Olen pannut merkille, että termit kosminen inflaatio ja alkuräjähdys aiheuttavat usein hengenahdistusta silloin, kun ne esiintyvät samassa lauseessa. Oliko ensin alkuräjähdys ja sitten inflaatio, vai päinvastoin?

Kosmologeille alkuräjähdys tarkoittaa äärimmäisen kuumaa ja tiheää alkutilaa, josta nyt näkyvä universumimme on kehittynyt avaruuden laajentuessa ja aineen samanaikaisesti jäähtyessä. Suurelle yleisölle alkuräjähdys sen sijaan on usein matemaattinen piste, joka jostakin käsittämättömästä syystä otti ja pamahti.

Tämä kadunmiehen käsitys perustuu Einsteinin yleiseen suhteellisuusteoriaan – kadunmies (vai pitäisikö sanoa kadunhenkilö?) on siis varsin oppinut olento.

Suhteellisuusteoria sanoo seuraavaa: jos universumimme ainesisältö koostuu pelkästään alkeishiukkasista, Einsteinin yhtälöiden ratkaisu on laajeneva avaruus. Menneisyydestä ratkaisun matematiikka vannoo löytävänsä hetken, jolloin avaruuden tilavuus oli puhdas nolla. Silloin kaikki aine on ollut pusertuneena äärettömän tiheään tilaan.  Tämä on tuo mieliä kiehtova singulariteetti, joka värisyttää herkimpien sielujen syvyyksiä.

Fyysikon arvomaailmassa matematiikka on kuitenkin idealisaatio, johon tulee suhtautua tietyllä skeptisyydellä. Siksi kosmologien satukirja tapasi aina sivuuttaa singulariteetin ja alkoi tyyliin: "Olipa kerran, kauan kauan sitten, maailmankaikkeus, joka nykyiseen verrattuna oli hyvin pieni ja täynnä kuumaa, tiheää alkeishiukkaspuuroa."

Alkeishiukkasia ovat mm. elektronit ja kvarkit, mutta myös fotonit ovat tässä väestönlaskennassa alkeishiukkasia. Säteily ei ole mikään oma olemisen lajinsa vaan pelkästään nimi alkeishiukkasille, jotka liikkuvat käytännössä valon nopeudella. Ja nykytietämyksen mukaan kaikki tunnetut alkeishiukkaset liikkuivat täsmälleen valon nopeudella 0,01 nanosekuntia nuoremmassa universumissa.

Alkeishiukkasten liikenopeudella on pieni vaikutus universumin laajenemislakiin. Mutta paljon tärkeämpi kysymys on: esiintyikö varhaisessa maailmankaikkeudessa myös jotakin muuta energiamuotoa kuin alkeishiukkasia?

Inflaatioteorian mukaan vastaus on kyllä. Inflaation käyttövoima on tyhjiön energia, ja se muuttaa laajenemislakia ratkaisevalla tavalla. Inflaation aikana avaruus pullistuu valoa nopeammin ja käytännössä tyhjenee kuin tilkitsemätön vesisaavi. Samalla lämpötila, yhdessä hiukkastiheyden kanssa, putoaa nollaan.

Inflaatioteorian alkumaailma ei ole kuuma ja tiheä vaan jääkylmä ja autio.

Inflaatioteoriat olettavat kuitenkin, että tyhjiön energia on epävakaa. Ennen pitkää se hajoaa alkeishiukkasiksi. Näin syntyy kuuma ja tiheä alkeishiukkaspuuro, jota kosmologit kutsuvat alkuräjähdykseksi.

Mutta tuolloin avaruudella oli jo koko.

Itse asiassa avaruus on voinut olla aina äärettömän kokoinen. Inflaatio voi tapahtua vain avaruuden yhdessä pikkuruisessa, sattuman määräämässä osasessa.  Siellä pienestä siemenestä kasvaa koko meille nyt näkyvä universumi. Mitä tuolle kaikelle muulle avaruudelle kuuluu, se on, Kiplingin sanoin, kokonaan toinen juttu.

Marssijärjestys oli siis seuraava. Ensin oli inflaatio. Sitä kesti aikansa. Sitten inflaatio loppui ja meille tärkeä universumin osa kuumeni. Siitä alkanutta vaihetta kutsumme alkuräjähdykseksi.

