Pimeä aine ehkä koostuu steriileistä neutriinoista

Pimeä aine on kerääntynyt galaksien
ja klusterien ympärille.
Kuva: J.-P. Kneib (Observatoire Midi-Pyrenees,
Caltech) et al., ESA, NASA

Kaksi erillistä tutkijaryhmää [1] on onnistunut havaitsemaan kaukaisista galakseista tulevaa röntgensäteilyä, jonka energia on 7 keV. Ainoa ajateltavissa oleva selitys säteilylle on steriilit neutriinot[2], jonka jakaantuvat spontaanisti röntgensäteilyksi ja tavallisiksi neutriinoiksi. 

Steriilejä neutriinoja voi olla käytännössä mahdotonta havaita suoraan, tavallistenkin neutriinojen havaitseminen on vaikeaa.

Tavallisin selitys pimeälle aineelle on, että se koostuu heikosti vuorovaikuttavista massiivisista hiukkasista eli WIMPeistä. Jos steriileillä neutriinoilla olisi riittävästi massaa (~10 keV), ne pystyisivät selittämään kaiken pimeän aineen. Jos taas massa on tätä pienempi, hiukkaset voivat ratkaista kosmoksen muita perustavaa laatua olevia arvoituksia[3].

Molempien tutkimusryhmien tutkimustuloksen mukaan röntgensäteilyn energia on 3,5 keV. Tämä voisi olla mahdollista, jos steriilin hiukkasen massa olisi 7 keV. Tutkijoilla voi olla vaikeuksia selittää yhtenevä tulos, jos kyseessä ei ole steriilien neutriinojen jakaantuminen. Molemmat ryhmät ovat pystyneet poistamaan havainnoistaan myös teleskooppien aiheuttaman kohinan.

Aikaisemmin pimeästä aineesta olen kirjoittanut artikkeleissa:

http://avaruusmagasiini.blogspot.com/2014/01/pimean-aineen-arvoitus-syvenee.html

http://avaruusmagasiini.blogspot.com/2013/11/pimeaa-ainetta-ei-loytynyt.html

http://avaruusmagasiini.blogspot.com/2013/02/nasa-liittyi-esan-pimean-aineen-ja.html

http://avaruusmagasiini.blogspot.com/2013/04/ams-02-pimean-aineen-jaljilla.html

ja neutriinoista

http://avaruusmagasiini.blogspot.com/2014/03/muuttavatko-neutriinot-makuaan.html

http://avaruusmagasiini.blogspot.com/2013/11/supernova-rajahtaa-linnunradassa.html

Huomautukset

[1] Ryhmät ovat Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics in Cambridge, johtajanaan tohtori Esra Bulbul ja Leiden University in the Netherlands, johtajanaan tohtori Alexey Boyarsky. Bulbulin ryhmä teki havainnot 73 galaksiklusterista ESAn XMM-Newton avaruusteleskoopilla ja Nasan Chandra röntgenteleskoopilla (avaruusteleskooppi). Boyarskyn ryhmän havainnot tehtiin XMM-Newtonilla Perseuksen galaksiklusterista ja läheltä Andromedan galaksia.

Standardimallin laajennus sisältää
kolme steriiliä neutriinoa.
Kuva Alexey Boyarsky.

[2] Hiukasfysiikan standardi malli sisältää kolme eri makuista neutriinoa, jotka ovat elektronin, taun  ja myonin neutriinot. Nämä ovat lähes massattomia hiukkasia ja niillä kaikilla on vasenkätinen spinkvankkitluku (eräänlainen pyörimismäärä) ½.  Boyarskyn mukaan standardimallin laajennus sisältää kolme oikeakätistä neutriinoa, joita kutsutaan steriileiksi neutriinoiksi (N₁, N₂ ja N₃).

