Tähtitieteilijöiden vuosisataiset ponnistukset maailmankaikkeuden rakenteen selvittämisessä ovat johtaneet siihen, että 95 prosenttia universumin massasta ja energiasta on kadoksissa.

Tavallista ainetta, josta tähdet, planeetat ja kaikki muu näkemämme – ja myös me itse – koostuu, on alle viisi prosenttia. Pimeä aine muodostaa maailmankaikkeudesta reilun neljänneksen ja pimeä energia runsaat kaksi kolmannesta.

Pimeää ainetta on jopa 83 prosenttia maailmankaikkeuden kaikesta aineesta (tässä energia on jätetty huomiotta), mutta se ei vuorovaikuta tavallisen aineen kanssa sähkömagneettisen, vahvan tai heikon voiman välityksellä. Se ei heijasta valoa eikä tavallisen ja pimeän aineen "törmäys" tunnu missään. 

Toistaiseksi ainoa keino todeta pimeän aineen olemassaolo on sen gravitaatiovaikutus galakseissa ja galaksijoukoissa. Kuvassa on pimeän aineen suuren mittakaavan jakauma, joka perustuu Hubble-avaruusteleskoopilla tehtyihin havaintoihin sen gravitaatiolinssivaikutuksista.

Pimeä energia on täydellinen mysteeri, mutta pimeän aineen jäljillä ollaan hieman paremmin. Tutkijat ovat nyt kehittäneet teorian, joka saattaa selittää, miksi pimeää ainetta ei ole pystytty havaitsemaan maanpäällisillä kokeilla.

Lawrence Livermoren kansallisessa laboratoriossa (Lawrence Livermore National Laboratory, LLNL) on laadittu Vulcan-supertietokoneella tehtyjen laskelmien avulla malli, jonka mukaan pimeä aine on nykyisin luonnostaan yhtä hankala havaita kuin häivehävittäjät (todellisuudessa vielä paljon hankalampi…). 

Varhaisen maailmankaikkeuden korkeissa lämpötiloissa ja suurissa tiheyksissä se olisi kuitenkin vuorovaikuttanut tavallisen aineen kanssa ja ollut helposti havaittavissa. 

Tutkijaryhmää johtanut Pavlos Vranas vertaa häiveaineen neutronia tavalliseen neutroniin. Alhaisissa lämpötiloissa – eli nykyisessä maailmankaikkeudessa – neutronin muodostavat kvarkit ovat tiukasti sidoksissa toisiinsa eikä hiukkasella ole sähkövarausta. Korkeissa lämpötiloissa – eli maailmankaikkeuden varhaisvaiheissa – sähköisesti varatut kvarkit vuorovaikuttivat melkein kaikkien muiden hiukkasten kanssa. 

Erona olisi se, että neutronia koossa pitävän, kvanttiväridynamiikan mukaisen vahvan vuorovaikutuksen sijasta häiveneutronissa vaikuttaisi toistaiseksi tuntematon vahva voima, jonka ominaisuudet määrittyisivät "pimeän kvanttiväridynamiikan" mukaan.  

"On huomionarvoista, että ehdokas pimeän aineen hiukkaseksi on satoja kertoja protonia raskaampi ja koostuu sähköisesti varatuista osasista, mutta on silti kyennyt välttämään suorat havainnot niin pitkään", Vranas toteaa.

Protonien tapaan pimeä häiveaine on pysyvää eikä hajoa edes kosmisessa aikaskaalassa. Se voi kuitenkin synnyttää suuren joukon muita alkeishiukkasia, jotka hajoavat pian muodostumisensa jälkeen. Niillä voisi olla sähkövaraus, mutta ne ovat hajonneet jo kauan sitten.

Riittävän suuritehoisella hiukkaskiihdyttimellä, kuten CERNin LHC:llä (Large Hadron Collider), hiukkasia voitaisiin kuitenkin tuottaa ensimmäisen kerran sitten maailmankaikkeuden alkuaikojen. Ne saattaisivat näkyä hiukkasilmaisimissa, koska niillä on mahdollisesti sähkövaraus.

"Maanalaisten ilmaisimien tai LHC:n avulla voidaan kenties piankin löytää todisteita uudelle pimeän häiveaineen teorialle – tai kumota se", Vranas veikkaa.

Uudesta teoriasta kerrottiin LLNL:n uutissivuilla ja tutkimus on julkaistu Physical Review Letters -tiedelehdessä.

Kuva: NASA/ESA/Hubble