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