Pakastin etsii selitystä aineen olemassaoloon

Miksi aine on olemassa, kun oikeastaan aineen ja antiaineen olisi pitänyt tuhota toisensa jo alkuräjähdyksessä? Tähän fysiikan mysteeriin etsitään vastausta neutriinoista. USA:ssa ja Japanissa rakennetaan jätti-ilmaisimia, jotka vangitsevat oudot alkeishiukkaset pakkaseen tai vesisäiliöön.

Miksi aine on olemassa, kun oikeastaan aineen ja antiaineen olisi pitänyt tuhota toisensa jo alkuräjähdyksessä? Tähän fysiikan mysteeriin etsitään vastausta neutriinoista. USA:ssa ja Japanissa rakennetaan jätti-ilmaisimia, jotka vangitsevat oudot alkeishiukkaset pakkaseen tai vesisäiliöön.

Maximilien Brice/CERN

Galaksissa Linnunradan naapurustossa jättiläistähti päättää päivänsä supernovaräjähdyksessä. Kuolleen tähden ytimestä leviää avaruuteen 10⁵⁷ neutriinoksi kutsuttua alkeishiukkasta. Luvussa on siis ykkönen ja 57 nollaa.

Ennen pitkää neutriinot leviävät kaikkialle maailmankaikkeuteen. Parhaillaan jokunen niistä sujahtaa sinun lävitsesi.

Aurinkokunnassa vilisee neutriinoja, joita syntyy tähtien ydinreaktioissa. Neutriinot eivät kuitenkaan näy eivätkä tunnu, sillä ne läpäisevät jälkeä jättämättä tähdet, planeetat ja kaiken aineen, joka niiden tielle osuu.

Nyt Japanissa ollaan virittämässä ansaa neutriinoille. Vuoren sisään kaivetaan tilaa Hyper-Kamiokandelle. Se on neutriinoilmaisin, jonka ydin on 60 metriä korkea vesisäiliö. Säiliöön pannaan 258 miljoonaa litraa äärimmäisen puhdasta vettä ja odotellaan, että neutriinot törmäisivät vesimolekyyleihin.

Yhdysvalloissa rakennetaan neutriinoilmaisinta puolentoista kilometrin syvyyteen vanhaan kultakaivokseen Etelä-Dakotassa.

DUNEksi (Deep Underground Neutrino Experiment, syvä maanalainen neutriinokoe) ristitty ilmaisin eroaa japanilaiskollegastaan sikäli, että siinä ei ole vesisäiliötä. Sen sijaan neutriinojen toivotaan osuvan nestemäiseen jalokaasuun argoniin.

Molemmilla ilmaisimilla on sama tehtävä. Ne etsivät vastausta kysymykseen, miksi maailmankaikkeudessa on ainetta.

Nykyisten fysiikan teorioiden mukaan aineen ja antiaineen olisi pitänyt kumota toisensa maailmankaikkeuden syntyessä. Neutriinot voivat ehkä auttaa selvittämään, miksi aine voitti antiaineen ja aineesta on voinut syntyä tähtiä, planeettoja ja ihmisiä.

Aine päihitti antiaineen

Albert Einstein päätteli aikoinaan, että aine ja energia ovat saman asian kaksi eri puolta. Energia voi muuttua aineeksi ja aine energiaksi. Tämän hän kuvasi kuuluisalla yhtälöllä E = mc², jossa E on energia, m massa ja c on valon nopeus.

Alkuräjähdyksen jälkeen maailmankaikkeudessa oli paljon energiaa, josta saattoi syntyä ainetta. Ongelma on vain se, että fysiikan lakien mukaan jokaista ainehiukkasta kohti syntyi myös antiainehiukkanen.

Tutkijat ovat yhtä mieltä siitä, että jokaista ainehiukkasta kohti on antiainehiukkanen, jolla on sama massa mutta vastakkainen sähköinen varaus, ja että aikojen alussa ainetta ja antiainetta oli yhtä paljon.

