Maailman hitain koe selvittää kaikkeuden syntyä

Alkuräjähdyksessä syntyi yhtä paljon ainetta ja antiainetta, joiden olisi pitänyt tuhota toisensa. Viisivuotisessa kokeessa havainnoidaan harvinaista radioaktiivisen hajoamisen muotoa, joka voi valottaa universumin syntyä.

Alkuräjähdyksessä syntyi yhtä paljon ainetta ja antiainetta, joiden olisi pitänyt tuhota toisensa. Viisivuotisessa kokeessa havainnoidaan harvinaista radioaktiivisen hajoamisen muotoa, joka voi valottaa universumin syntyä.

Y. Suvorov/cuore.lngs.infn.it

Ensin ei ollut mitään, ja sitten yhtäkkiä syntyi kaikki: ulottuvuudet, aika, luonnonlait ja aine, josta myöhemmin muodostuivat tähdet, planeetat ja elämä.

Näin sai alkunsa maailmankaikkeus yleisimmin hyväksytyn selityksen, alkuräjähdysteorian, mukaan. Teoriaan liittyy kuitenkin monta avointa kysymystä.

Yksi kysymyksistä on se, miten maailmankaikkeudessa ylipäänsä voi esiintyä ainetta. Fysiikan mallien mukaan nimittäin alkuräjähdyksessä syntyi sekä tavallista ainetta että sen vastakohtaa antiainetta – ja molempia yhtä paljon.

Kun aine ja antiaine kohtaavat, ne tuhoavat toisensa ja muuttuvat säteilyksi. Niinpä alkuräjähdyksen jäljiltä olisi pitänyt syntyä pelkkää säteilyä.

Todistettavasti näin ei tapahtunut. Jostain syystä ainetta oli enemmän kuin antiainetta, ja näin syntyivät ne aineet, joista tuntemamme todellisuus on rakentunut.
Kysymykseen etsitään vastausta Italiassa. Gran Sasso -vuoren uumenissa Apenniinien vuoristossa oleva Cuore-ilmaisin etsii hiukkasta, neutriinoa, joka voi paljastaa, miksi alkuräjähdys ei tussahtanut säteilyksi.

Maailman kylmin kuutio etsii harvinaista hajoamista

/ 4

Luvassa pitkä odotus

Cuore-ilmaisin koostuu 988 kuutiosta, joista 34 prosenttia on telluurin isotooppia 130. Sen radioaktiivisuus on niin vähäistä, että siinä hajoaa keskimäärin yksi atomi 10^24 vuodessa. Ilmaisimessa on odotettavissa yksi hajoaminen vuodessa. Jos hyvin käy, jokin hajoamisista on sellainen, jota tutkijat toivovat.

1

Kuutiot lämpömittareina

Ilmaisimen kuutioissa on niin sanottu termistori, joka on germanium-metallia. Sen sähkönjohtokyky muuttuu lämpötilan mukaan. Termistorilla voidaan havaita pienetkin lämpötilan muutokset, jotka paljastavat hajoamisen. Termistorit tallentavat havaintonsa tietokoneelle 100 kertaa sekunnissa.

2

Kalkkeuden kylmin kuutiometri

Ilmaisin jäähdytetään tekniikalla, jossa hyödynnetään kahta heliumin isotooppia. Sen avulla ilmaisin saadaan lämpötilaan, joka on vain 0,007 astetta absoluuttisen nollapisteen yläpuolella. Cuore onkin kylmin tunnettu kuutiometri maailmankaikkeudessa.

3

Antiikin aikainen lyijy suojaa

Jotta ilmaisimeen ei pääse vieraita hiukkasia, sen suojana on lyijykerros. Lyijy on peräisin Rooman valtakunnan aikaisista laivanhylyistä löydetyistä lyijyharkoista. Antiikkilyijy ei sotke mittauksia, koska sen radioaktiiviset aineet ovat jo hajonneet.

