Viides luonnonvoima – yritämme selittää

Olette ehkä nähneet tällä viikolla otsikoita viidennen luonnonvoiman löytymisestä. Ehkä jopa luit vähän siitä, mutta sitten luultavasti lopetit lukemisen, koska… hiukkasfysiikka, kvantit, bosonit, voimankantajat…

Pois artikkelien luota: Olemme täällä auttamassa.

Jos muistat jotain koulussa oppimastasi fysiikasta, saatat muistaa, että luonnossa on neljä perusvoimaa.

Ne ovat ilman erityistä järjestystä painovoima, sähkömagnetismi, heikko ydinvoima ja vahva ydinvoima.

Viides? Pitäisikö minun tietää neljä muuta?

Painovoima on melko helppo ymmärtää: kaksi mitä tahansa asiaa, joilla on massaa (atomit, ihmiset, planeetat, tähdet), vetävät toisiaan kohti. Mitä suurempi massa, sitä voimakkaampi vetovoima. Helppo homma.

Elektromagnetismi? No se on yksinkertaista, se on sähköä ja magnetismia sekaisin. Niin, mutta se ei oikein selitä miten se toimii. Sähkömagneettinen voima selittää miten sähköisesti (positiivisesti tai negatiivisesti) varautuneet asiat ovat vuorovaikutuksessa toistensa kanssa. Yksi tärkeimmistä johtopäätöksistä on, että magneettinen varaus voi luoda sähkövarauksen ja päinvastoin. Nämä vuorovaikutukset ovat vastuussa sähköenergian tuotannosta, mikä on aika iso juttu. Sähkömagnetismi ja se, miten se työntää ja vetää esineitä, on vastuussa energiasta esimerkiksi paristoissa ja magneeteissa, mutta siihen kuuluu myös valo, joka on vain sähkömagneettisen säteilyn aaltoja.

Kaksi muuta ovat heikko ja vahva ydinvoima, ja vaikka molemmat ovatkin painovoimaa voimakkaampia, ne vaikuttavat vain atomien välisissä pienissä tiloissa ja vielä pienemmissä tiloissa, joissa kvanttifysiikka alkaa tehdä kaikesta todella outoa.

Vahva ydinvoima on itse asiassa neljästä tunnetusta voimasta vahvin, ja se on periaatteessa liima, joka sitoo kaiken yhteen. Se on vastuussa siitä, että protonit ja neutronit (jotka yhdessä elektronien kanssa muodostavat atomit) pysyvät stabiileina, ja sitten se sallii niiden sitoutua atomiytimiin. Heikko voima taas on vastuussa radioaktiivisesta hajoamisesta, ja se on vahvan voiman vastakohta, ja se ohjaa sitä, miten asiat hajoavat ydintasolla. Ja muuten se on vastuussa fuusiosta ja pitää aurinkomme kirkkaana ja lämpimänä.

Näin ne neljä voimaa ovat, menemättä liian syvälle siihen, miten nämä asiat toimivat.

Entäpä sitten viides voima?

Mutta, meidän on mentävä hieman syvemmälle, koska meidän on tiedettävä, mikä saa painovoiman tai jonkin muun voiman todella tekemään tehtävänsä.

Meneekö yksi kappale, jolla on massa, vain maagisesti liikkeelle kohti toista massiivista esinettä? Ei, sen mahdollistavat asiat joita kutsutaan voimankantajapartikkeleiksi. Voimankantajat ovat hiukkasia, jotka kuljettavat informaatiota olioiden välillä ja kertovat niille miten käyttäytyä. Ajattele voimankantajia pieninä taskussa olevina perustuslaeina jokaiselle neljästä perusvoimasta. Ne määrittelevät kaikki käyttäytymissäännöt, mutta myös pakottavat voimat (ha) toimimaan noiden sääntöjen mukaan.

Gravitaation voimankantajat ovat hypoteettisia asioita, joita kutsutaan gravitoneiksi, ja sähkömagnetismin voimankantajat ovat fotoneja. Heikon ydinvoiman kantajia kutsutaan W- ja Z-hiukkasiksi ja vahvan ydinvoiman kantajia gluoniksi. Nämä kaikki voimankantajat luokitellaan esimerkkeinä bosoneista.

