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.

 

 

 

GOCE tuhoutuu viikon kuluessa

Taiteilijan näkemys GOCE-satelliitista.
Kuva ESA.

Euroopan avaruusjärjestön (ESA) maapallon gravitaatiokenttää mitannut GOCE-satellitti päätyy ilmakehään suunnilleen viikon kuluttua. Nyt se on jo alle 190 km korkeudella ja radan korkeus vähenee useita kilometrejä vuorokaudessa. Tällä hetkellä näyttäisi siltä, että tiheämpään ilmakehään se joutuu viimeistään 11. päivänä, jolloin se tuhoutuu. Aivan tarkkaa ajankohtaa ei vielä pystytä ennakoimaan, sillä ilmakehän tiheysvaihtelut vaikuttavat satelliitin matkanteon hidastumiseen.

Ocean Circulation Explorer eli lyhyemmin GOCE-satelliitti on kartoittanut maapallon gravitaatiokenttää aikaisempaa suuremmalla tarkkuudella maaliskuusta 2009 alkaen. Elokuuhun 2012 asti sen rata pidettiin 255 km korkeudella, jonka jälkeen se muutettiin hieman alemmaksi, 224 km korkeuteen. Alemmalla radalla kartoitusta voitiin jatkaa suuremmalla tarkkuudella.

Satelliitin ajoaine^[1], ksenon, loppui 21.10. jonka jälkeen sen rata on alkanut vajota alemmaksi ilmakehässä. Vajoaminen johtuu satelliitin liikkumiseen kohdistuvasta ilmakehän vastustavasta voimasta^[2], joka tällä korkeudella on jo merkittävä satelliittien ratoihin vaikuttava tekijä. Alle 250 km korkeudella ilmakehän vastustava voima on sen verran suurta, että ilman rakettimoottoreiden käyttöä satelliitti vajoaa syvempään ilmakehään tuhoutuakseen vain muutamassa viikossa.

GOCEn rata on ollut matalimmalla mitä koskaan tutkimussatelliitit ovat käyttäneet, vain tiedustelusatelliitit ovat olleet lyhyitä aikoja vielä alemmilla radoilla. GOCE on myös ainutlaatuinen satelliitti, sillä siinä on aerodynaamiset siivekkeet käytössä. Niiden ja ionimoottorin työntövoiman säädöllä pystyttiin satelliitin rataa säätämään erittäin tarkasti.

Geoidi GOCE-satelliitin mittausten
mukaan. Kuva ESA.

Nimensä mukaisesti GOCE on tehnyt mittauksia gravitaationkentän voimakkuuden vaihtelusta. Mittaustulosten perusteella tutkijat ovat onnistuneet määrittämään maapallon geoidi-muodon aikaisempaa paljon suuremmalla tarkkuudella. Geoidi on se pallosta poikkeava muoto, johon maapallon merien pinnat asettuisivat ilman virtauksia ja muita häiritseviä tekijöitä. Merivirrat, ilmanpaineiden vaihtelut, merialueiden erilaiset lämpötilat ja tuulet vaikuttavat siihen, kuinka korkealle paikallinen merenpinta todellisuudessa asettuu.

GOCEn mittaukset antavat tietoa myös edellä lueteltujen ”häiritsevien tekijöiden” vaikutuksesta ja jälleen aikaisempaa suuremmalla tarkkuudella. Näiden tekijöiden vaikutuksen tunteminen auttaa tutkijoita ymmärtämään valtamerien hyvinkin monimuotoista dynamiikkaa.

GOCEn mittaukset eivät kuitenkaan rajoittuneen vain valtameriin, vaan mittaustuloksia saatiin myös maapallon pintakerroksen ja sen alapuolella olevan vaipan (Moho) tiheydestä ja rakenteesta. Mittaustarkkuus oli niin suuri, että Japanissa 11. maaliskuuta 2011 tapahtuneen maanjäristyksen aiheuttamat ääniaallot Mohossa havaittiin mittausdatasta.

Elokuun 2012 tapahtuneen radan alentamisen jälkeen GOCE pystyi havaitsemaan valtamerissä esiintyviä pyörteitä, joista aikaisemmin on saatu vain hyvin vähän tietoja.

GOCEn toiminta-aika oli suunniteltu päättyvän huhtikuussa 2011. Ajoaineen kulutus oli kuitenkin sen verran vähäisempää, että satelliitin toimintaa päätettiin jatkaa. Ajoaineen kulutukseen vaikutti Auringon oletettua vähäisempi aktiivisuus, sillä aktiivisuudella on suora vaikutus ilmakehän tiheyteen ja laajuuteen. Aktiivisina kausina maapallon ilmakehä on tiheämpi ja ulottuu laajemmalle kuin minimin kausina. Tämän lisäksi saatiin suoraa tietoa Auringon aktiivisuuden vaihtelun^[3] vaikutuksesta maapallon ilmakehään.

