Antiaine

Antiaine voi sotkea fysiikan teoriat

Tutkijat ovat ensi kertaa onnistuneet jäähdyttämään antiainetta niin paljon, että päästään mittaamaan, miten painovoima vaikuttaa siihen. Mittaustulos näyttää, pitävätkö fysiikan teoriat paikkansa ja ehkä senkin, miksi maailmankaikkeus on olemassa.

Tutkijat ovat ensi kertaa onnistuneet jäähdyttämään antiainetta niin paljon, että päästään mittaamaan, miten painovoima vaikuttaa siihen. Mittaustulos näyttää, pitävätkö fysiikan teoriat paikkansa ja ehkä senkin, miksi maailmankaikkeus on olemassa.

Shutterstock og BiM

Kaikki aine syntyi häviävän pienessä pisteessä 13,8 miljardia vuotta sitten. Samalla vapautui valtavasti energiaa ja maailmankaikkeus lähti laajenemaan käsittämättömällä nopeudella.

Laajentuessaan maailmankaikkeus viileni niin, että osa energiasta tiivistyi hiukkasiksi. Sekuntia myöhemmin hiukkaset kuitenkin tuhosivat toisensa. Jäljelle jäi tyhjä avaruus. Siellä ei ollut kaasua, pölypilviä, tähtiä, planeettoja eikä galakseja – vain aineeton avaruus täynnä energiaa.

Näin maailmankaikkeuden historian olisi pitänyt mennä, jos fysiikan teoriat pitäisivät paikkansa. Ne nimittäin sanovat, että kun energia muuttuu hiukkasiksi, syntyy aina yhtä monta hiukkasta tavallista ainetta ja antiainetta. Kun aine ja antiaine kohtaavat, ne kumoavat toisensa ja muuttuvat taas energiaksi.

Siksi on oikeastaan fysiikan oppien vastaista, että maailmankaikkeudessa on ainetta ja esimerkiksi ihmiset ovat olemassa. Ristiriitaa yritetään ratkaista selvittämällä, mitä antiaineelle on tapahtunut.

Kokeilla etsitään aineen ja antiaineen eroja.

Vastaus voi piillä aineen ja antiaineen pienenpienissä eroavaisuuksissa. Niitä etsitään Euroopan hiukkasfysiikan tutkimuskeskuksessa Cernissä.

Tutkijat Galileo Galilein jalanjäljissä

Kun antiainetta jäähdytetään rajusti, sitä päästään tutkimaan yksityiskohtia myöten. Tutkimustuloksista toivotaan löytyvän selitys sille, missä kadonnut antiaine piilee tai mikä muu on vialla fysiikan teoriassa.

Cernin ALPHA-koesarjalla yritetään selvittää muun muassa, vaikuttaako painovoima samalla tavalla aineeseen ja antiaineeseen.

Hiukkasfysiikan standardimallin mukaan painovoiman pitäisi vaikuttaa samalla tavalla molempiin. Sen mukaan nimittäin aine ja antiaine ovat toistensa peilikuvia. Protonilla ja antiprotonilla pitäisi siis olla sama massa mutta vastakkainen varaus ja spin. Sama koskee elektronia ja sen antiainevastinetta positronia. Ja samalla tavalla kuin protoni ja elektroni muodostavat vetyatomin, antiprotoni ja positroni muodostavat antivetyatomin.

Teorian mukaan antiaine on tavallisen aineen peilikuva. Antiaineatomin osilla on siis muun muassa yhtä suuri sähköinen varaus kuin tavallisella aineella, mutta sillä on vastakkainen etumerkki.

Antiaine
© Claus Lunau

Vety koostuu positiivisesti varautuneesta protonista ja sitä kiertävästä negatiivisesti varautuneesta elektronista.

Antiaine
© Claus Lunau

Antivety koostuu negatiivisesti varautuneesta antiprotonista ja sitä kiertävästä positiivisesti varautuneesta positronista.

Standardimallin mukaan aineen ja antiaineen hiukkasia ohjaa niin sanottu CTP-symmetria. CTP tulee sanoista charge, parity ja time eli varaus, pariteetti ja aika. Jos aine ja antiaine käyttäytyvät eri tavalla esimerkiksi painovoimakentässä, se rikkoo symmetrian ja vie samalla pohjan koko standardimallilta.