Tämän näkemyksen valossa on vaikeaa selittää sitä, että maailmankaikkeus on ylipäänsä olemassa ja että siinä on valtava määrä ainetta ja äärimmäisen vähän antiainetta. Antiainetta syntyy tietyntyyppisessä radioaktiivisessa hajoamisessa.

Kun ainehiukkanen kohtaa antiainehiukkasen, molemmat häviävät ja jäljelle jää vain energiaa säteilynä. Jos siis ainetta ja antiainetta oli alun perin yhtä paljon, kaiken aineen ja antiaineen olisi pitänyt hävitä saman tien.

Neutriinoja on kolmenlaisia, ja ne käyttäytyvät aivan toisin kuin 14 muuta niin sanotun standardimallin alkeishiukkasta.

© Lasse Alexander Lund-Andersen

Neutriino on fysiikan kummajainen

Fysiikan standardimallin mukaan aineen rakenneosiin kuuluu 12 hiukkastyyppiä, jotka voidaan jakaa kolmeen perheeseen. Niiden lisäksi on neljänlaisia voimaa välittäviä hiukkasia ja Higgsin hiukkanen, joka antaa hiukkasille massan. Kaikilla näillä hiukkasilla on vastaava antihiukkanen.

Neutriino ei kuitenkaan oikein sovi standardimalliin. Mallin mukaan neutriinoilla ei pitäisi olla massaa, mutta todellisuus näyttää toiselta. Neutriinoilla on massa, vaikkakin se on häviävän pieni. Kaiken lisäksi neutriinoita on erityyppisiä ja neutriino voi muuttaa muotoaan tyypistä toiseen. Siihen eivät muut alkeishiukkaset pysty.

Jostakin syystä maailmankaikkeuteen syntyi enemmän ainetta kuin antiainetta. Vertaamalla maailmankaikkeuden aineen ja säteilyn määrää tutkijat ovat laskeneet, että maailmankaikkeuden syntyessä muodostui aina 3 000 000 000:a antiainehiukkasta kohti 3 000 000 001 ainehiukkasta.

Tämä pieni ylijäämä sai aikaan ratkaisevan eron. Vielä on kuitenkin epäselvää, miten aineen ja antiaineen symmetria rikkoontui niin, että aine pääsi voitolle.

Vastausta etsitään neutriinoilmaisimilla, sillä tutkijat uskovat, että neutriinoilla on yllättävä ominaisuus, jolla oli keskeinen rooli aineen voitossa.

Hiukkanen muuttaa muotoaan

Neutriinoja on olemassa kolmea tyyppiä: elektronin neutriinoja, myonin neutriinoja ja taun neutriinoja. Toisin kuin muut alkeishiukkaset, neutriinot näyttävät voivan lennossa vaihtaa muotoaan.

Neutriinojen kyky havaittiin vuosituhannen vaihteessa. Löytö toi japanilaiselle Takaaki Kajitalle ja kanadalaiselle Arthur B. McDonaldille Nobelin fysiikan palkinnon vuonna 2015.

Neutriinojen muuntautumiskyky tarkoittaa sitä, että vaikka supernovaräjähdyksessä lähtisi matkaan esimerkiksi elektronin neutriino, se voi maapallolla putkahtaa ilmaisimeen myonin tai taun neutriinona.

Yhdysvaltalainen DUNE-ilmaisin etsii neutriinoja, jotka syntyvät Fermilabin hiukkaskiihdyttimessä Chicagon laitamilla. DUNE itse sijaitsee siitä 1 300 kilometrin päässä Etelä-Dakotan osavaltiossa. Neutriinoja pyydystetään nestemäisellä argon-jalokaasulla, jota ympäröi sähkökenttä.

© Claus Lunau

1. Hiukkaskiihdytin tuottaa neutriinoja

Fermilabin hiukkaskiihdyttimessä annetaan protoneille huima vauhti ja törmäytetään ne grafiittiatomien kanssa. Törmäyksessä syntyy uusia hiukkasia, joista osa hajoaa neutriinoiksi. Fermilabista sinkoaa joka sekunti biljoonia myoni- ja antimyonineutriinoja DUNE-ilmaisimen suuntaan.

