Fysiikan Nobel meni luolamiehille

Tämän vuoden fysiikan Nobel annettiin kahdelle neutriinotutkijalle, joiden työkalut ovat valtavia, syvällä kallioperässä olevia tutkimuslaitteita, joiden kohteina ovat pienenpienet alkeishiukkaset, neutriinot.

Neutriinot ovat pitkään massattomaksi oletettuja hiukkasia, joita syntyy ällistyttävän paljon koko ajan joka puolella erilaisten ydinreaktioiden oheistuotteina. Miljardeja sellaisia lentää itse asiassa lävitsemme joka sekunti, eikä niistä ole meille mitään haittaa – itse asiassa ne vuorovaikuttavat kaiken aineen kanssa niin vähän, että niiden havaitseminen on hyvin hankalaa. 

Siihen tarvitaankin suuria, varsin omalaatuisia havaintolaitteita, ja jotta kaikki häiriötekijät voitaisiin karsia pois havainnoista, täytyy havaintolaitteet sijoittaa syvälle maaperään, kallion keskelle.

Juuri tällaista ollaan kaavailemassa myös Suomeen, Pyhäsalmen kaivokseen, missä voitaisiin tutkia tarkemmin ja paremmin myös tämänvuotisten nobelistien havaitsemaa omituista neutriino-oskillaatiota.

Kyse on siitä, että neutriinot muuttavat luonnettaan samalla kun ne lentävät valon nopeudella avaruuden halki. Tämä antaa viitteen siitä, että neutriinoilla olisi hyvin, hyvin pieni massa, mikä vaikuttaa kuvaamme koko maailmankaikkeudesta.

Ja ravistaa koko fysiikkaa.

Valontuikahduksia

Yllä oleva kuva on japanilaisen Super-Kamiokande -neutriino-observatorion sisältä Tokion luoteispuolelta. 

Kyseessä on kilometrin syvyydessä sijaitseva noin 41 metriä korkea ja 40 metriä leveä sylinteri, jonka sisällä on 50 000 tonnia äärimmäisen puhdasta vettä. Kun neutriinot kulkevat veden läpi, pienenpieni osa niistä törmää vesiatomiin ja synnyttää heikon välähdyksen valoa. Näitä tuikahduksia havaitaan 11 000 säiliön seinillä olevilla ilmaisimilla.

Kuvassa huoltohenkilöt liikkuvat tyhjennetyn ilmaisimen sisällä kumiveneellä, koska näin he eivät vaurioita herkkiä lasista tehtyjä ilmaisimia.

Tämä on ollut japanilaisen Takaaki Kajitan työväline ja hänen kanssaan palkinnon jakava kanadalainen Arthur B. McDonald on tehnyt tutkimustaan toisella vastaavalla, Sudburyn lopetetussa nikkelikaivoksessa olevalla neutriinohavaintolaitteella. 

Kajita julkaisi vuonna 1998 tutkimuksen, jonka mukaan Maan ilmakehässä kosmisten säteiden ja ilman molekyylien välisten törmäysten vuoksi syntyvät neutriinot muuttuvat ominaisuuksiltaan ennen osumistaan maan uumenissa olevaan Super-Kamiokanden ilmaisimeen.

Samaan aikaan Sudburyssä, Kanadan Ontariossa, McDonald työryhmineen havaitsi samanlaista tapahtuvan neutriinoissa, jotka ovat peräisin Auringosta. He julkaisivat havaintonsa vuona 2001.

Kummassakin tapauksessa kyse oli niin sanotusta neutriino-oskillaatiosta, missä neutriinot muuttuvat toisenlaisiksi.

Tämän ymmärtämiseksi täytyy kuitenkin katsoa hieman historiaan.

Hiukkanen, jota ei voi havaita?

Maailmankaikkeudessa on vain valoa sekä muuta sähkömagneettista säteilyä kuljettavia fotoneita enemmän kuin neutriinoita. Niitä syntyi valtavasti jo maailmankaikkeuden alussa, big bangissä, mutta niitä sikiää lisää koko ajan joka puolelta mitä erilaisimmista ydinreaktioista.

Jopa meistä ihmisistä sinkoaa ulos koko ajan uusia neutriinoja, sillä muun muassa kaliumin hajoaminen synnyttää niitä noin 5000 kappaletta sekunnissa. 

Lisäksi niitä syntyy huimasti ydinreaktoreissa sekä Auringossa, josta pelkästään tulee Maahan noin 70 miljardia hiukkasta neliösentille.

Vaikka neutriinoja on näin paljon, on niiden erittäin huonon vuorovaikutuksen vuoksi niitä hankala havaita, ja niiden olemassaolosta saatiin vinkkiä vasta vuonna 1930. Silloin itävaltalainen fyysikko Wolfgang Pauli päätteli niiden olemassaolon epäsuorasti, sillä useat havaitut reaktiot voitiin selittää vain siten, että niistä vapautuisi tuntematon, neutraali ja hyvin kevyt tai massaton hiukkanen. 