Cernin ALPHA-kokeessa on siis paljon pelissä.

Cernin tutkijoiden menetelmät muistuttavat monella tapaa niitä kokeita, jotka Galileo Galilei teki reilut 400 vuotta sitten.

Galilei

Galileo Galilei osoitti kokeillaan, että painovoima vaikuttaa samalla tavalla kaikkiin kappaleisiin – ainakin, jos ne ovat tavallista ainetta.

© Look and Learn/Bridgeman Images

Galilei teki ison joukon kokeita, joilla hän osoitti, että raskaat kappaleet putoavat yhtä nopeasti kuin kevyet.

Tarinan mukaan Galilei pudotti Pisan Kaltevasta tornista kaksi erikokoista rautakuulaa todistaakseen väitteensä, mutta todellisuudessa hän tutki asiaa useilla kokeilla pitkään ja perusteellisesti.

Galilei teki vuosikymmenten ajan kokeita, joissa hän vieritti kuulia tätä tarkoitusta varten rakennettuja luiskia pitkin ja merkitsi tarkasti muistiin, miten kauan kuulien vieriminen kesti.

Kokeillaan Galilei ei pelkästään todistanut, että kappaleet putoavat yhtä nopeasti riippumatta siitä, mikä niiden massa on, vaan hän myös opetti tuleville tutkijasukupolville, miten tieteellistä tutkimusta tehdään: täsmällisillä kokeilla, jotka dokumentoidaan tarkasti.

Pieni ero selittää maailmankaikkeuden

Perusteellisuudestaan huolimatta Galilei ei olisi voinut ottaa antiainetta mukaan kokeisiinsa. Antiaineen olemassaolon mahdollisuuden osoitti brittiläinen fyysikko Paul Dirac vuonna 1928. Kokeellisesti ensimmäinen antiainehiukkanen, positroni, havaittiin neljä vuotta myöhemmin.

Olisi yllätys, jos antiaine putoaisi ylöspäin.

Siitä lähtien tutkijat ovat yrittäneet selvittää, pätevätkö Galilein havainnot myös antiaineeseen. Olisiko esimerkiksi mahdollista, että antiaine putoaa vastakkaiseen suuntaan kuin aine eli ylöspäin. Se on periaatteessa mahdollista, vaikkakin useimmat fyysikot pitävät sitä epätodennäköisenä.

Pienempikin ero voi olla merkittävä. Se voi olla esimerkiksi ero hiukkasten niin sanotussa kvanttiluvussa. Se tarkoittaisi sitä, että painovoima vaikuttaa antiainehiukkasiin hitusen eri tavalla kuin tavallisen aineen hiukkasiin. Ne saattaisivat vaikkapa pudota painovoimakentässä hieman nopeammin tai hitaammin.

Tällainen ero voisi selittää, miksi alkuräjähdyksen jälkeen syntyi tilanne, jossa ainetta oli enemmän kuin antiainetta. Fyysikot ovat laskeneet, että jos edes yksi ainehiukkanen kymmenestä miljardista säilyi sekunnin alkuräjähdyksen jälkeen, nyt olemassa oleva maailmankaikkeus on selitettävissä nykyteorioilla.

Jotta ALPHA-koesarja voi antaa osviittaa hiukkasten eroista, antiaine pitää saada pysymään aloillaan niin kauan, että sillä voidaan tehdä kokeita. Kokeiden aikana antiainehiukkaset eivät saa päästä tekemisiin tavallisen aineen hiukkasten kanssa. Siksi kokeet tapahtuvat tyhjiösäiliössä, josta kaikki ilma on imetty pois.

Säiliössä on voimakkaat magneetit, joiden magneettikenttä pitää antiainehiukkaset etäällä säiliön seinistä. Uutuutena tutkijoilla on käytössään ultraviolettilaser, jonka säteillä antiaine pysyy paikoillaan.