[3] Yksi merkittävimmistä arvoituksista on ”puuttuvat galaksit”. Kosmisen mikroaaltotaustasäteilyn kartoitusta on käytetty mittamaan kuinka nopeasti maailmankaikkeus laajenee ja kuinka tavallinen aine on muodostanut galaksiklustereita ja galakseja. Kartoitus ja paikalliset mittaukset kuitenkin antavat erilaisia arvoja, kartoitus osoittaa maailmankaikkeuden laajenevan liian hitaasti ja että galakseja pitäisi olla kolminkertaisesti havaittuun määrään nähden.

Mark Wyman’in (New York yliopisto) mukaan jos steriileiden neutriinojen massa on vähemmän kuin 1 keV, maailmankaikkeuden laajeneminen asettuu nykyarvoonsa. Lisäksi neutriinojen vähäinen vuorovaikutus mahdollistaisi aineen pakenemisen, jolloin sitä jäisi vähemmän klustereiden ja galaksien muodostumiseen. Wymanin laskema steriilin neutriinon massa olisi aivan liian vähän ratkaisemaan pimeän aineen arvoitusta, mutta toisen ”makuiset” steriilit neutriinot voivat sitä olla, edellyttäen, että niillä on enemmän massaa.

Pimeää ainetta ei löytynyt

LUX-laitteiston ilmaisin puhdastilassa
ennen sen sijoittamista teräksiseen
termospulloon.
Kuva Matt Kapust,
Sanford Underground Research Facility.

Sanfordin tutkimuslaitoksen^[1] LUX-laitteistolla^[2] tehdyssä ja kolme kuukautta kestäneessä kokeessa ei pimeää ainetta löytynyt. Samalla koe osoittaa, että aikaisemmin epäsuoria vihjeitä pimeästä antaneista kokeissa saavutetut tulokset olivat todennäköisesti vääriä. Ainakaan ne eivät olleet aiheutuneet pimeästä aineesta.

Pimeää ainetta on etsitty vuosikymmeniä sen jälkeen kun tähtien nopeuksissa galaksien ympäri havaittiin poikkeamia, jotka eivät selity tavanomaisen eli näkyvän aineen jakaumalla galakseissa. Selityksenä pidetään hyvin yleisesti pimeää ainetta, joka vuorovaikuttaa tavallisen aineen kanssa lähinnä gravitaation välityksellä. Pimeäksi aineeksi on ehdotettu WIMP-hiukkasia^[3][4], jotka olisivat keskittyneet valtavaksi pilveksi galakseihin ja niiden ympärille.

Pimeä aine ei säteile valoa tai mitään sähkömagneettista säteilyä, joten sen havaitseminen on vaikeaa. Pimeän aineen hiukkaset eivät myöskään muodosta atomien kaltaisia hiukkasryppäitä keskenään. Tähänastiset havainnot ovat epäsuoria ja ne perustuvat gravitaation aikaansaamiin vaikutuksiin kaukaisista kohteista peräisin olevaan valoon. Tällaiset havainnot ovat lähinnä vain suuntaa antavia.

LUX-laitteiston teräksinen termospullo
on sijoitettu isoon vesisäiliöön,
joka suojaa ilmaisinta kosmisen
säteilyn aiheuttamilta häiriöiltä.
Kuva Matt Kapust, Sanford
Underground Research Facility.

Sanfordin LUX-laittesto koostuu teräksisestä termospullosta, jossa on kolme tonnia nestemäistä ksenon kaasua noin –107 °C lämpötilassa. Säiliön pohjalla ja kannessa on valoilmaisimet ja siihen on synnytetty sähkökenttä. WIMP-hiukkasen törmätessä yhteen ksenon-atomiin ja se puolestaan aiheuttaa törmäysten sarjan. Ketjureaktiossa syntyy valonvälähdyksiä ja elektroneja. Valonvälähdykset havaitaan valoilmaisimilla ja elektronit ohjautuvat sähkökentän vaikutuksesta kohti säiliö yläosaa, jossa on ohut kerros ksenon-kaasua. Elektronit saavat aikaan kaasussa lisää valon välähdyksiä. Valoilmaisimilla voidaan paikantaa alkuperäinen törmäys muutaman millimetrin tarkkuudella ja valon voimakkuus kertoo prosessissa vapautuvasta energiasta.