© Claus Lunau

2. Neutriinot muuttavat muotoaan

Neutriinot kulkevat 1 300 kilometrin matkan Fermilabista DUNEen maankuoren sisällä. Taival kestää neljä sekunnin tuhannesosaa. Sinä aikana neutriinot ehtivät kuitenkin muuttaa muotoaan. Iso osa niistä muuttuu elektronin tai taun neutriinoiksi ennen osumistaan DUNEn argonsäiliöön.

© Claus Lunau

3. Argonsäiliö sieppaa neutriinot

DUNEn neutriinonpyydys koostuu neljästä nelikerroksisen talon kokoisesta kryostaatista eli huipputehokkaasta pakastimesta. Kukin kryostaatti sisältää 17 000 tonnia nestemäistä argonia. Kun neutriino osuu kryostaattiiin ja törmää argonatomiin, syntyy sähköisesti varautuneita hiukkasia, jotka repivät elektroneja irti muista atomeista.

© Claus Lunau

4. Elektronit etsiytyvät kohti positiivisia elektrodeja

Negatiivisesti varautuneet elektronit hakeutuvat kohti kryostaatin positiivisia elektrodeja. Elektronien määrä ja suunta kertovat, minkä tyyppisen neutriinon törmäys ne on synnyttänyt. Jos ilmaisin havaitsee enemmän neutriinoja kuin antineutriinoja, tutkijat ehkä pääsevät jyvälle siitä, miksi ainetta on olemassa.

Muiden hiukkasten tavoin myös neutriinoilla on aineaineesta koostuva vastakappaleensa. Antineutriinoille tapahtuu samanlainen muodonmuutos kuin neutriinoille, mutta tutkijat arvelevat, että neutriinot ja antineutriinot eivät muutu samassa tahdissa.

Jos ilmaisimien tuloksista ilmenee, että antineutriinot eivät ole neutriinojen täydellisiä peilikuvia vaan ne käyttäytyvät hitusen eri tavalla, se saattaa selittää sen, miksi maailmankaikkeuteen syntyi enemmän ainetta kuin antiainetta.

Neutriinojen ja antineutriinojen välinen epätasapaino sopisi teoriaan, jonka mukaan aine voitti antiaineen aikojen alussa, kun jotkin äärimmäisen raskaat neutriinon kaltaiset hiukkaset hajosivat. Näitä hiukkasia ei ole enää olemassa, mutta teorian mukaan niiden hajoaminen jätti jälkeensä nykyisen aineen ylijäämän. Neutriinot ovat ikään kuin osoitus siitä, että aineen ylivoima antiaineeseen nähden on osa luonnonlakeja.

Jättiläispakastin jahtaa neutriinoja

Neutriinot suihkivat lävitsesi

Neutriinojen tutkimisen periaate voi kuulostaa yksinkertaiselta. Otetaan joukko neutriinoja ja antineutriinoja, lähetetään ne matkaan ja mitataan, muuttavatko ne muotoaan samassa tahdissa matkallaan pisteestä A pisteeseen B.

Käytännössä neutriinojen tutkiminen on kuitenkin vaivalloista ja hidasta. Neutriinoja ei voi ohjailla, ja niiden havaitseminen on vaikeaa, sillä ne eivät reagoi muun aineen kanssa juuri millään tavalla.

Jokaisen ihmisen läpi suihkii joka hetki biljoonia neutriinoja, eikä elimistömme edes huomaa sitä.

Neutriinot ovat äärimmäisen kevyitä – niiden massa on alle miljoonasosa elektronin massasta – eikä niillä ole sähköistä varausta. Siksi niitä ei ole mahdollista havaita suoraan.

Sen sijaan niiden olemassaolon voi havaita, kun ne joskus harvoin törmäävät tavallisen aineen atomin ytimen hiukkasiin. Silloin syntyy valona näkyvä jälki.