Mutta viime vuonna Unkarin tiedeakatemian fyysikkoryhmä havaitsi, mitä Kalifornian yliopiston Irvinen (UCI) fysiikan laitos kutsui ”hämmentäviksi poikkeavuuksiksi heidän kokeellisissa tiedoissaan”. Unkarilaiset eivät olleet varmoja siitä, mitä poikkeamat olivat, mutta ne viittasivat uudenlaisen valohiukkasen olemassaoloon. Sen pidemmälle he eivät päässeet. He eivät kyenneet selvittämään, oliko tällä uudella hiukkasella massaa vai oliko se uudenlainen bosoni, jolla ei ole massaa, kuten fotonilla.

Abraham Lincolnia lainatakseni maailma valitettavasti ”ei juurikaan noteerannut eikä pitkään muistanut” unkarilaisten tiedemiesten työtä.

Vieraana oli UCI:n fysiikan ja tähtitieteen professorin Jonathan Fengin johtama fyysikkoryhmä. Ryhmänsä kanssa Feng tutustui unkarilaisten työhön, kokosi yhteen joukon muita samankaltaisia kokeita ja päätti, että unkarilaiset ovat itse asiassa saattaneet löytää uudenlaisen voimankantajabosonin.

”Joskus”, Feng sanoo, ”kutsumme sitä myös vain X-bosoniksi, jossa X tarkoittaa tuntematonta”. Jos he ovat oikeassa, uusi voimankantajahiukkanen tarkoittaa, että täytyy olla olemassa uusi voima, viides perusvoima.

Ryhmien työ julkaistiin juuri Physical Review Letters -lehdessä. ”Jos se pitää paikkansa, se on vallankumouksellista”, Feng sanoi. ”Vuosikymmeniä olemme tienneet neljästä perusvoimasta… tämä mahdollisen viidennen voiman löytyminen muuttaisi täysin käsitystämme maailmankaikkeudesta, millä olisi seurauksia voimien yhdistämiselle ja pimeälle aineelle.”

Eikä tässä vaiheessa edes puhuta pimeästä aineesta.

Missä tämä voima on siis piileskellyt? Feng sanoo, että se on yksinkertaisesti jäänyt aiemmin huomiotta. ”Sen vuorovaikutukset ovat hyvin heikkoja”, Feng sanoo.

Mutta hän lisää: ”Pienissä laboratorioissa ympäri maailmaa työskentelee monia koeryhmiä, jotka voivat seurata alkuperäisiä väitteitä, nyt kun he tietävät, mistä etsiä.”

Mitä se siis tekee ja mitä se tarkoittaa?

Tämä uusi voima on hyvin samankaltainen kuin sähkömagnetismi, mutta tutkimuksen toisena kirjoittajana toimineen Tim Taitin mukaan ”kun normaali sähköinen voima vaikuttaa elektroneihin ja protoneihin, tämä uusi löydetty bosoni on vuorovaikutuksessa vain elektronien ja neutronien kanssa – ja äärimmäisen rajoitetulla alueella.”

Mutta lisää tutkimusta tarvitaan sen selvittämiseksi, mitä TÄMÄ tarkalleen ottaen tarkoittaa fysikaalisen maailman toiminnan kannalta.

Jos siis tämä uusi voima vahvistetaan, mitä se tekisi ymmärryksellemme maailmasta? Edes Feng ei vielä tiedä. Mutta spekulaatioista ei ole pulaa. Se voisi auttaa tiedemiehiä löytämään fysiikan Graalin maljan, suuren yhtenäisteorian. Tämä viides voima voisi auttaa yhdistämään sähkömagneettisen, heikon ja vahvan ydinvoiman vaikutukset, jotka ovat Fengin mukaan ”yhden suuremman, perustavamman voiman ilmentymiä”.”

Fyysikot ovat jo pitkään haaveilleet selvittävänsä, toimiiko sähkömagnetismi sekä vahva ja heikko ydinvoima yhdessä, ja tämä uusi voima voisi olla iso palanen tuossa palapelissä.

Jos pystymme todistamaan tämän viidennen voiman olemassaolon, se saattaa tuoda meidät askeleen lähemmäs sitä, että saamme todellisen käsityksen siitä, miten maailmankaikkeutemme toimii.

Vai mitä?

Vai mitä?