Pauli kertoi ajatuksistaan ensimmäistä kertaa joulukuussa 1930 kollegoilleen lähettämässään kirjeessä, jonka hän aloitti sykähdyttävästi sanoilla “Hyvät radioaktiiviset rouvat ja herrat”.

Kirjeensä lopussa hän totesi, että “olen tehnyt kauhean teon. Olen päätellyt olemassa olevaksi hiukkasen, jota ei voi havaita.”

Pauli sai tästä kauheasta teostaan Nobelin vuonna 1945.

Pian tämän jälkeen italialainen Enrico Fermi kehitti teorian, missä Paulin hiukkanen oli mukana ja hän nimesi hiukkasen neutriinoksi. 

Neutriino saatiin nalkkiin

Vasta 1950-luvulla saatiin ensimmäiset havainnot, jotka voitiin tulkita neutriinojen aiheuttamiksi. Kun ydinvoimaloita alettiin rakentaa ja ydintekniikan kanssa tehtiin kokeita paremmin ja tarkemmin kuin koskaan, tuli neutriino väistämättä esiin. 

Olennaisin oli kesäkuussa 1956 tehty havainto, missä fyysikot Frederick Reines ja Clyde Cowan löysivät selvästi neutriinon aikaan saamia jälkiä kokeissaan. He lähettivät löydöstä sähkeen heti Paulille, joka luonnollisesi oli harmissaan siitä, että hänen salahiukkasensa oli saatu havaittua. Tai kenties ei ollut.

neutriinojen tarkempi olemus on kuitenkin ollut hämärän peitossa viime vuosikymmeniin saakka. Niihin liittyi myös monia perustavaa laatua olleita (ja olevia) kysymyksiä, kuten se, että vaikka Auringosta tulee valtavasti neutriinoja, on niitä havaittu vain noin kolmannes teoreettisesti lasketusta.

Yksi ratkaisu tähän voisi olla se, että neutriinot muuttuvat toisenlaisiksi. Teorian mukaan on kolmenlaisia neutriinoja: elektronineutriinoja, muonineutriinoja ja tau-neutriinoja, joilla kullakin on hiukkaskartalla omat varaukselliset versionsa, eli elektroni, muoni ja tau. 

Aurinko synnyttää teorian mukaan vain elektronineutriinoja, mutta jos osa niistä muuttuisi Auringosta lähtönsä jälkeen muunlaisiksi, selittyisi kahden kolmanneksen vajaus tällä. 

Kun maanalaiset neutriino-observatoriot alkoivat olla tarpeeksi suuria ja tarkkoja 1990-luvun lopussa, tuli neutriinojen ongelmaan myös lisävaloa.

Ne hyvin harvat neutriinot, jotka törmäävät havaintolaitteissa olevassa nesteessä oleviin atomeihin tai elektroneihin, syntyy nopea, sähköisesti varattu hiukkanen, joka puolestaan synnyttää niin sanottua Cherenkovin säteilyä. Se on aavemaista, heikkoa sinertävää valoa, joka syntyy kun hiukkanen kulkee valoa nopeammin. 

Kyllä: valoa nopeammin. Tämä tapahtuu silti Einsteinin suhteellisuusteorian mukaan, vaikka se sanoo, ettei mikään koskaan voisi kulkea valoa nopeammin. Olennaista onkin se, että valon nopeus vedessä on vain 75% siitä mitä se on tyhjiössä, ja siten pikavauhtia kulkeva hiukkanen voikin kulkea vedessä nopeammin kuin valo – mutta silti hitaammin kuin valo tyhjiössä.

Kun tätä Cherenkovin valoa analysoidaan tarkasti, voidaan päätellä millainen neutriino sen sai aikaan ja mistä se on peräisin.

Neutriinohavaintoja liukuhihnalta!

Super-Kamiokande oli huima askel eteenpäin neutriinojen tuntemuksessa, koska kahden ensimmäisen toimintavuotensa aikana se onnistui saamaan viitisentuhatta havaintoa. Laite havaitsee neutriinoja, jotka tulevat sen yläpuolelta ilmakehästä kosmisten säteiden törmätessä ilman kaasumolekyyleihin. Samoin se havaitsee neutriinoja suoraan altaan, maapallon toiselta puolelta – maapallon kiviaines ei neutriinoja paljoa hetkauta.

Nopeasti ajatellen havaintoja pitäisi tulla yhtä paljon ja samanlaisia ylä- ja alapuolelta, mutta näin ei ollut: maapallon toiselta puolelta havaittiin olennaisesti enemmän muonineutriinoja. 

Elektronineutriinojen määrä oli se mitä teoriat ennustivat ja tau-neutriinojen määrästä ei voitu sanoa mitään varmaa, koska niitä ei voitu havaita. Jos siis alun perin muonineutriinoja on saman verran ala- ja yläpuolella, niin oli todennäköistä, että alapuolelta tulevat voisivat muuttua tau-neutriinoiksi, koska matkaa on riittävästi. 