4
© Y. Suvorov/cuore.lngs.infn.it

Neutriino oli fyysikon hätäratkaisu

Neutriinon olemassaolon keksi vuonna 1930 itävaltalainen fyysikko Wolfgang Pauli. Se oli oikeastaan hätäratkaisu. Ilman sitä hänen kehittämänsä yhtälö, jolla hän selitti niin sanotun beetahajoamisen, ei toiminut.

Pauli oli osoittanut, että kun radioaktiivisessa aineessa tapahtuu beetahajoaminen, sen atomiytimessä oleva neutroni muuttuu protoniksi, joka jää atomiytimeen, ja elektroniksi, joka lähtee omille teilleen.

Kokeet kuitenkin tuottivat tuloksen, jonka mukaan syntyneen elektronin energiamäärä oli pienempi kuin neutronin ja protonin massojen ero. Saadakseen puuttuvan energiamäärän mukaan yhtälöön Pauli keksi sopivanlaisen hiukkasen. Neutriino oli syntynyt.

Pauli ei voinut kokeellisesti todistaa teoriaansa. Neutriinon olemassaolo vahvistui lopullisesti vasta 1956 yhdysvaltalaisfyysikkojen Frederick Reinesin ja Clyde Cowanin kokeiden ansiosta.

He tekivät kokeensa ydinreaktorin lähellä, koska teorian mukaan ydinreaktiossa piti syntyä suuria määriä neutriinoja. Fyysikot etsivät kahta gammasädettä, jotka syntyvät, kun neutriino törmää protoniin. Näiden hiukkasten törmätessä syntyy neutroni ja positroni.

Positroni on antiainetta, joka hajoaa välittömästi ja muuttuu säteilyksi.

Cuore etsii puuttuvaa neutriinoa

Cuore-hiukkasilmaisimen tehtävänä on havainnoida harvinaisen radioaktiivisen hajoamistavan, niin sanotun kaksoisbeetahajoamisen, sellaisia muotoja, joiden tuloksena ei synny neutriinoja.

Jos Cuore onnistuu bongaamaan sellaisen, se on todiste siitä, että neutriino on itse itsensä antihiukkanen ja siksi kaksoisbeeta­hajoamisessa syntyvät neutriinot tuhoavat toisensa. Samalla vahvistuu teoria, jonka mukaan samanlaisia aineita esiintyi heti alkuräjähdyksen jälkeen ja siksi antiaineen ja tavallisen aineen törmäyksessä tavallinen aine jäi voitolle ja syntyi maailmankaikkeus.

Neutriino pysyttelee piilossa

Reinesin ja Cowanin jälkeen neutriinoja on havaittu monissa kokeissa, mutta hiukkasen ominaisuuksia ei silti tunneta kunnolla, sillä sen mittaaminen on äärimmäisen vaikeaa.

Vaikka Reinesin ja Cowanin mittauslaitteisiin tuli ydinreaktorista 50 biljoonaa neutriinoa neliösenttiä kohti joka sekunti, he havaitsivat tunnin aikana vain kolme neutriinon ja neutronin törmäystä.

Neutriinoja on hankala havaita, koska ne eivät juuri reagoi muihin hiukkasiin. Painovoima toki vaikuttaa niihin, mutta niiden massa on häviävän pieni.

Lisäksi niihin vaikuttaa niin sanottu heikko vuorovaikutus, mutta se on havaittavissa vain hyvin pienillä etäisyyksillä eli käytännössä vain atomiytimessä ja sen välittömässä läheisyydessä.

Gran Sasson kansallisessa laboratoriossa Italiassa on rakennettu Cuore-ilmaisin, joka suorittaa maailman hitainta mittausta.

© Y. Suvorov/cuore.lngs.infn.it

Niinpä todennäköisyys, että neutriino vaikuttaisi toiseen hiukkaseen havaittavissa olevalla tavalla, on äärimmäisen pieni.

Esimerkiksi Auringosta jatkuvana virtana tulevat neutriinot – keskimäärin 1038 neutriinoa sekunnissa – sujahtavat maapallon läpi lähes valon nopeudella. Kymmenettuhannet neutriinot läpäisevät ruumiimme joka sekunti. Huomaamattomuutensa vuoksi neutriinoja kutsutaankin haamuhiukkasiksi.

