tiistai 2. heinäkuuta 2013

Uusi teoria pimeälle aineelle

Yllä anpolisen neutraalin
fermionin kenttä, keskellä
kahden sähkövarauksen kenttä
ja alla kaksinapainen magneettikenttä.
Anapolinen kenttä syntyy
 toroidisesta sähkökentästä. Tästä
syystä magneettikenttä muodostaa
rajoittuneen toruksen eikä
kumpikaan kentistä leviä laajalla
alalle kuten tavallisen aineen
hiukkasissa.
Piirros Michael Smeltzer /
Vanderbilt University.

Jo pitkään on tiedetty maailmankaikkeuden sisältävän valtavan määrän pimeää ainetta. Sitä ei kuitenkaan pystytä havaitsemaan kovinkaan helposti, sillä sen ainoa tapa vuorovaikuttaa tavallisen aineen kanssa on gravitaatio. Pimeä aine ei säteile sähkömagneettista säteilyä ja yksittäisten hiukkasten löytäminen muutoinkin on vaikeaa. Viime aikoina tutkijat ovat tutkineet sähkövarauksettomia hiukkasia joilla kuitenkin olisi sähköinen tai magneettinen kenttä.

Nyt  Vanderbiltin yliopistossa työskentelevät  professori Robert Scherrer ja post-doc-tutkija Chiu Man Ho ovat julkaisseet Physics Letters B -tiedejulkaisussa artikkelin, jossa he ehdottavat uutta teoriaa pimeälle aineelle. Heidän mukaansa teoria on yksinkertainen ja kaikkein parasta siinä on sen testattavuus.

Vuonna 1928 tunnettu fyysikko Paul Dirac ennusti fermionin olemassa olon. Fermioneista tunnetuin on elektroni, mutta samaan hiukkasperheeseen kuuluvat myös kvarkit, jotka ovat tavallisen aineen perushiukkasia. Noin kymmenen vuotta myöhemmin italialainen tutkija Ettore Majorana ehdotti myös sähkövarauksetonta fermionia hiukkasperheeseen.

Mielenkiintoista on, että samaan aikaan alettiin hiljalleen ymmärtää, että maailmankaikkeudessa täytyy olla pimeää ainetta muodossa tai toisessa. Yksittäisten tähtien nopeudet eivät olleet galakseissa sellaisia, jotka selittyisivät näkyvän aineen keskittymisellä galaksissa. Sama ilmiö havaittiin myös galaksien muodostamissa klustereissa, niistäkin tuntui puuttuvan ainetta.

Parikymmentä vuotta edellisten teorioiden jälkeen vuonna 1958 neuvostoliittolainen fyysikko Yakov Zel'dovich loi teorian magneettikentästä, jolla ei ole magneettisia napoja. Hän nimesi kentän anapoliksi ja se magneettikenttä muodostaa toruksen (donitsin muotoinen). Myöhemmin hiukkasfyysikot ovat onnistuneet todistamaan anapolien olemassa olon ja esimerkiksi cesium-133 ja ytterbium-174-atomeissa on tällainen magneettinen rakenne.

Scherrer ja Ho laativat teoriansa näiden kahden hiukkasteorian pohjalta, siten, että Majoranan neutraalin fermionin magneettinen rakenne olisi anapolinen magneettikenttä. Tällaisen rakenteen vuorovaikutus muun aineen kanssa riippuu hiukkasen nopeudesta: suurella nopeudella vuorovaikutusala on suuri ja hitaasti liikkuvalla hiukkasella se on pieni.

Maailmankaikkeuden kuumassa alussa anapolisen aineen hiukkasten nopeudet olivat suuria ja näin ollen vuorovaikutus voimakasta. Tällöin suuri osa aineesta annihiloitui ja vain pieni osa selviytyi nykypäivään. Nykyisin kylmässä maailmankaikkeudessa hiukkasten nopeudet ovat pieniä ja vuorovaikutus heikkoa. Nykytilasta johtuen pimeää ainetta on vaikea havaita tähtitieteellisin keinoin.