Onko pimeä aine tehty aksioneista?

Viime viikolla, kun erään italialaisen laboratorion tutkijat ilmoittivat, että heidän ilmaisimensa odottamattomat pätkät saattoivat olla peräisin kauan etsityistä aksioneiksi kutsutuista subatomisista hiukkasista, heidän kollegansa suhtautuivat asiaan varovaisen toiveikkaasti: Fysiikassa väitetyt havaintomerkinnät uusista hiukkasista häviävät usein merkityksettömiksi tutkijoiden kerätessä lisää tietoa. On myös muita, proosallisempia selityksiä näille pätkimisille. Sitä vastoin teoreettiset perusteet aksionien olemassaololle ovat monien fyysikoiden mielestä vakuuttavia. Hypoteettiset hiukkaset ovat yksi tärkeimmistä ehdokkaista pimeäksi aineeksi, salaperäiseksi aineeksi, joka muodostaa suurimman osan aineellisesta maailmankaikkeudesta. Aksionien olemassaolon vahvistaminen olisi läpimurto hiukkasfysiikassa – ja löytö, jolla olisi kauaskantoisia vaikutuksia ymmärrykseemme maailmankaikkeuden koostumuksesta ja historiasta.

Aksionien tarina alkaa 1970-luvulla, kun fyysikot, jotka kehittivät standardimallia – tunnettuja hiukkasia ja niiden vuorovaikutuksia kuvaavaa kehystä – huomasivat jotakin outoa vahvassa ydinvoimassa, joka yhdistää kvarkit toisiinsa muodostaen protonit ja neutronit atomien ytimissä. Tämä voima säätelee jotenkin neutronien rakennetta niin, että ne ovat täysin symmetrisiä. Toisin sanoen, vaikka neutroni on neutraali, sen sisältämät kvarkit kantavat varausta – ja tuntemattomasta syystä tämä varaus on jakautunut uskomattoman tasaisesti (viimeisimpien mittausten mukaan ainakin yhden miljardin osan tarkkuudella). Hiukkasfysiikan kielellä neutronilla sanotaan olevan varauspariteettisymmetria (CP-symmetria): jos kaikki sen varaukset käännetään positiivisista negatiivisiin ja samalla tarkastellaan sen käyttäytymistä peilistä, sillä ei olisi mitään havaittavaa vaikutusta. Kysymys siitä, miksi hiukkasella on tällainen järjestely, tuli tunnetuksi ”vahvana CP-ongelmana”.

Silloin vuonna 1977 Helen Quinn ja edesmennyt Roberto Peccei, jotka molemmat työskentelivät tuolloin Stanfordin yliopistossa, ehdottivat ratkaisua: kenties on olemassa tähän asti tuntematon kenttä, joka läpäisee koko avaruuden ja vaimentaa neutronin epäsymmetrian. Myöhemmin teoreettiset fyysikot Frank Wilczek ja Steven Weinberg päättelivät, että jos standardimallia muokattaisiin niin, että se sallisi tällaisen kentän, se merkitsisi uuden hiukkasen, aksionin, olemassaoloa. (Wilczek sai idean nimeen eräästä pyykinpesuaineesta.) Aksionilla ei olisi kvanttimekaanista ”spiniä”, joten se olisi bosoni. Sen massa, vaikkei se olekaan nolla, olisi uskomattoman pieni.

Vaikka sen massa olisi häviävän pieni, aksioneja olisi niin paljon, että fyysikot tajusivat pian, että ne voisivat selittää suuren osan maailmankaikkeudesta ”puuttuvasta” massasta: Tähtitieteelliset havainnot 1930-luvulta lähtien viittaavat siihen, että näkyvä aine – galaksit, tähdet, planeetat ja niin edelleen – edustaa alle kuudesosaa kosmoksen kaiken aineen kokonaismassasta, ja lopun muodostaa pimeä aine. Tämän pimeän aineen luonteesta on siitä lähtien käyty kiivasta keskustelua.

”Aksioni on itse asiassa todella hyvä pimeän aineen ehdokas”, sanoo Peter Graham Stanfordista. Sen lisäksi, että kosmoksen pitäisi olla täynnä näitä hiukkasia, aksionit olisivat luonnostaan ”pimeitä”, eli ne eivät vuorovaikuttaisi tavallisen aineen kanssa juuri lainkaan. ”Maailmankaikkeus tykkää tuottaa aksioneja”, Graham sanoo, ”ja se tykkää tuottaa niitä siten, että ne käyttäytyisivät kuin kylmä pimeä aine, jota tiedämme olevan olemassa.”