Neutriinot kuuluvat maailmankaikkeuden yleisimpiin hiukkasiin. Niillä ei ole sähköistä varausta. Neutriinoja on kolmea eri tyyppiä, joista ainakin yhdellä on massa, vaikkakin se on niin pieni, että elektroni on miljoonia kertoja sitä painavampi.

10^24 Niin monta vuotta saadaan odottaa, ennen kuin telluuri 130 -atomi hajoaa.

Kaksoisrooli voi olla vastaus

Fysiikan kuumia keskustelunaiheita on myös se, onko olemassa neutriinoja ja antineutriinoja erillisinä hiukkasina. Kaikilla tunnetuilla tavallisen aineen hiukkasilla on vastakappaleenaan antihiukkanen – paitsi neutriinolla.

Osa tutkijoista onkin alkanut pohtia sellaista mahdollisuutta, että neutriino olisi itse itsensä antihiukkanen. Tämä kaksoisrooli voisi selittää sen, että alkuräjähdyksessä tavallista ainetta syntyi enemmän kuin antiainetta.

Teoria menee niin, että heti alkuräjähdyksen jälkeen syntyi aineen ja antiaineen lisäksi raskaita niin sanottuja hermafrodiittihiukkasia, jotka olivat sekä ainetta että antiainetta. Niiden hajotessa syntyi enemmän ainetta kuin antiainetta ja maailmankaikkeus pääsi muodostumaan. Nykyään kaksoisroolihiukkasia ei enää ole.

Niitä saattoi esiintyä vain kaikkeuden ensi hetkinä. Jos neutriino osoittautuu oman itsensä anti­hiukkaseksi, todennäköisesti samanlaisia hiukkasia oli olemassa aikojen alussa.

Toiveissa nolla neutriinoa

Cuore-ilmaisimen tehtävänä on selvittää, onko neutriinolla kaksoisrooli. Nimi on lyhenne sanoista Cryogenic Underground Observatory for Rare Events eli suomeksi suunnilleen ”kryogeeninen maanalainen harvinaisten tapahtumien havainnointi­laite”.

Gran Sasson kansallisessa laboratoriossa Italiassa sijaitseva Cuore-ilmaisin suorittaa maailman hitainta mittausta.

© Y. Suvorov/cuore.lngs.infn.it

Kryogeniikka on fysiikan alue, jossa tutkitaan ilmiöitä alle −150 asteessa. Cuoren havainnoimat harvinaiset tapahtumat liittyvät telluuri-alkuaineen radioaktiivisen isotoopin Te 130:n beetahajoamiseen.

Isotoopissa esiintyy kaksoisbeetahajoamista, joka on erityyppistä kuin se, jota Wolfgang Pauli tutki. Sen sijaan, että yksi neutroni hajoaisi protoniksi, elektroniksi ja neutriinoksi, siinä hajoaa kaksi neutronia yhtä aikaa kahdeksi protoniksi, kahdeksi elektroniksi ja kahdeksi neutriinoksi.

Jos neutriino on myös oma antihiukkasensa, ajoittain tapahtuu kaksoisbeetahajoamista, jossa syntyvät kaksi neutriinoa tuhoavat toisensa heti. Tällöin hajoamisessa vapautuvat kaksi elektronia sisältävät yksin kaiken sen energian, joka vastaa kahden neutronin ja kahden protonin välistä massaeroa.

Lämpö kertoo hajoamisen

Juuri tätä energiaa Cuorella havainnoidaan.

Cuore otettiin käyttöön 2017. Ensin sillä määritettiin Te 130:n puoliintumisaika, jotta tiedetään, miten monta neutriinotonta hajoamista on odotettavissa.

Tulos kuului: enintään yksi hajoaminen vuodessa ja koko viisivuotisen kokeen aikana viisi.

Edessä on siis maailman hitain tieteellinen koe, mutta se on vaivan arvoinen, jos se tuo tiedon siitä, miten maailmankaikkeus syntyi.