Luonto
Tiede
Yhteiskunta
Kolumnit
Kilpailut
Asiakaspalvelu
Mediatiedot
Astrofyysikot ovat rakentaneet Kanadaan Sudburyn lähelle jättimäisen neutriinopyydyksen. Keskellä näkyvä tuhansin valosensorein varustettu ilmaisin on halkaisijaltaan 18 metriä. Koska kuva on 360 asteen panoraama, sen mittasuhteet ovat vääristyneet.

Astrofyysikot ovat rakentaneet Kanadaan Sudburyn lähelle jättimäisen neutriinopyydyksen. Keskellä näkyvä tuhansin valosensorein varustettu ilmaisin on halkaisijaltaan 18 metriä. Koska kuva on 360 asteen panoraama, sen mittasuhteet ovat vääristyneet.

Volker Steger

GEO

6.4.2018

Tunnetko fysiikan häirikön?

Neutriinot ovat aineen kevyimpiä rakenneosasia. Niitä yritetään pyydystää valtavilla laitteilla. Syy on yksinkertainen: neutriino on häirikkö, joka rikkoo vallitsevaa maailmanmallia.

Neut­rii­non jäl­jit­tä­mi­sen sy­sä­si liik­keel­le itä­val­ta­lai­sen fyy­si­kon oi­val­lus. Wolf­gang Pau­li esit­ti jou­lu­kuus­sa 1930 ra­di­oak­tii­vi­ses­sa ha­jo­a­mi­ses­sa ha­vai­tul­le ener­gi­a­ka­dol­le yh­den ai­no­an se­li­tyk­sen: uu­den nä­ky­mät­tö­män hiuk­ka­sen. Sit­ten Pau­liin is­ki epäi­lys. Hän us­koi teh­neen­sä jo­tain, mitä yh­den­kään te­o­reet­ti­sen fyy­si­kon ei pi­täi­si teh­dä. Hän oli eh­dot­ta­nut rat­kai­sua, jota – näin hän epäi­li – ei kos­kaan pys­tyt­täi­si vah­vis­ta­maan ko­kein.

Mik­si neut­rii­non ole­mas­sa­o­lon to­dis­ta­mi­nen sit­ten vai­kut­ti mah­dot­to­mal­ta teh­tä­väl­tä? Neut­rii­no on pal­jon ke­vy­em­pi kuin muut hiuk­ka­set ku­ten pro­to­ni, neut­ro­ni ja elekt­ro­ni. Neut­rii­nol­la ei ole myös­kään säh­kö­va­raus­ta.

Wolf­gang Pau­li oli on­nek­si vää­räs­sä. Fyy­si­kot ovat pääs­seet neut­rii­non jäl­jil­le epä­suo­ras­ti, sen vai­ku­tus­ten kaut­ta. Kun neut­rii­no tör­mää ato­min ra­ken­ne­o­sa­seen, syn­tyy uu­sia hiuk­ka­sia, jot­ka voi­daan ha­vai­ta hiuk­ka­sil­mai­si­min. Ti­lan­ne muis­tut­taa bil­jar­din pe­laa­mis­ta nä­ky­mät­tö­mäl­lä pal­lol­la. Tie­däm­me pal­lon ole­van ole­mas­sa, kun nä­em­me vä­ril­lis­ten pal­lo­jen ha­jaan­tu­van.

Nyt neut­rii­not ovat olen­nai­nen osa niin sa­not­tua hiuk­kas­fy­sii­kan stan­dar­di­mal­lia. Neut­rii­noil­la on kui­ten­kin myös eris­kum­mal­li­sia omi­nai­suuk­sia. Sik­si neut­rii­not viit­taa­vat myös stan­dar­di­mal­lin ul­ko­puo­lel­le, ny­kyi­sen tie­de­kä­si­tyk­sen ylit­tä­vään fy­siik­kaan.