Lasersäde jarruttaa antiainetta

Sekä tavallisessa aineessa että antiaineessa lämpötila osoittaa, miten nopeasti atomin osaset liikkuvat. Kun antiainehiukkanen syntyy Cernin hiukkaskiihdyttimessä, se liikkuu jopa 90 metriä sekunnissa. Tuoreissa tutkimuksissa on havaittu, että nopeus voidaan hidastaa 10 metriin sekunnissa niin sanotulla Doppler-menetelmällä.

Antiaine

Tällä laitteella Cernin tutkijat saivat jäähdytettyä antivedyn niin, että sitä voidaan tutkia. Apuna käytettiin ultraviolettilasersäteitä.

© CERN

Menetelmä perustuu Doppler-ilmiöön, jossa valoaallon taajuus muuttuu, kun aallon lähettäjän ja vastaanottajan etäisyys muuttuu.

Jos vastaanottaja esimerkiksi liikkuu poispäin valon lähettäjästä, vastaanottajaan osuvat valoaallot venyvät. Silloin taajuus pienenee ja valossa tapahtuu punasiirtymä eli valo muuttuu punertavaksi. Jos taas vastaanottaja liikkuu kohti lähettäjää, aallot puristuvat kasaan ja taajuus kasvaa, jolloin valo muuttuu sinertäväksi.

ALPHA-tutkijoiden uudessa jäähdytystankissa laservalon taajuus on säädetty niin, että se vaikuttaa vain niihin antiatomeihin, jotka vastaanottavat sinisiirtynyttä valoa, eli antiatomeja, jotka liikkuvat laseria kohti. Matkalla ne imevät valohiukkasia, jolloin niiden nopeus hidastuu.

Paikallaan oleville tai laserista poispäin liikkuville antiatomeille ei tapahdu mitään. Kokonaisuutena antiatomien nopeus hidastuu ja samalla niiden lämpötila laskee.

Kun antivety on jäähdytetty laserilla lähelle absoluuttista nollapistettä, se johdetaan laitteeseen, jossa pudotuskoe tehdään. Laite on tornimainen tyhjiösäiliö.

Pudotuskoe on periaatteessa lähes samanlainen kuin se, jonka Galilei teki Pisan Kaltevassa tornissa. Antiatomien annetaan pudota tyhjiösäiliön läpi ja mitataan, miten nopeasti ne osuvat säiliön pohjaan.

Antiatomien osuminen pohjaan ei jää huomaamatta. Kun antiatomit törmäävät pohjan tavalliseen aineeseen, ne muuttuvat säteilyksi, joka on helppo havaita.

Pudotussäiliö

Cernin tutkijat ovat viimeistelemässä tyhjiösäiliötä, jossa pudotuskokeet antivedyllä tehdään.

© Maximilien Brice/CERN

Jos Cernin pudotuskokeissa ilmenee, että painovoima vaikuttaa antiaineeseen eri tavalla kuin tavalliseen aineeseen, fyysikot saavat alkaa laskea, olisiko se selitys siihen, että tavallinen aine pääsi voitolle maailmankaikkeudessa.

Jos painovoiman vaikutuksessa ei ole eroa, tutkimusta jatketaan kokeilla, joissa luodataan antiaineen muita ominaisuuksia, kuten sitä, ottaako ja luovuttaako antiatomi energiaa samalla tavalla kuin tavalliset atomit.

Jos eroa ei löydy siitäkään, selitys voi olla aivan toisenlainen. On myös mahdollista, että antiaine ei olekaan kadonnut minnekään, vaan sitä on edelleen maailmankaikkeudessa antitähtinä ja antiplaneettoina.

Antitähtiä etsimässä

Vielä muutama vuosi sitten useimmat fyysikot olisivat pitäneet antiaineesta muodostuneiden taivaankappaleiden olemassaoloa mahdottomana. Sittemmin käsitys on muuttunut. Kansainvälisen avaruusaseman ISS:n AMS-spektrometrilla on havaittu outoja hiukkasia, antiheliumatomeja, jotka voivat mullistaa käsitykset maailmankaikkeudesta.

AMS

Kansainvälisen avaruusaseman ISS:n AMS-hiukkasilmaisin on havainnut antiheliumia, joka voi olla peräisin antitähtien sisäisestä fuusioreaktiosta.

