Tutkimus selittää, miksi ainetta on olemassa ja missä pimeä aine piileksii

Tutkimuksen mukaan hiukkasfysiikan standardimallin laajentaminen voisi selittää nykyfysiikan kaksi suurta ratkaisematonta ongelmaa: antiaineen katoamisen ja pimeän aineen.

hiukkasfysiikka
Planck-satelliitin ottama kosmisesta taustasäteilystä.
Planck-satelliitin ottama kuva kosmisesta taustasäteilystä.ESA and the Planck Collaboration

Hiukkasfysiikan peruskivi on standardimalliksi (siirryt toiseen palveluun) kutsuttu teoria. Se sisältää painovoimaa lukuun ottamatta luonnon perusvuorovaikutukset (siirryt toiseen palveluun), eli vahvan (siirryt toiseen palveluun)-, heikon (siirryt toiseen palveluun)-, ja sähkömagneettisen (siirryt toiseen palveluun) vuorovaikutuksen, ja kuvaa alkeishiukkaset, joista aine (siirryt toiseen palveluun) pohjimmiltaan koostuu.

Standardimalli kuvaa alkeishiukkasia ja niiden vuorovaikutuksia erittäin hyvin, mutta se ei ole täydellinen. Malli on ristiriidassa joidenkin luonnosta tehtyjen havaintojen kanssa, se ei esimerkiksi selitä aineen ja antiaineen (siirryt toiseen palveluun) jakaumaa maailmankaikkeudessa.

Jokaisella aineen muodostavalla alkeishiukkasella on antihiukkanen. Hiukkasten massat ovat samat, mutta varaukset vastakkaiset. Kun aine ja antiaine joutuvat kosketuksiin toistensa kanssa, ne annihiloivat, eli tuhoutuvat ja muuttuvat säteilyksi. Jos ainetta ja antiainetta olisi muodostunut samat määrät, jäljellä olisi vain säteilyä.

Me kuitenkin olemme olemassa, joten ainakin lähiympäristössämme kaikki koostuu varmuudella aineesta. Jos antiainetta olisi jossakin kaukana avaruudessa merkittäviä määriä, aineen ja antiaineen annihiloitumisesta syntyvä voimakas säteily näkyisin havainnoissa.

Standardimallissa ei ole havaittua aineen ja antiaineen suhdetta selittävää mekanismia. Varhaisessa maailmankaikkeudessa täytyi siis tapahtua jotakin, joka on standardimallin ulottumattomissa.

Havainnot kertovat myös, että maailmankaikkeuden aineesta suurin osa koostuu jostakin muusta kuin standardimallin alkeishiukkasista. Galaksien liikkeet ja avaruuden täyttävän mikroaaltosäteilyn tietyt piirteet voi selittää vain sillä, että suurin osa universumin massasta on tuntematonta pimeää ainetta. Standardimallissa pimeää ainetta ei ole.

Koska standardimalli ei selitä havaitun maailmankaikkeuden ominaisuuksia, tarvitaan joko kokonaan uusi teoria tai standardimallia pitä laajentaa. Jyväskylän yliopistossa väittelevä Ville Vaskonen on tarttunut sekä pimeän aineen että aineen ja antiaineen ongelmiin. Hän on tutkimuksessaan laajentanut standardimallia niin sanottujen Higgs-portaalimallien kautta.

Nuoressa maailmankaikkeudessa kaikki oli toisin

Higgs-portaalimallit perustuvat standardimallin ennustamaan ja CERN:in LHC-hiukkaskiihdyttimellä havaittuun Higgsin bosoniin (siirryt toiseen palveluun). Higgsin bosonia pidetään todisteena avaruuden täyttävästä Higgsin kentästä. Higgsin kenttä taas synnyttää hiukkasille massan.

Vaskosen mukaan standardimallia laajentavilla Higgs-portaalimalleilla voidaan selittää sekä pimeä aine että aineen ja antiaineen syntyyn liittyvä epätasapaino.

Vaskosen tutkimissa Higgs-portaalimalleissa hyvin nuoressa, tiheässä ja kuumassa maailmankaikkeudessa pimeä aine vuorovaikutti voimakkaasti standardimallin kuvaaman tavallisen aineen kanssa

Maailmankaikkeuden laajentuessa (siirryt toiseen palveluun) sen tiheys pieneni ja energian määrä tilavuusyksikköä kohden laski. Energiatiheyden laskiessa vuorovaikutuksia pimeän ja tavallisen aineen välillä ei enää tapahtunut riittävän usein, ja pimeä aine putosi pois tavallisen aineen näkyviltä. Tämän jälkeen pimeä aine on vaikuttanut näkyvään maailmankaikkeuteen vain painovoiman kautta.

Aineen ja antiaineen epäsuhta Vaskosen tutkimissa malleissa taas liittyy Higgsin kentän arvon muutokseen. Hyvin varhaisessa maailmankaikkeudessa Higgsin kentän arvo oli nolla, ja kaikki hiukkaset olivat massattomia.

Kun maailmankaikkeus laajeni, ja energiatiheys pieneni tietyn kynnystason alapuolelle, pienimmän energian tila edellytti muutosta Higgsin kentän arvossa. Uusi pienimmän energian tila aiheutti faasimuutoksen (siirryt toiseen palveluun), jota voi verrata kuplien muodostumiseen vettä keitettäessä. Kuplien sisällä hiukkasilla oli massa, niiden ulkopuolella ei. Lopulta kuplat täyttivät koko maailmankaikkeuden, ja kaikki hiukkaset olivat saaneet massan.

Faasimuutoksen kuplat olivat keskeisiä aineen synnylle. Kuplien pinnalla pystyi tapahtumaan baryogeneesiksi (siirryt toiseen palveluun) kutsuttu prosessi, ja juuri tässä prosessissa ainetta ja antiainetta syntyy toisistaan poikkeava määrä.

Vaskosen käyttämät mallit ovat eivät ole pelkkää spekulointia tuntemattomalla. Malleja voidaan jo lähitulevaisuudessa testata kokeellisesti, sillä tarvittavat energiat voidaan saavuttaa CERN:in suurella hiukkaskiihdyttimellä. Pimeää ainetta pyritään myös havaitsemaan suoraan muun muassa LUX -hankkeella. (siirryt toiseen palveluun)

_FM Ville Vaskosen teoreettisen fysiikan väitöskirja “Dark matter and baryogenesis in Higgs portal models” tarkastetaan Jyväskylän yliopistossa perjantaina 21. lokakuuta. _