Mo­ni­muo­toi­nen kar­ku­lai­nen

Neut­rii­no­ja on vai­kea pyy­dys­tää, vaik­ka ne ovat fo­to­nien eli va­lo­hiuk­kas­ten jäl­keen uni­ver­su­min toi­sek­si ylei­sim­piä hiuk­ka­sia. Nii­tä on kaik­ki­al­la, mut­ta ne kart­ta­vat koh­taa­mi­sia. Li­säk­si ava­ruu­des­ta ja il­ma­ke­häs­tä kai­ken ai­kaa Maa­han sin­koi­le­vat muut hiuk­ka­set hait­taa­vat neut­rii­no­jen ha­vait­se­mis­ta. Sik­si neut­rii­non­met­säs­tä­jät suun­taa­vat sin­ne, mis­sä ki­vi­mas­sat suo­jaa­vat häi­rit­se­väl­tä hiuk­kas­vir­ral­ta – vuor­ten uu­me­niin.

Neut­ri­no­ja met­säs­te­tään muun mu­as­sa Gran Sas­son la­bo­ra­to­ri­os­sa Ita­li­as­sa. Siel­lä ole­van val­ta­van ko­koi­sen Bo­re­xi­no-il­mai­si­men an­si­os­ta tut­ki­jat ovat on­nis­tu­neet saa­maan li­sä­va­lais­tus­ta neut­rii­no­jen yh­teen eri­tyi­so­mi­nai­suu­teen eli sii­hen, et­tä ne pys­ty­vät vaih­ta­maan iden­ti­teet­ti­ään. Neut­rii­no­ja on ai­na­kin kol­mea tyyp­piä eli elekt­ro­nin, my­o­nin ja taun neut­rii­no­ja, ja ne ky­ke­ne­vät muut­tu­maan toi­sik­seen. Eri muo­dot voi erot­taa toi­sis­taan vain mas­san pe­rus­teel­la.

On viit­tei­tä sii­tä, et­tä neut­rii­no­tyyp­pe­jä voi­si ol­la vie­lä yk­si li­sää. Tämä nel­jäs neut­rii­no­tyyp­pi on ha­vait­ta­vis­sa vain lä­hie­täi­syy­del­tä, neut­rii­non elä­män en­sim­mäi­sil­lä 10–100 met­ril­lä. Sitä ni­mi­te­tään ste­rii­lik­si neut­rii­nok­si, kos­ka sen vuo­ro­vai­ku­tus mui­den ai­ne­hiuk­kas­ten kans­sa on lä­hes ole­ma­ton. Sen ole­mas­sa­o­lon to­dis­ta­mi­nen oli­si sen­saa­tio.

Neut­rii­no on kum­ma­jai­nen myös mas­san suh­teen, sil­lä se on pal­jon ke­vy­em­pi kuin kaik­ki muut ai­ne­hiuk­ka­set. Neut­rii­non mas­sa on al­le mil­joo­na­so­sa elekt­ro­nin mas­sas­ta. Ih­mis­ten kan­nal­ta tämä on hyvä asia, sil­lä jos neut­rii­not oli­si­vat pai­na­vam­pia, maa­il­ma oli­si au­tio. Ne oli­si­vat vie­neet vas­ta muo­dos­tu­mas­sa ole­vis­ta ga­lak­seis­ta ener­gi­an men­nes­sään, jol­loin kos­mis­ten ra­ken­tei­den syn­ty­mi­nen oli­si es­ty­nyt tyys­tin.

Tut­ki­joil­le neut­rii­non ke­veys sen si­jaan on han­ka­la omi­nai­suus. Se pa­kot­taa nä­ke­mään val­ta­vas­ti vai­vaa ja ra­ken­ta­maan jät­ti­mäi­siä tut­ki­mus­lait­teis­to­ja. Karls­ru­hes­sa Sak­sas­sa si­jait­se­val­la KAT­RIN-lait­teel­la (Karls­ru­he Tri­tium Neut­ri­no Ex­pe­ri­ment) tut­ki­jat yrit­tä­vät mi­ta­ta neut­rii­non mas­san kym­me­nen ker­taa tar­kem­min kuin tä­hä­nas­ti­set tu­lok­set.

Oma an­ti­hiuk­ka­sen­sa?

