Haamumaisten neutriinojen jakautunut luonne

Maailmankaikkeus koostuu alkeishiukkasista, joihin myös neutriinot kuuluvat. Neutriinot syntyvät luonnossa esimerkiksi Auringon ydinreaktioista, ne saapuvat maahan, ja niitä on paljon ja kaikkialla, vaikka emme niitä näekään. Neutriinoja voi kuitenkin havaita laboratorio-olosuhteissa ja hiukkastörmäyksissä muiden hiukkasten jättämistä jäljistä.

Hiukkasfysiikan niin sanottu Standardimalli, joka kuvaa hiukkasfysiikan ilmiöitä muuten hyvin, ei ole vielä pystynyt selittämään, miksi neutriinoilla on massa, vaikkakin pieni, eikä sitä, miksi neutriinot ovat yli miljoona kertaa keveämpiä kuin toiseksi kevein massiivinen alkeishiukkanen, elektroni.

Avuksi tarvitaan teoria, joka antaa neutriinoille massat, jotka aiheuttavat hiukkaskiihdyttimillä, hiukkasten hajoamisreaktioissa ja oskillaatiokokeissa havaittavia merkkejä. Tämä teoria voidaan todistaa vain havaitsemalla merkit, joita standardimalli ei ennusta.

Hiukkasfyysikko Timo Kärkkäisen väitöskirja ”Neutriinojen massat ja oskillaatiot Standardimallin laajennuksissa” käsittelee haamumaisten neutriinoiksi nimettyjen hiukkasten äärimmäisen heikkoja vuorovaikutuksia, keveyttä ja niiden kaksijakoista luonnetta:

– Neutriinoja on kolmea eri tyyppiä, elektronineutriino, myonineutriino ja tauneutriino. Erikoista on, että ne voivat muuttua toisikseen neutriino-oskillaatioksi nimetyssä ilmiössä, Kärkkäinen sanoo.

Oskillaatio kuvaa neutriinon jatkuvaa värähtelyä näiden kolmen eri tyypin välillä. Neutriino-oskillaatioiden kokeellisesta löytämisestä Arthur B. MacDonaldille ja Takaaki Kajitalle myönnettiin fysiikan Nobel-palkinto vuonna 2015.

Keinulautamalli selittää keveät neutriinot olettamalla raskaat hiukkaset

Keveiden neutriinojen olemassaoloa on selitetty 1970- ja 1980-lukujen taitteessa kehitetyllä niin sanotulla keinulautamallilla. Malli olettaa hyvin raskaiden hiukkasten olemassaolon. Nämä superraskaat hiukkaset voivat olla esimerkiksi uusia Higgsin bosoneja tai uusia neutriinoja.

– Tähän mennessä näistä uusista raskaista hiukkasista ei ole vielä näkynyt merkkejä, mutta etsinnät jatkuvat, Timo Kärkkäinen kertoo.

Uusien raskaiden hiukkasten löytyminen antaisi lisävahvistusta sille, että Standardimalli ei ole enää hiukkasfysiikan ilmiöitä parhaiten kuvaava teoria, ja on turvauduttava ulkopuolisiin teorioihin.

– Raskaat neutriinot voivat selittää kosmologiaa piinaavia ongelmia, ja uudet Higgsin bosonit ovat osasia monissa suosituissa Standardimallin laajennuksissa, kuten tietyntyyppisissäkeinulautamalleissa, vasen-oikea-symmetrisissä malleissa ja supersymmetriassa, Kärkkäinen sanoo.

Pienten merkkien mittaamista

Väitöstutkimuksessaan Timo Kärkkäinen on tutkinut mahdollisuuksia mitata Standardimallin laajennuksista aiheutuvia pieniä merkkejä neutriino-oskillaatiokokeissa ja myös kiihdytinkokeissa Cernin LHC-kiihdyttimessä (Large Hadron Collider).

Cernin LHC-kiihdyttimen nykyinen hiukkastörmäytysenergia on jo lähellä suunniteltua maksimienergiaa. Siten uusien hiukkasten massa (tai massaa vastaava energia, E = mc²) ei voi olla suurempi kuin LHC:n maksimienergia.

– Tutkin mahdollisuuksia sekä malliriippumattomasti että käyttäen malleja. Malliriippumattomalla tasolla tutkimme neutriinojen lentomatkalle optimaalista etäisyyttä neutriino-oskillaatiokokeille, jotta löytäisimme standardimallin laajennuksista johtuvat hyvin pienet poikkeamat.

Kärkkäisen mukaan on tietysti niin, että teoreettiset mallit, jotka antavat neutriinoille massan, vaikuttavat myös neutriino-oskillaatioihin. Mikäli vaikutus on tarpeeksi voimakas, oskillaatiokokeissa huomataan liian vähän tai liian paljon tietyntyyppisiä neutriinoja.