Maanalainen kaivos on valittu sijoituspaikaksi lähinnä kosmisen säteilyn ja neutriinojen aiheuttamien ”väärien hälytysten” vuoksi. Massiivinen kallioperä suodattaa suurimman osan kosmisen säteilyn hiukkasista. Lisäsuojaksi LUX-laitteisto on upotettu yli 320 tonnin pudasvesisäiliöön, joka poistaa loputkin häiriöiden (kohinan) aiheuttajat. Lisäksi LUX-laitteisto on viritetty 33 GeV/c² massaisten^[5] WIMP-hiukkasten etsintään, joten energialtaan erilaiset tapahtumat voidaan seuloa pois.

Tämän vuoden alussa LUX-säiliö täytettiin ksenonilla ja muiden valmistelujen jälkeen tutkijat pääsivät tekemään koetta. Koe kesti kolme kuukautta ja tulosten analysointi on valmistunut syksyn aikana ja ne julkaistiin lokakuun 30 päivänä. Niiden mukaan pimeää ainetta ei havaittu. Tulos on merkittävä, sillä laitteiston herkkyyden lasketaan olevan kolmesta pariinkymmeneen kertaa suurempi kuin muiden aikaisempien laitteistojen.

Aikaisempien kokeiden, esimerkiksi erittäin kylmän pii-ilmaisimella tehdyissä kokeissa havaittiin noin 1600 tapahtumaa, eli sen mukaan matalamassainen WIMP-hiukkanen törmäsi piiatomiin kerran 80 minuutissa. Mitään vastaava ei LUX-laitteistolla havaittu vaikka olisi pitänyt.

Tutkimusta tällä laitteistolla jatketaan ainakin pari seuraavaa vuotta. Tämän jälkeen LUX-laitteisto korvataan suuremmalla, noin 7 tonnin ksenon-vetoisuudella olevalla LUX-SEPLIN-laitteistolla (LZ) samassa puhdasvesisäiliössä. Uusi laitteisto tulee olemaan tuhansia kertoja herkempi kuin nykyinen LUX-laitteisto.

Huomautukset

[1] Sanford Undergrouns Research Facility joka sijaitsee noin 1,5 km syvässä HomeStake-kultakaivoksessa Etelä-Dakotassa (USA). Kaivosyhtiö luovutti tuotantonsa päättäneen kaivoksen Etelä-Dakotalle tutkimuskäyttöön. Sanfordin rahoittajina on kaikkiaan 17 yliopistoa tai tutkimuslaitosta, USA, UK ja Portugal.

[2] Large Underground Xenon (LUX) dark mater detector eli Suuri maanalainen ksenon-ilmaisin pimeän aineen etsintään.

[3] Weakly Interacting Massive Particle eli WIMP; eksoottisia ja teoreettisia hiukkasia, joiden arvellaan muodostavan pimeän aineen joko osaksi tai kokonaan. Hiukkaset ovat massiivisia ja vaikuttavat tavallisen aineen kanssa ainoastaan gravitaation ja heikon vuorovaikutuksen välityksellä. Hiukkasfysiikan standardimalliin WIMP-hiukkaset eivät sisälly, mutta supersymmetriset hiukkasteoriat mahdollistavat ne.

[4] Pimeäksi aineeksi on ehdotettu koko joukko muitakin, lähinnä supersymetrisiä hiukkasia kuten kevyin supersymetrinen hiukkanen LSP tai neutraliino.

[5] GeV/c² = gigaeletronivoltti jaettuna valonnopeuden neliöllä on hiukkasfysiikassa käytetty massanyksikkö.  Yksi eV on energia jonka elektroni saa, kun sen nopeutta kiihdytetään 1 voltin potentiaalieron sähkökentässä. Yhden eV energiamäärä on 1,6021773·10^-19 J (joulea) ja 1 GeV=10⁹ eV.