO-ilmaisinta Sudburyssa Ontariossa – osoitti lopullisesti, että neutriinot käyttäytyvät myös toisella yllättävällä tavalla. Ne muuttavat identiteettiään.
Fyysikot tuntevat kolme erilaista neutriinoa, joihin kuhunkin liittyy ainutlaatuinen subatominen sisarus, joita kutsutaan elektroneiksi, myoneiksi ja tausiksi. Elektronit aiheuttavat sähköä, ja myoni- ja tau-hiukkaset ovat hyvin samankaltaisia kuin elektronit, mutta raskaampia ja epävakaampia.
Kolmenlaiset neutriinot, joita kutsutaan elektronineutriinoiksi, myonineutriinoiksi ja tau-neutriinoiksi, voivat ”muuntua” toisenlaisiksi neutriinoiksi ja takaisin. Tätä käyttäytymistä kutsutaan neutriinooskillaatioksi.
Neutriinooskillaatio on ainutlaatuinen kvantti-ilmiö, mutta se on karkeasti ottaen verrattavissa siihen, että aloittaisit kulhosta vaniljajäätelöä ja kun menet etsimään lusikkaa, palaat takaisin ja huomaat, että kulho on puoliksi vaniljaa ja puoliksi suklaata. Neutriinot muuttavat identiteettiään olemalla kokonaan yhtä tyyppiä, sekoittaen tyyppejä, täysin eri tyyppiin ja sitten takaisin alkuperäiseen tyyppiin.
Antineutriino-oskillaatiot
Neutriinot ovat ainehiukkasia, mutta on olemassa myös antimaterian neutriinoja, joita kutsutaan antineutriinoiksi. Ja tämä johtaa hyvin tärkeään kysymykseen. Neutriinot värähtelevät, mutta värähtelevätkö myös antineutriinot ja värähtelevätkö ne täsmälleen samalla tavalla kuin neutriinot? Vastaus ensimmäiseen kysymykseen on kyllä, kun taas vastausta jälkimmäiseen ei tiedetä.
Pohditaan asiaa hieman tarkemmin, mutta yksinkertaistettuna: Oletetaan, että neutriinotyyppejä olisi vain kaksi – myoni ja elektroni. Oletetaan edelleen, että olisi säde puhtaasti myonityyppisiä neutriinoja. Neutriinot värähtelevät tietyllä nopeudella, ja koska ne liikkuvat lähellä valonnopeutta, ne värähtelevät etäisyyden funktiona siitä, missä ne ovat syntyneet. Näin ollen puhtaasti myonityyppisistä neutriinoista koostuva säde näyttää jollakin etäisyydellä myoni- ja elektronityyppisten neutriinojen sekoitukselta, toisella etäisyydellä puhtaasti elektronityyppisiltä ja sitten taas pelkästään myonityyppisiltä. Antimateria-neutriinot tekevät saman.
Jos kuitenkin aine- ja antimateria-neutriinot värähtelevät hieman eri nopeuksilla, voisi olettaa, että jos oltaisiin kiinteällä etäisyydellä pisteestä, jossa puhtaiden myonineutriinojen tai myoniantineutriinojen säde luotiin, neutriinojen tapauksessa nähtäisiin yksi myoni- ja elektronineutriinojen sekoitus, mutta antimateria-neutriinojen tapauksessa nähtäisiin erilainen sekoitus antimateria-, myoni- ja elektronineutriineja. Todellista tilannetta mutkistaa se, että neutriinoja on kolmenlaisia ja oskillaatio riippuu säteen energiasta, mutta nämä ovat pääajatuksia.
Neutriinojen ja antineutriinojen erilaisten värähtelytaajuuksien havaitseminen olisi tärkeä askel kohti sen tosiasian ymmärtämistä, että maailmankaikkeus on tehty aineesta. Se ei ole koko tarina, koska muitakin uusia ilmiöitä täytyy myös pitää paikkansa, mutta ero aineen ja antiaineen neutriinojen välillä on välttämätön selittämään, miksi maailmankaikkeudessa on enemmän ainetta.
Nykyisessä vallitsevassa neutriinovuorovaikutusta kuvaavassa teoriassa on muuttuja, joka on herkkä sille mahdollisuudelle, että neutriinot ja antineutriinot värähtelevät eri tavalla. Jos tuo muuttuja on nolla, nämä kaksi hiukkastyyppiä värähtelevät identtisellä nopeudella; jos tuo muuttuja poikkeaa nollasta, nämä kaksi hiukkastyyppiä värähtelevät eri tavalla.
Kun T2K mittasi tämän muuttujan, he huomasivat sen olevan ristiriidassa sen hypoteesin kanssa, että neutriinot ja antineutriinot värähtelevät identtisesti. Hieman teknisemmin he määrittivät tälle muuttujalle mahdollisten arvojen vaihteluvälin. On 95 prosentin mahdollisuus, että muuttujan todellinen arvo on tämän alueen sisällä, ja vain 5 prosentin mahdollisuus, että todellinen muuttuja on tämän alueen ulkopuolella. Hypoteesi ”ei eroa” on 95 prosentin vaihteluvälin ulkopuolella.
Yksinkertaisemmin sanottuna nykyiset mittaukset viittaavat siihen, että neutriinot ja antimaterian neutriinot värähtelevät eri tavalla, vaikkakaan varmuus ei nouse sellaiselle tasolle, että siitä voisi tehdä lopullisen väitteen. Itse asiassa kriitikot huomauttavat, että mittauksiin, joiden tilastollinen merkitsevyys on tällä tasolla, pitäisi suhtautua hyvin, hyvin skeptisesti. Kyseessä on kuitenkin varmasti valtavan provosoiva alustava tulos, ja maailman tiedeyhteisö on erittäin kiinnostunut parempien ja tarkempien tutkimusten tekemisestä.
T2K-koe jatkaa lisätietojen tallentamista lopullisen mittauksen toivossa, mutta se ei ole ainoa peli kaupungissa. Chicagon ulkopuolella sijaitsevassa Fermilabissa samanlainen NOVA-niminen koe ampuu sekä neutriinoja että antimaterian neutriinoja Pohjois-Minnesotaan, toivoen päihittävänsä T2K:n. Tulevaisuutta ajatellen Fermilab työskentelee ahkerasti lippulaivakokeensa DUNE:n (Deep Underground Neutrino Experiment) parissa, jolla on paljon paremmat valmiudet tämän tärkeän ilmiön tutkimiseen.
Vaikka T2K:n tulos ei ole lopullinen ja varovaisuus on perusteltua, se on varmasti kutkuttava. Koska kysymys siitä, miksi maailmankaikkeudessamme ei näytä olevan merkittävää antiainetta, on niin valtava, että maailman tiedeyhteisö odottaa innokkaasti uusia päivityksiä.
Originally published on Live Science.
Don Lincoln on fysiikan tutkija Fermilabissa. Hän on kirjoittanut kirjan ”The Large Hadron Collider: The Extraordinary Story of the Higgs Boson and Other Stuff That Will Blow Your Mind” (The Extraordinary Story of the Higgs Boson and Other Stuff That Will Blow Your Mind) (Johns Hopkins University Press, 2014), ja hän tuottaa tiedekasvatusvideoita. Seuraa häntä Facebookissa. Tässä kommentissa esitetyt mielipiteet ovat hänen.
Don Lincoln toimitti tämän artikkelin Live Sciencen Expert Voices -ohjelmaan: Op-Ed & Insights.
Uudemmat uutiset