Tuottaisiko antimateria antigravitaation?

Scifi-maailmassa antimateria ja antigravitaatio ovat ”vakio kamaa”, mutta reaalimaailmassa me vielä haparoimme aikatavalla arvausten varassa. Yksi mielenkiintoisimmista kysymyksistä on antigravitaatio. Voisiko sitä saada aikaan kokoamalla antiainetta riittävästi?

Kysymyksen kokeellinen todistaminen on ollut tavattoman vaikeaa johtuen lähinnä siitä, että antiaineen tuottaminen ei ole niitä kaikkein helpoimpia juttuja. Yksittäisiä antihiukkasia¹ kyllä syntyy mutta keveimmänkin aineen, antivedyn, rakentamisessa on valtavasti ongelmia ja siinä on onnistuttu vain hyvin vähäisessä määrässä. Tutkimuskäytössä antiainetta käytetään vuosittain 1–10 nanogrammaa.

Cernin sveitsiläinen ALPHA (Antihydrogen Laser Physics Apparatus) -tutkijaryhmä on kuitenkin tarttunut asian tutkimiseen tosimielessä. He pyrkivät tutkimaan sitä, kuinka normaali gravitaatio vaikuttaa kokeissa synnytettyihin antiainehiukkasiin. Tehtävää varten antihiukkasia pitäisi pystyä säilyttämään riittävän pitkään, jotta gravitaation vaikutukset tulisivat selvästi esille. Antihiukkasten pyydystäminen ja sulkeminen magneettiseen loukkuun onnistui muutama vuosi sitten ja nykyisin antihiukkasten säilyttäminen onnistuu jopa 1 000 sekunnin ajan. Loukussa on tyhjiö ja magneettikentät estävät antihiukkasia törmäämästä astian seinämiin.

Tutkijaryhmä sulki magneettiseen loukkuun kaikkiaan 434 antivety atomia. Tutkimuksessa vapautettiin atomit ja katsottiin niiden tuhoutumisen (annihilaatio²) fyysinen sijainti. Tuhoutumispaikkoja käsiteltiin tilastollisin menetelmin. Tulos oli, että antivetyatomit olivat hieman alle 110-kertaisesti herkempiä ja vähemmän kuin 65-kertaisesti epäherkempiä (joka merkitsisi antigravitaatiota) painovoimalle kuin tavallinen aine. Tulos on sen verran sekava, että sillä yksittäisenä kokeena tuloksesta ei pystytä sanomaan antigravitaatiosta yhtään mitään.

Jos kysymyksessä olisi pesäpallon massaiset hiukkaset, kokeen tulos olisi varmasti hyvin yksiselitteinen. Kyseessä oli kuitenkin kevein mahdollinen atomi (yksi protoni ja yksi elektroni), johon muut mahdollisesti vaikuttavat voimat peittävät gravitaation tai antigravitaation vaikutukset alleen, gravitaatio kun on muihin luonnon perusvoimiin verrattuna hyvin heikko voima.

---

[1] Antihiukkasilla ymmärretään tavallisten hiukkasten massaisia mutta sähkövaraukseltaan ja kvanttiluvuiltaan vastakkaisia hiukkasia. Esimerkiksi antiprotonin sähkövaraus on negatiivinen ja sen lisäksi baryoniluku (B) on vastakkainen (protoni B= 1 ja antiprotonilla B=–1). Elektroneilla ja positroneilla ero on vain sähkövarauksessa.

[2] Hiukkasten ja antihiukkasten kohdatessa ne tuhoavat toisensa täydellisesti. Tuloksena on vain energiaa sähkömagneettisen säteilyn muodossa. Tapahtumaa kutsutaan annihilaatioksi.

AMS-02 pimeän aineen jäljillä



AMS-02-havaintolaitteisto. Kuva ESA.