Kun nyt sanomme, että universumi on 13,8 miljardia vuotta vanha, tarkoitamme siis oikeastaan, että inflaation päättymisestä on kulunut nuo pyöreät vuodet. Tai jos puhumme 0,01 nanosekunnin ikäisestä maailmankaikkeudesta, tarkoitamme että inflaation loppumisesta oli tuolloin vierähtänyt nanosekunnin sadasosa.

Emme tiedä, miten kauan inflaatio kesti. Emme tiedä, edelsikö inflaatiota jonkinlainen singulariteetti. Jos veikata pitäisi, arvaisin, että luultavasti ei. Maailmankaikkeuden ikä voi olla myös ääretön.

Higgsin bosonin löytymisen jälkeen CERNin Large Hadron Collider -kiihdytin – tuttavien kesken lyhyesti LHC – on nyt liki kahden vuoden ajan ollut huoltotauolla. Käytössä kuluneita suprajohtavia magneetteja on korvattu uusilla ja jäähdytyssysteemiä paranneltu. Kiihdytintä on myös viritelty niin, että hiukkastörmäyksien energiat ovat nousemassa puolitoistakertaisiksi, kun laite jälleen käynnistetään keväällä.

LHC:ssä törmäytetään liki valon nopeudella kulkevia protonisuihkuja toisiinsa. Mitä suurempi törmäysenergia, sitä yksityiskohtaisempaa tietoa alkeishiukkasista on mahdollista saada. Tämä on hiukkasfysiikan kultainen sääntö. 

Tähän mennessä Higgsin bosoniin ja hiukkasfysiikan ns. standardimalliin liittyvien parametrien arvoja on jo mitattu hyvin tarkasti. Teoreettisesta näkökulmasta erityisen kiinnostavaa tuloksissa on ollut se, että niiden valossa maailmankaikkeus vaikuttaisi olevan epävakaassa tilassa.

Higgsin kenttä jäätyi tyhjiön täyttäväksi energiakentäksi noin nanosekunnin sadasosan ikäisessä maailmankaikkeudessa. Jäätyneen Higgsin kentän arvo määrää mm. alkeishiukkasten massat. Nyt kysymys on: jäätyikö Higgs tuolloin arvoon, joka vastaa energian minimitilaa?

Standardimallin parametrien mittausten perusteella on nimittäin mahdollista, että pienimmän energian tilassa Higgsin kentän arvon pitäisi olla paljon nykyistä suurempi. Silloin esimerkiksi elektroni olisi merkittävästi mitattua raskaampi. Hiukkasvuorovaikutusten luonne muuttuisi monilla tavoilla. Kaiken kaikkiaan tilanne olisi ihmisen kannalta katastrofaalinen: aine siinä muodossa kuin sen tunnemme, lakkaisi olemasta.

Onneksi tuo mahdollinen energian minimitila on kuin laakso korkean vuoren tuolla puolen. Sinne ei jouduta aivan helposti, mutta kvanttifysikaalisten sattumien ansiosta sinne kyllä päädytään ennen pitkää. Silloin atomit ja molekyylit murentuisivat. Tähdet sammuisivat, ja koko tuntemamme universumi käärittäisiin uuteen kuosiin kuin Arthur C. Clarken muinaisessa novellissa Jumalan yhdeksän biljoonaa nimeä.

Näin siis jos uusi energian minimitila todella on olemassa.  

Ja se riippuu hyvin herkällä tavalla hiukkasfysiikan standardimallin parametrien todellisista arvoista. 

Kuten aina fysiikassa, kaikkeen mittaamiseen liittyy mittausvirhe. Niinpä tällä hetkellä tiedämme, että esimerkiksi Higgsin bosonin massa on 90 % todennäköisyydellä tietyllä välillä. Kun mittaukset tarkentuvat, väli kutistuu, mutta välin keskipiste – ”paras arvo” – voi myös liikkua. 

Nyt tilanne on se, että standardimallin parametrien ”parhailla arvoilla” universumimme on epävakaa. Mutta niiden mittausten virherajojen sisältä löytyy myös alueita, jotka eivät johda epävakauteen. 

Jäämme siis odottelemaan jännittyneinä, mihin suuntiin uudet mittausarvot liikehtivät, kun LHC taas käynnistyy. Ja aina on tietysti mahdollista, ettei standardimalli olekaan vihoviimeinen sana hiukkasfysiikan saralla. 

Kari Enqvist

Otsikkokuva: Mallinnus 27. toukokuuta 2012 LHC:n CMS-koeasemassa tapahtuneesta törmäyksestä.