Vesi ja argon maalitauluna

Kun neutriino törmää atomiytimeen, voi vapautua hiukkanen, jota on mahdollista havainnoida, esimerkiksi elektroni. Hyper-Kamiokande-ilmaisimessa näitä elektroneja etsitään rekisteröimällä niiden tuottamaa valoa valoantureilla. DUNE taas kerää elektroneja elektrodeilla. Mittaamalla elektronien nopeus ja suunta voidaan tehdä päätelmiä neutriinon ominaisuuksista.

Koska neutriinot osuvat atomeihin hyvin harvoin, on tärkeää voida seurata mahdollisimman montaa atomia samanaikaisesti. Siksi neutriinoilmaisimet ovat isoja laitoksia. Hyper-Kamiokandessa on 258 000 tonnia vettä ja DUNEssa 68 000 tonnia argonia. Vesi- ja argonsäiliöt ovat maalitauluja, joihin neutriinojen toivotaan osuvan.

DUNE-ilmaisin on täynnä jäähdytettyä argonia. Jalokaasu on 40 prosenttia tiiviimpää kuin vesi, mikä kasvattaa todennäköisyyttä, että neutriino törmää johonkin sen atomeista.

© Fermilab

Ilman kaasu muutetaan nesteeksi

Argon on jalokaasu, joka muodostaa prosentin Maan ilmakehästä. DUNEssa argon jäähdytetään 184 astetta pakkasen puolelle, jolloin argon muuttuu nestemäiseksi. Yhtä hyytävä pakkanen vallitsee Saturnuksessa.

Argon valittiin DUNEn neutriinoansaksi, koska se on nestemäisessä olomuodossa 40 prosenttia tiheämpää kuin vesi. Siksi todennäköisyys, että neutriino osuu siinä atomiytimeen, on suurempi. Lisäksi argon on suhteellisen halpaa, koska sitä voi eristää ilmasta.

Sekä DUNEn että Hyper-Kamiokanden tutkijat aikovat itse tuottaa neutriinot, joita ilmaisimet jahtaavat. Hiukkaskiihdyttimillä tehtaillaan biljoonittain myoni- ja antimyonineutriinoja, joiden toivotaan osuvan ilmaisimeen.

Matkalla kohti ilmaisinta osa neutriinoista ja antineutriinoista muuttuu elektronineutriinoiksi ja -antineutriinoiksi. Ratkaiseva kysymys on, miten monta elektronineutriinoa ja antielektronineutriinoa ilmaisin havaitsee.

Toistaiseksi aine on johdossa

Jos DUNE ja Hyper-Kamiokande havaitsevat tasan yhtä paljon neutriinoja ja antineutriinoja, tutkijat ovat taas lähtöruudussa. Jos aineen ja antiaineen neutriinoja on yhtä paljon, on etsittävä toinen selitys sille, miksi ainetta on olemassa.

Jos sen sijaan osoittautuu, että neutriinot ja antineutriinot muuttavat muotoaan eri tahdissa, tutkijoilla on kerrottavanaan ykkösluokan uutinen. Se olisi iso harppaus kohti maailmankaikkeuden olemassaolon selitystä.

Tutkijat ovat toiveikkaita. Äskettäin Japanissa saatiin lupaavia tuloksia Hyper-Kamiokanden pienemmällä versiolla Super-Kamiokandella tehdyistä tutkimuksista. Siinä on vain 50 miljoonan litran vesisäiliö. Huhtikuussa 2020 julkaisussa tutkimusraportissa kerrottiin, että kymmenen vuoden aikana ilmaisin on havainnut 90 elektronineutriinoa ja vain 15 antielektronineutriinoa.

Hyper-Kamiokande muistuttaa valmiina nykyistä Super-Kamiokandea (kuvassa), mutta siitä tulee viisi kertaa niin suuri.

© Kamioka Observatory/ICRR/Univ. of Tokyo

Super-Kamiokanden tulokset näyttävät yksiselitteisiltä, mutta koska havaintoja on vähän, tulos ei ole tilastollisesti luotettava. On siis mahdollista, että vesisäiliön läpi on kulkenut yhtä monta neutriinoa ja antineutriinoa, mutta niistä harvoista, jotka ilmaisin onnistui havaitsemaan, sattui suurempi osa olemaan neutriinoja kuin antineutriinoja.