© NASA

Antivedyn antiprotonit ovat avaruudessa arkinen ilmiö, sillä niitä syntyy monissa tunnetuissa tähtien prosesseissa.

Sen sijaan antiheliumatomit, joiden ytimessä on kolme tai neljä hiukkasta, ovat niin harvinaisia ja ne hajoavat niin helposti, että tutkijat eivät osanneet odottaa näkevänsä niitä. Ne voivat olla peräisin antitähdestä eli tähdestä, joka koostuu antiaineesta.

Ajatus antitähdistä voi tuntua oudolta, mutta teoriassa niitä voi hyvin olla olemassa. Ne näyttäisivät kaukaa katsottuina samalta kuin muutkin tähdet, ja niiden sisäiset prosessitkin olisivat samanlaisia. Niissä vain antivetyatomit yhdistyisivät antiheliumiksi, kun tavallisissa tähdissä tavallinen vety fuusioituu tavalliseksi heliumiksi.

Antitähdet erottaa tavallisista tähdistä vain, kun niistä tulevat antiainehiukkaset törmäävät niiden ympäristössä oleviin tavallisen aineen hiukkasiin.

Antitähti eli antiaineesta koostuva tähti näyttää samalta kuin muutkin tähdet. Sen tunnistaa kuitenkin säteilystä, joka syntyy, kun sen hiukkaset törmäävät tavallisen aineen hiukkasiin.

Antiaine
© Claus Lunau

1. Antitähdestä virtaa antihiukkasia

Tavallisista tähdistä virtaa avaruuteen sähköisesti varautuneita hiukkasia, enimmäkseen protoneja ja elektroneja. Auringon hiukkasvirtaa sanotaan aurinkotuuleksi. Antitähdestä virtaisi antiprotoneja ja positroneja eli antielektroneja.

Antiaine
© Claus Lunau

2. Antiaine kohtaa aineen

Avaruudessa antitähdestä virtaavat antiainehiukkaset törmäävät tavallisiin hiukkasiin, joita tulee esimerkiksi tavallisista tähdistä. Kun aine ja antiaine kohtaavat, ne tuhoavat toisensa ja samalla syntyy voimakas gammasäteilypurkaus.

Antiaine
© Claus Lunau

3. Säteily analysoidaan

Maata kiertävä Fermi-avaruusteleskooppi mittaa Linnunradan tähdistä tulevaa gammasäteilyä. Jos jonkin tähden lähistöllä esiintyy erityisen voimakasta gammasäteilyä eikä sille ole hyvää selitystä, sitä tutkitaan mahdollisena antitähtenä.

Kun aineen ja antiaineen hiukkaset törmäävät, ne tuhoavat toisensa ja jäljelle jää energiaa gammasäteilynä. Fermi-avaruusteleskooppi mittaa gammasäteilyä. Ranskalaisen Toulousen yliopiston tutkijat ovat käyneet läpi Fermin mittaustuloksia Linnunradan tähdistä ja etsineet niiden perusteella mahdollisia antitähtiä.

Tutkijat löysivät 14 mahdollista antitähteä, joiden gammasäteilyn voimakkuutta ei voitu selittää muuten kuin antiaineella.

Avaruusteleskooppi Fermi

Avaruusteleskooppi Fermi on kartoittanut Linnunradan gammasäteilyn lähteitä. Sen tulosten perusteella on tunnistettu 14 gammasäteilyn lähdettä, jotka voivat olla antitähtiä.

© LAT Collaboration/Fermi/DOE/NASA & Claus Lunau

On vielä hyvin epävarmaa, ovatko nämä 14 gammasäteilyn lähdettä todella antitähtiä, joiden antiaine on peräisin maailmankaikkeuden lapsuudesta. Jos käy ilmi, että ne ovat, alkuräjähdysteoria pitää kirjoittaa uudestaan.

Cernin antiainekokeet eivät siis koske vain fysiikan standardimallia, vaan niiden tulokset voivat kumota myös koko kosmologisen selityksen maailmankaikkeuden synnystä ja kehityksestä.