”Kylmä” on tärkeä varoitus: aksionit, jotka tutkijat väitetysti havaitsivat Italian Gran Sasson kansallisessa laboratoriossa tehdyllä XENON1T-kokeella, olisivat luultavasti syntyneet aurinkomme sisällä. Ne olisivat erittäin energeettisiä ja siten epätodennäköisesti pimeän aineen komponentteja. Pimeän aineen aksionien täytyisi olla hitaasti liikkuvia tai kylmiä, jotta ne voisivat kasautua yhteen ja ohjata galaksien kehitystä painovoiman avulla – kuten pimeän aineen uskotaan tekevän. Teoreetikot epäilevät, että tällaisia aksioneja on voinut syntyä varhaisessa maailmankaikkeudessa. Koska prosessit, joiden uskotaan synnyttävän kylmiä aksioneja, saattavat liittyä maailmankaikkeuden varhaiseen kasvupyrähdykseen – inflaatioksi kutsuttuun poikkeukselliseen koon kasvuun – näiden vaikeasti lähestyttävien hiukkasten löytäminen ja tutkiminen voisi auttaa fyysikoita ymmärtämään alkuräjähdyksen jälkeisiä ensimmäisiä hetkiä. Vaikka aksionien löytäminen ei Grahamin mukaan todistaisi, että inflaatio tapahtui, se antaisi arvokkaan välähdyksen tuon aikakauden fysiikasta. ”Minulle se on se jännittävä asia aksioneissa”, hän lisää.

Tutkijat reagoivat kuitenkin varovaisesti – myös XENON1T-ryhmän jäsenet. He ovat varmoja vain siitä, että he ovat nähneet yllättävän paljon elektronien ”rekyyliä” valtavassa nestemäistä ksenonia sisältävässä sammiossa, joka on kokeen sydän. Se, mikä sai elektronit hyppäämään, on avoin keskusteluille. Jos neutriinoiksi kutsutuilla subatomisilla hiukkasilla on odottamattomia magneettisia ominaisuuksia, tämä järjestely voisi selittää havaitut tulokset. Selitys voi olla myös arkipäiväisempi: ksenon voi olla vain saastunut tritiumilla – vedyn raskaammalla muodolla, jonka luontainen säteily on voinut hämärtää XENON1T:ssä havaittua signaalia. Lisäksi epänormaaliin signaaliin liittyvä luotettavuustaso on vain ”3,5 sigmaa”, mikä tarkoittaa, että yksi mahdollisuus 5 000:sta on, että ”signaali” on itse asiassa pelkkää kohinaa, joka johtuu pikemminkin tilastollisista vaihteluista kuin aidosta uudesta fysiikasta. Nämä todennäköisyydet saattavat kuulostaa hyvältä, mutta ne ovat selvästi alle yhden suhde 3,5 miljoonaan eli ”viiden sigman” standardin, joka perinteisesti liittyy hiukkasfysiikan laillisiin löytöihin.

Sen lisäksi, että XENON1T:n tutkijat keräävät lisää dataa ja parantavat koettaan, he aikovat etsiä mahdollisia vuosittaisia muutoksia näennäisessä signaalissa. Auringon aksionien pitäisi aiheuttaa tuon signaalin vaihtelua Maan kiertäessä Aurinkoa. Samaan aikaan vahvistavia todisteita voisi saada Washingtonin yliopiston Axion Dark Matter Experiment (ADMX) -kokeilusta tai Geneven lähellä sijaitsevan CERNin CAST (CERN Axion Solar Telescope) -kokeilusta. ADMX on jo onnistunut asettamaan uusia rajoituksia aksionin massalle, ja CAST on metsästänyt auringon aksioneja vuodesta 2003 lähtien.

Jos aksionit osoittautuvat todellisiksi, se olisi ”teoreettisen fysiikan riemuvoitto – olemme esittäneet tämänkaltaisen esteettisen väitteen, ja sitten luonto sanoo: ’Jep, se on totta'”, sanoo Wilczek, joka toimii Massachusettsin teknillisessä tutkimuslaitoksessa (Massachussetts Institute of Technology), ja hän sai vuonna 2004 fysiikan Nobel-palkinnon vahvan ydinvoiman teoreettisesta tutkimuksesta. Hänen mukaansa aksionien olemassaolo viittaisi uuteen fysiikkaan Standardimallin ulkopuolella, mitä hän ja hänen kollegansa ovat odottaneet jo vuosikymmeniä. Wilczek ehdottaa, että voitaisiin rakentaa uudenlaisia antenneja, joilla voitaisiin etsiä varhaisessa maailmankaikkeudessa syntyneitä aksioneja. Jos näitä aksioneja onnistutaan mittaamaan, se ”avaisi uuden luvun tähtitieteessä”, hän lisää, koska hiukkasten käyttäytyminen voisi valottaa galaksien muodostumista ja ”mahdollisesti muitakin yllättäviä asioita.”

Vaikka tällaiset kehityskohteet olisivat todennäköisesti Nobelin arvoisia, Wilczek ei ole raivaamassa hyllystään tilaa toiselle mitalille. Mutta jos toinen Nobel tulisi hänen tielleen, hän sanoo, ettei hän ”kieltäytyisi siitä”

.