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