– Meillä on jo useita vahvoja viitteitä tällaisesta ilmiöstä – esimerkiksi MiniBooNe-koe ilmoitti toukokuussa 2018 havainneensa ”liikaa” elektronineutriinoja, väittelijä sanoo.

Tarvitaan tehokkaampia neutriinokokeita

Kaikki poikkeamat odotetusta neutriinojen määrästä ovat todisteita joidenkin mallien puolesta, mutta aivan aukottomia nämä vihjeet eivät ole, ja lopullisen todisteen saamiseksi on rakennettava suurempia ja tehokkaampia neutriinokokeita.

– Näille kokeille on olemassa optimaalinen neutriinojen lentomatka, ja selvitimme sen tutkimuksessamme. Se on noin 2000-4000 kilometriä riippuen neutriinon energiasta.

Neutriino-oskillaatiokokeet rakennetaan siten, että tiedetään täsmälleen kuinka pitkän matkan neutriinot lentävät, esimerkiksi tietyn välimatkan päähän hiukkaskiihdyttimestä. Tällaisia kokeita ovat esimerkiksi Italiassa sijaitseva OPERA (http://operaweb.lngs.infn.it/) ja yhdysvaltalainen NOvA (http://novaexperiment.fnal.gov/).

– Niin kuin hiukkaskiihdyttimillä, neutriino-oskillaatioissakin voidaan nähdä merkkejä uusista raskaista hiukkasista, mutta samat rajoitukset tulevat vastaan: merkit ovat sitä heikompia, mitä raskaampia uudet hiukkaset ovat.

Neutriinofysiikan ymmärtäminen täsmentyy

Neutriinofysiikka on viime vuosikymmenen aikana harpannut eteenpäin huimasti.

– Nyt odotan erityisesti DUNE-kokeen (Deep Underground Neutrino Experiment) valmistumista Yhdysvalloissa 2020-luvun puolivälissä ja EUCLID-tutkimussatelliittiprojektin käynnistymistä, satelliitti laukaistaan 2021. Näiden avulla myös neutriinofysiikan kuva tarkentuu kerralla huomattavasti, Timo Kärkkäinen sanoo.

DUNE, http://www.dunescience.org/, on rakenteilla oleva neutriinokoe. Sillä mitataan neutriino-oskillaatiota entistä tarkemmin, etsitään uusia neutriinoja ja etsitään protonin hajoamisesta aiheutuvia merkkejä. Se on hyvin samanlainen kuin aiemmat kokeet, mutta isompi ja tehokkaampi.

Timo Kärkkäinen väittelee aiheesta ”Neutriinojen massat ja oskillaatiot Standardimallin laajennuksissa” perjantaina 19.10. kello 12 Kumpulassa, Physicumin salissa E204, Gustaf Hällströmin katu 2.

Elektroninen julkaisu: https://helda.helsinki.fi/handle/10138/242596

Valokuva: Maximilien Brice, LHC-tunneli, sektorit 3-4, copyright Cern
Henkilökuva: copyright kuvaaja Eero Virkamäki

Yhteystiedot:
Timo Kärkkäinen, 044 528 5350, timo.j.karkkainen@helsinki.fi

Lue lisää neutriinofysiikasta:
Tähtitieteilijät ovat ensimmäistä kertaa onnistuneet paikantamaan kosmisen neutriinon lähteen, http://www.utu.fi/fi/Ajankohtaista/Uutiset/Sivut/tahtitieteilijat-ovat-paikantaneet-Linnunradan-ulkopuolelta-tulleen-kosmisen-neutriinon-lahteen.aspx

Hiukkasfysiikassa tehtiin taas tärkeä löytö – Tutkijat selvittivät salaperäisten neutriinojen synnyinsijan, https://yle.fi/uutiset/3-10304234

Universumin huikein onnenkantamoinen: hiukkanen osui tutkijoiden vesimolekyyliin miljardeja vuosia matkattuaan ja paljasti röyhtäilevän mustan aukon, https://www.hs.fi/tiede/art-2000005782046.html?share=616b937d94080a57addcf739c3255d82),

Tutkijat löysivät kaukaa Linnunradan ulkopuolelta peräisin olevan neutriinon - hiukkasen alkuperä kaukaisen galaksin keskuksessa sijaitseva musta aukko, https://www.tekniikkatalous.fi/tiede/avaruus/tutkijat-loysivat-kaukaa-linnunradan-ulkopuolelta-peraisin-olevan-neutriinon-hiukkasen-alkupera-kaukaisen-galaksin-keskuksessa-sijaitseva-musta-aukko-6732882

Uutisia luonnontieteistä yliopiston sivuilla, https://www.helsinki.fi/fi/matemaattis-luonnontieteellinen-tiedekunta

Ystävällisin terveisin
Minna Meriläinen-Tenhu, HY-viestintä, luonnontieteet, @MinnaMeriTenhu, 050 415 0316