Maailmankaikkeutemme salaisuudet kiehtovat ihmismieltä. Ehkä kaikkein suurin salaisuuksista on pimeä aine ja energia, joita on yritetty löytää hyvin aktiivisesti jo vuosikymmenien ajan. Nyt ihmiskunnan historiassa ensimmäistä kertaa olemme saaneet pienen vihjeen pimeästä aineesta muutoinkin kuin pelkästään gravitaation vaikutuksiin perustuvista havainnoista. Tämä vihjeen tarjoaa meille Kansainväliselle avaruusasemalle viety Alpha Magnetic Spectrometer, lyhyemmin AMS-tutkimuslaitteisto.

 

Tutkimuslaitteisto on järjestyksessä toinen avaruuteen sijoitettu ja niinpä sen nimi onkin AMS-02. Ensimmäinen laitteisto (AMS-01) vietiin MIR-asemalle vuonna 1998. Se oli toiminnassa vain kaksi viikkoa, mutta jo näinkin lyhyt aika riitti havaintoihin, jotka pakottivat tutkijat muuttamaan käsityksiään maailmakaikkeudesta.

AMS-02-laitteiston toimintaperiaate.

Kuva ESA.

AMS-02 laitteisto koostuu suprajohtavassa tilassa olevista kestomagneetista, joiden aikaansaama magneettikenttä muuttaa siihen joutuvien varattujen hiukkasten rataa. Lopulta hiukkaset ohjautuvat niitä havainnoiville tunnistussensoreille. Ne mittaavat hiukkasten massan, sähkövarauksen ja liike-energian, joiden arvojen perusteella hiukkaset ovat tunnistettavissa. Laitteisto havaitsee niin kosmisen säteilyn atomiytimet kuin kaikki sähkövarautuneet hiukkaset mukaan lukien positronit ja mahdolliset muut antimaterian sähkövarautuneet hiukkaset.

AMS-02 ei ole mikään keijukainen; massaa sillä on 6 918 kg. Laitteiston magneettikentän voimakkuus on yli 4 000-kertaisesti voimakkaampi kuin maapallon magneettikenttä; suunnilleen 1/10-osa lääketieteellisissä magneettikuvauksissa käytettävän MRI-laitteiston kenttävoimakkuudesta. AMS-02 vietiin Kansainväliselle avaruusasemalle Endearvour-sukkulalla vuonna 2011. Eurooppalainen astronautti Roberto Vittori sijoitti sen sukkulan robottikädellä avaruusasemalle rakennetulle alustalle.

AMS-02-laitteiston mittauksista on nyt saatu ensimmäisiä tuloksia. Niiden mukaan avaruudessa kiitää elektronien antihiukkasia eli positroneja kaikista mahdollisista suunnista. Tutkijat arvelevat, että positronien jatkuva vuo antaa vihjeen pimeän aineen olemassa olosta. Positronit voisivat olla peräisin neutraliinoksi nimetystä sähkövarauksettomasta hiukkasesta, jota on ehdotettu pimeän aineen hiukkaseksi. Onko näin, se jää nähtäväksi tulevaisuudessa! AMS-02 jatkaa havaintojaan tulevina vuosina.

Maailmankaikkeuden energia-

tiheyden jakaantuminen eri

osasten kesken. Kuva ESA.

Parisen viikkoa sitten julkaistiin Planck-luotaimen tekemä kartoitus kosmisesta mikroaaltotaustasäteilystä. Näiden tulosten perusteella pimeän aineen määräksi on määritetty 26,8 % kaikesta maailmankaikkeuden massa-energiatiheydestä. Meidän tuntevaa näkyvää ainetta on vain 4,9 % ja loppu 68,3 % on pimeää energiaa. Tulos on merkittävä, sillä se poikkeaa aikaisemmasta ja pimeän aineen osuus kasvoi yli neljällä prosenttiyksiköllä.

Havaitut positronit voivat olla osoitus pimeän aineen olemassa olosta. Pimeän aineen hiukkasten (neutraliinojen) törmätessään toisiinsa on niiden arveltu hajoavan lukuisiksi eri hiukkasiksi, joista sähkövaraukseltaan positiivinen positroni olisi yksi tärkeimmistä. Vastaavasti samassa prosessissa pitäisi vapautua outoja negatiivisesti varautuneita hiukkasia. Jos törmäyksissä syntyvät hiukkaset pystyttäisiin havaitsemaan ja tunnistamaan, pimeästä aineesta peräisin olevien hiukkasten keskinäiset suhteet paljastaisivat niiden alkuperän.