Siksi tarvitaan lisää tuloksia ennen kuin voidaan tehdä päätelmiä neutriinojen ja antineutriinojen käyttäytymisestä.

Fyysikot menevät maan alle

Hyper-Kamiokanden on määrä alkaa työnsä vuonna 2027 ja DUNEn vuotta myöhemmin. Siihen mennessä on tarkoitus tehostaa myös hiukkaskiihdyttimiä, jotka tuottavat ilmaisimille neutriinoja tutkittaviksi.

Hyper-Kamiokanden neutriinot tuottaa J-PARC-kiihdytin (Japan Proton Accelerator Research Complex), joka sijaitsee siitä 295 kilometrin päässä.

DUNEn tutkimat neutriinot lähtevät matkaan Fermlabin (Fermi National Accelerator Laboratory) kiihdyttimestä Chicagosta eli 1 300 kilometrin päästä DUNEsta. Kiihdyttimet ja ilmaisimet ovat kaukana toisistaan, jotta neutriinot ehtivät matkalla muuttaa muotoaan.

DUNEssa argonia jäähdyttää neljä nelikerroksisen talon kokoista pakastinta.

Neutriinoilmaisimet rakennetaan maan alle suojaan kosmiselta säteilyltä. Maan pinnalla ilmaisimet eivät toimi luotettavasti, koska avaruudesta tulevat hiukkaset voivat saada aikaan samantapaisia reaktioita kuin neutriinot.

Siksi DUNE tehdään vanhaan kaivoskuiluun puolentoista kilometrin syvyyteen. Hyper-Kamiokanden päällä on 650 metriä kalliota.

Ilmaisimien rakentaminen on iso ja vaativa urakka. Hyper-Kamiokanden käytävien ja vesisäiliön tarvitseman 340 000 kuutiometrin kokoisen onkalon kaivaminen kestää neljä vuotta.

Kun onkalo on saatu valmiiksi, itse vesisäiliön ja mittauslaitteiden asentamiseen menee kaksi ja puoli vuotta. Vesisäiliön täyttäminen paikalla sijaitsevasta lähteestä kestää puoli vuotta. Veden pitää kulkea tarkan puhdistuksen läpi, jotta kaikki epäpuhtaudet saadaan pois ja neutriinojen ja atomien törmäyksistä syntyvä valo kulkee säiliön seinissä oleviin antureihin.

Vesisäiliö sieppaa alkeishiukkaset

DUNEa varten on kunnostettu 90 vuotta vanhaa kaivoskuilua jo viiden vuoden ajan. Kaivokseen on asennettu muun muassa hissi, ja nyt itse ilmaisimen onkalon kaivutyöt ovat täydessä käynnissä.

Ilmaisimen ja sen laitteistojen tieltä pitää kaivaa ja kuljettaa pois 870 000 tonnia kalliota.

DUNEen tulee neljä huipputehokasta pakastinta, niin sanottua kryostaattia, joissa jalokaasu argon jäähdytetään –184-asteiseksi nesteeksi. Kukin kryostaatti on yhtä suuri kuin nelikerroksinen talo.

870 000 tonnia kiveä on poistettava vanhasta kaivoksesta, jotta DUNE-ilmaisin saadaan mahtumaan sinne.

© Matthew Kapust/Sanford Underground Research Facility

Hyper-Kamiokanden ja DUNEn käynnistymistä saadaan odottaa vielä 7–8 vuotta. Sen jälkeenkin tutkijoilta vaaditaan kärsivällisyyttä. Kestää todennäköisesti ainakin vuosikymmenen, ennen kuin ilmaisimet ovat saaneet kerättyä niin paljon dataa, että siitä voidaan tehdä päätelmiä neutriinojen ja antineutriinojen määrästä.

Sitten ehkä saadaan vastaus kysymykseen, miksi kaikkeus on olemassa.