Tosin myös Sudburyn havainnoissa tosin tiedetään varsin hyvin millaisia neutriinoita lähtöpaikassa on, sillä Aurinko tuottaa vain elektronineutriinoita. Sudburyssä käytetään myös puhtaan veden sijaan ns. raskasta vettä, jolloin se pystyy havaitsemaan kaikkia neutriinotyyppejä. Raskaassa vedessä on hapen lisäksi tavallisen vetyatomin sijaan deuterium, eli vedyn raskaampi isotooppi. Se tekee havainnoista tarkempia (ja samalla vaikeampia tulkita).

Siten siellä tehdyistä havainnoista voitiin nähdä selvästi, että Auringon neutriinoista elektronityyppisiä oli olennaisesti arveltua vähemmän. Havaintomäärän kasvaessa kävi yhä ilmeisemmäksi, että osan neutriinoista on täytynyt muuttua matkallaan Auringosta Maahan toisenlaisiksi. Itse asiassa kaksi kolmasosaa neutriinoista muuttuisi 150 miljoonaa kilometriä pitkällä matkallaan toiseksi lajiksi.

Kun Sudburyn havainnot osuivat aika tarkalleen yksiin neutriino-oskillaation ennustamien määrien kanssa, oli asia aika saletti.

Hiukkasen kvanttifysiikkaa

Tällä tosin oli se mullistava seuraus, että teoreetikoiden mukaan muuttuminen toiseksi on mahdollinen vain jos neutriinolla on massa. 

Tämä tulee siitä, että kvanttimaailmassa hiukkanen voidaan käsittää joko aaltona tai pienenpienenä kappaleena, hiukkasena. Tietyn määrän energiaa sisältävä hiukkanen vastaa tiettyä aallonpituutta. Niinpä elektroni-, muoni- ja tau-neutriinot voidaan käsittää omanlaatuisina aaltoinaan.

Kun aallot etenevät tasatahtiin, ei neutriinon eri persoonallisuuksia voi erottaa toisistaan, mutta mitä pitempään aallot matkaavat, sitä enemmän ne menevät epätahtiin. Vaihe-eron mukaisesti aallot voivat vaikuttaa toisiinsa, oskilloida keskenään, ja lopulta aallot ovat erilaisia ja siten neutriinot ovat eri tyyppisiä.

Tässä massa tulee kuvaan, sillä sen mukaisesti neutriinojen aallot muuttuvat – hyvin, hyvin, hyvin vähän, mutta silti, ja etenkin pitemmillä matkoilla käy juuri näin. Kun neutriinon massa, jos ja kun se on olemassa, on äärimmäisen pieni, ja erot massoissa ovat erittäin pieniä, ovat eroavaisuudetkin hyvin pieniä. Mutta kuten on huomattu, havaittavia.

Teorian mukaan pari tuhatta kilometriä on matka, jonka kuluessa muuttuminen saattaisi tapahtua. Siksi Laguna-ilmaisimen Pyhäsalmi olisi erinomainen paikka ilmaisimelle, koska siellä on tarkoitus havaita Euroopan hiukkastutkimuskeskuksessa CERNissä noin 2300 kilometrin päässä synnytettyjä neutriinoja: kun tiedetään tarkasti millaisia neutriinoja lähtöpisteessä on ja kuinka paljon, niin tätä neutriino-oskillaatiota on helpompi tutkia.

Fyysikoille hommia

Se, että neutriinoilla on pieni massa, saa aikaan monennäköistä harmia. Ensinnäkin kosmologeille tämä tarkoittaa sitä, että maailmankaikkeuden massa-arvio on pielessä. Vaikka neutriinon massa olisi lähes nolla, se ei ole nolla, ja koska neutriinoita on niin paljon, tulee niistä yhdessä arvioiden mukaan yhtä paljon “lisää” massaa maailmankaikkeuteen kuin kaikista näkyvistä tähdistä.

Tämä saattaa selittää osan havaituista kummallisuuksista maailmankaikkeuden laajenemistahdissa, mutta siihen vaikuttaa moni muukin asia.

Fyysikkojen parinkymmenen vuoden ajan rakentama ns. Standardimalli myös vaatii viilausta. Malli koettaa selittää paitsi hiukkaset, niin myös niiden väliset voimat ja vaikutukset, ja nyt massattomaksi oletettu neutriino ei olekaan massaton.

Mistä sen massa tulee? Mitkä on eri neutriinotyyppien massat? Miksi ne ovat niin äärimmäisen kevyitä? Onko niillä omat antihiukkasensa, kuten muilla? Ja miksi neutriinot vaikuttavat muutenkin niin erilaisilta kuin muut hiukkaset?

Vastauksista näihin perustavaa laatua oleviin kysymyksiin tullaan varmasti jakamaan monta Nobelia tulevaisuudessa.

Alla on Tiedetuubin video Suomeen suunniteltavasta Laguna-ilmaisimesta ja siinä selitetään varsin paljon myös neutriinojen omituisuuksia:


Juttuja samasta aiheesta