Pimeän aineen olemassa olo on tunnettu jo vuosikymmeniä. Ensimmäiset vihjeet sen olemassa olosta saatiin 1900-luvun ensimmäisellä puoliskolla, kun havaittiin tähtien nopeuksia niiden kiertäessä Linnunrataa. Tähtien nopeuksien pitäisi vähetä sen mukaisesti mitä kauempana galaksin keskustasta niiden rata on. Näin ei kuitenkaan tapahdu, vaan nopeus pysyy suunnilleen yhtä vauhdikkaana kuin lähempänäkin olevien tähtien vauhti. Ainoa selitys asialle näyttäisi olevan pimeä aine. Sitä piti olla paljon ja suurin osa siitä sijaitsisi Linnunradan ympärillä. Samanlaisia tuloksia on saatu myös muiden galaksien tähtien kiertonopeuksista.

AMS-02-laitteisto pystyy havaitsemaan myös muita antimaterian hiukkasia. Antimaterian käsite syntyi vuonna 1930 englantilaisen fyysikon Paul Diracin luomassa teoriassa. Häneen mukaansa antimateria muodostuu tavallisen aineen peilikuvahiukkasista, joiden sähkövaraus olisi kuitenkin vastakkainen. Näin ollen negatiivisesti varautuneen elektronin antihiukkanen olisi positiivisesti varautunut positroni. Positronit onnistui havaitsemaan Carl Andersson vuonna 1932. Molemmat tutkijat palkittiin Nobel-palkinnolla: Dirac vuonna 1933 ja Anderson vuonna 1936.

Erityisen mielenkiinnon kohteena on AMS-02-laitteistolla mahdollisesti havaittava anti-helium. Sitä ei muodostu avaruudessa, joten jos sitä havaitaan, niin se on ainutlaatuinen osoitus antimateriasta koostuvien galaksien olemassa olosta.

Hiukkasfyysikot toivovat, että AMS-02-laiteisto havaitsisi outokaisiksi (strangelets) kutsuttujen hiukkasten muodostamaa ainetta. Hiukkaset muodostuisivat, kuten tavallinen aine, Ylös- ja Alas-kvarkeista, mutta niissä olisi myös Outo-kvarkki. Tavallisessa aineessa kvarkkien lukumäärä on kolme (protoni ja neutroni) mutta outokaisissa niitä olisi neljä, joista siis yksi olisi Outo-kvarkki. Tällaisen hiukkasen koko olisi jo muutaman femtometrin luokkaa ja siten havaittavissa yksittäisenä hiukkasena. Pimeä aine voisi siis muodostua outokais-hiukkasista. Outokaiset olisivat kuitenkin yksittäin hyvin epävakaita ja hajoaisivat nopeasti Ylös- ja Alas-kvarkkien muodostamiksi hiukkasiksi. Tilanne kuitenkin muuttuisi jos näitä hiukkasia olisi suuri joukko. Silloin epästabiilisuus katoaisi ja pimeä aine voisi olla outokais-ainetta.

Kosminen hiukkasäteily

on lähes valonnopeudella

kiitäviä raskaita atomi-

ytimiä. Kuva ESA.

AMS-02-laitteiston pieni sivujuonne on, että sen avulla voidaan tutkia magneettien käyttäytymistä avaruuden olosuhteissa. Tällaista tietoa voidaan hyödyntää siinä vaiheessa kun miehitettyjä Mars-lentoja ryhdytään suunnittelemaan. Yksi tärkeimmistä ja vielä ratkaisemattomista kysymyksistä on, kuinka miehistö suojataan avaruuden kosmiselta säteilyltä? Eräs ratkaisumalli voisi olla voimakkaiden magneettikenttien muodostama suojakilpi, joka poikkeuttaisi reitiltään lähes valonnopeudella kiitävät raskaat atomiytimet ja sähköisesti varautuneet hiukkaset ja näin ne eivät pääsisi vahingoittamaan astronautteja.