Gran Sas­son vuo­ren uu­me­nis­sa tut­ki­taan vie­lä yh­tä neut­rii­non omi­nai­suut­ta. Siel­lä si­jait­see ger­ma­nium-il­mai­sin­ten pat­te­ris­to, joka tun­ne­taan ni­mel­lä GER­DA (The Ger­ma­nium De­tec­tor Ar­ray). GER­DA-ko­keel­la py­ri­tään osoit­ta­maan, et­tä neut­rii­noil­la on ai­van eri­tyi­nen omi­nai­suus: ne ovat omia an­ti­hiuk­ka­si­aan.

Ny­kyi­ses­sä maa­il­man­se­li­tys­mal­lis­sa jo­kai­sel­la hiuk­ka­sel­la on oma vas­ta­pa­rin­sa, an­ti­hiuk­ka­nen. Hiuk­kas­fy­sii­kan stan­dar­di­mal­li ei tun­ne mas­sal­lis­ta hiuk­kas­ta, joka toi­mi­si sa­mal­la oma­na an­ti­hiuk­ka­se­naan. Jos tut­ki­jat pys­tyi­si­vät to­dis­ta­maan neut­rii­non tä­män omi­nai­suu­den, hiuk­kas­fy­sii­kan stan­dar­di­mal­li ”rä­jäh­täi­si”.

Eh­kä ha­vait­ta­van to­del­li­suu­den ul­ko­puo­lel­la on li­sää ulot­tu­vuuk­sia, jois­sa neut­rii­not vi­pel­tä­vät edes­ta­kai­sin? Sa­mal­la ne eh­kä vai­kut­ta­vat toi­siin­sa si­ten, et­tei­vät ne mei­dän kol­miu­lot­tei­ses­sa ava­ruu­des­sam­me pai­na juu­ri mi­tään. Tai ken­ties on ole­mas­sa pei­li­maa­il­ma, jos­sa jo­kai­sel­la al­keis­hiuk­ka­sel­la on su­per­sym­met­ri­nen vas­tin­pa­rin­sa, ja juu­ri vuo­ro­vai­ku­tus su­per­kump­pa­nien kans­sa te­kee neut­rii­nois­ta niin ke­vyi­tä?

Pie­nen­pie­nel­tä hiuk­ka­sel­ta toi­vo­taan vas­tauk­sia uni­ver­su­min kes­kei­sim­piin ky­sy­myk­siin.

Jut­tu on tii­vis­tel­mä ar­tik­ke­lis­ta, joka on jul­kais­tu ko­ko­nai­suu­des­saan GEOn nu­me­ros­sa 2/2018.

Lue myös:

Työn al­la täy­del­li­nen säh­kö­ak­ku

Näin di­gi­ku­vaus muut­ti elä­mäm­me

Suosittelemme

Lukuvinkit

Aavikon pojat

Pöllö vai haukka?

Kala, joka sietää pakkasta

Orpous tekee norsusta hylkiön

Suomalaiset siivoavat avaruusromua

Mitä tiedät unesta?

Kuinka vanha Suomi on?

Inkat hyödynsivät rakentamisessa rakoja

Lukijan kuva: Morsianta tapaamassa

Missä maailma loppuu

Lukuvinkit

Aavikon pojat

Pöllö vai haukka?

Kala, joka sietää pakkasta

Orpous tekee norsusta hylkiön

Suomalaiset siivoavat avaruusromua

Mitä tiedät unesta?

Kuinka vanha Suomi on?

Inkat hyödynsivät rakentamisessa rakoja

Lukijan kuva: Morsianta tapaamassa

Missä maailma loppuu

Tämä sivusto käyttää evästeitä käytettävyyden parantamiseksi. Jatkamalla sivuston käyttöä hyväksyt myös evästeiden käyttämisen.

Yhteystiedot Rekisteriseloste Ehdot ja luvat Tietosuoja Peruuttamisohjeet

© Fokus Media Finland. Materiaalin kopioiminen muuhun kuin yksityiseen, ei-kaupalliseen käyttöön kielletty.
Aineiston käyttö uuden palvelun osana kielletty.

Fokus Media Finland Oy, Hämeentie 135, 00560 Helsinki, Y-tunnus 2618356-2