Tiheään ilmakehään joutuminen aiheuttaa satelliitin tuhoutumisen. Vaikka suurin osa jäännöksistä ehtii höyrystyä maapallon ilmakehässä, on kuitenkin mahdollista että suurimmat ja massiivisimmat osat, kuten ksenon-säiliö ja jotkin moottorin osat voivat päätyä maanpinnalle. Putoamispaikkaa ja aikaa ei kuitenkaan osata ennustaa kuin korkeintaan muutama tunti ennen tuhoutumista. ESA pitää kuitenkin jokaisen rata-alueella olevan valtion viranomaisia selvillä siitä, missä satelliitin lasketaan tuhoutuvan.  Myös ESAn julkaisemalta Internet-sivustolta ^[4]  (englanniksi) voi seurata päivitettyjä tietoja satelliitin statuksesta ja aivan loppuvaiheessa siellä julkaistaan myös tietoja ennakoidusta tuhoutumisalueesta.

GOCEn rata on ollut aurinkosynkroninen ja sen inklinaatio (kaltevuuskulma ekvaattoritasoon nähden) on 96,7°, joten mahdollinen putoamispaikka käsittää koko maapallon. Maapallon pinta-alasta on ¾ merta ja mantereidenkin pinta-alasta merkittävä osa täysin asumatonta, joten satelliitin putoaminen asutuskeskuksiin tai asutulle seudulle on suhteellisen pieni mahdollisuus. Sitä mahdollisuutta ei kuitenkaan ainakaan tässä vaiheessa pystytä sulkemaan pois.

Huomautukset

[1] Ajoaine (ei siis polttoaine!) on ksenon jalokaasua, joka satelliitin ionimoottorissa ensin ionisoidaan ja sen jälkeen kiihdytetään suureen nopeuteen voimakkaalla sähkökentällä. Mekanismi on aivan sama kuin mitä käytettiin (ja on osaltaan edelleen käytössä) vanhoissa tv-kuvaputkissa. Ero kuvaputkeen nähden on, että ionimoottorissa kiihdytys tehdään positiivisesti varautuneille ksenon-atomeille, kun tv-kuvaputkessa kiihdytettiin elektroneja.

Jalokaasuna ksenon ei pala, joten se ei tarvitse hapetinta. Ionimoottorin synnyttämä työntövoima on suhteellisen heikko, mutta vastapainoksi moottoria voidaan pitää jatkuvasti toiminnassa. Tästä syytä moottorilla voidaan saada merkittävästi suurempia matkanopeuksia kuin perinteisillä kemialliseen palamiseen perusvilla rakettimoottoreilla. Lisäksi ajoainetta tarvitaan merkittävästi vähemmän kuin polttoainetta, joten se suoraan vaikuttaa satelliittien ja luotainten rakenteeseen, massaan ja havaintoinstrumenttien määrään.

GOCE-satellittissa ionimoottorin jatkuvakäyttöisyyttä voitiin käyttää hyödyksi kumoamaan ilmakehän liikettä vastustava voima. Ajoaineen määrää ja sähkökentän voimakkuutta säätämällä saatiin satelliitti pysymään hyvin tarkasti määritetyllä radallaan, joka puolestaan helpotti suuremman mittaustarkkuuden saavuttamista.

[2] Ilmakehän vastustava voima koostuu kahdesta tekijästä: ilmakehän kaasun kompressoitumisesta satelliitin etupuolella ja vastaavasti täydellisestä tyhjiöstä jättöpuolella sekä hyvin vähäisessä määrin kitkasta. Paine-ero saa aikaan pienen mutta suhteellisen tasaisen voiman, joka on liikesuunnalle vastakkainen. Tästä syystä se saa aikaan voiman suuntaisen pienen kiihtyvyyden ja satelliitti menettäisi liike-energiaansa, ellei tätä vastustavaa voimaa kumottaisi.

[3] Luotaimen laukaisun aikaan elettiin vähäisen, mutta nousevan aktiivisuuden kautta ja nyt sen päättäessä toimintansa ollaan aktiivisuusmaksimissa tai se voidaan olla jo ohitettu. Lokakuussa 2013 Auringon aktiivisuus oli sen verran korkea, että jos se jatkuu samanlaisena vielä pari kuukautta, voidaan katsoa sen olleen Auringon eteläisen pallonpuoliskon aktiivisuusmaksimi.

[4] http://www.esa.int/Our_Activities/Observing_the_Earth/GOCE/GOCE_completes_its_mission