Helsingin yliopisto

Pimeä aine pakenee etsijöitä – suomalaistutkijat mukana uudessa jäljitysprojektissa

Jaa

Italian Gran Sasso -vuoren alle 1400 metrin syvyyteen on päätetty rakentaa yhteiseurooppalainen COSINUS-koelaitteisto jäljittämään maailmankaikkeuden kätkettyä puolta, pimeää ainetta. Suomalaiset tutkijat osallistuvat kokeiden tulosten teoreettiseen analyysiin.

Kokeessa natriumjodidi-kide jäähdytetään lähelle absoluuttista nollapistettä (-273 °C). Se toimii pimeän aineen ilmaisimena. Kuva: COSINUS/Karoline Schäffner
Kokeessa natriumjodidi-kide jäähdytetään lähelle absoluuttista nollapistettä (-273 °C). Se toimii pimeän aineen ilmaisimena. Kuva: COSINUS/Karoline Schäffner

Vaikka pimeä aine on maailmankaikkeudessa viisi kertaa tavallista ainetta yleisempää, ei sitä ole vielä pystytty havaitsemaan kuin epäsuorasti sen painovoimasta. Ei ole pystytty, lukuun ottamatta yksittäistä signaalia, joka on jo 20 vuoden ajan mitattu eurooppalaisissa DAMA-kokeissa.

Pimeä aine ympäröi galaksimme keskustaa kuin pilvi. Koska aurinkokuntamme kiertää tätä keskustaa ja Maapallo kiertää Aurinkoa, pimeän aineen aiheuttamien signaalien pommituksen tulisi vaihdella vuodenaikojen mukaan. Koska kesäisin Maa on kuin vastatuulessa suhteessa pimeään aineeseen, on pommitus silloin tiuhempaa.

DAMA-kokeissa on havaittu juuri tämä signaalien vaihtelu – havainto pimeästä aineesta. Ongelma on, että DAMA-kokeissa havaittua signaalia ei ole pystytty toistamaan missään muissa kokeissa. Ollakseen totta tieteellinen tulos vaatii vahvistusta.

Valon tuikahdus ja lämmön nousu

Nyt tutkijat aikovat varmistaa DAMA-kokeissa saadun havainnon pimeästä aineesta COSINUS-koelaitteistolla ja -kokeilla. COSINUS on päätetty rakentaa Italian kansalliseen Gran Sasson laboratorioon 1400 metrin syvyyteen suojaan kosmiselta säteilyltä, joka muutoin haittaisi mittauksia.

DAMA-koe onnistui muuttamalla natriumjodidi-kide ilmaisimeksi. Myös COSINUS:ssa ilmaisimena toimivat natriumjodidi-kiteet, jotka jäähdytetään lähelle absoluuttista nollapistettä (-273 °C). COSINUS-koe pystyy erottelemaan erilaisten hiukkasten osumat toisistaan. Pimeän aineen tuottamat hiukkaset jättävät COSINUS-laitteiston ilmaisimeen osuessaan kaksi jälkeä: lyhyen valon tuikahduksen ja äärimmäisen pienen lämpötilan nousun, joka voidaan mitata erityisen herkällä lämpömittarilla.

COSINUS-kokeen tavoitteena on havaita natriumjodidi-kiteessä tapahtuvat ydinsironnat, joiden energia on suurempi kuin yksi kiloelektronivoltti. Yhdistämällä valo- ja lämpötilamittausten tulokset on mahdollista selvittää, millaisesta sirontaprosessista on kyse. Jos sironta käyttäytyy pimeän aineen teorioiden ennustamalla tavalla, havainto pimeästä aineesta on varmistunut.

COSINUS-koelaitteisto koostuu sylinterimäisestä vesitankista, jonka korkeus ja halkaisija ovat 7 metriä. Tankki on täytetty ultrapuhtaalla vedellä, joka suojaa ilmaisimia luonnon radioaktiivisuudelta. Tankin yläpuolelle rakennetaan puhdashuone ilmaisinlaitteiden käsittelyä ja asentamista varten. Kokeen rakennus alkaa vuonna 2021 ja ensimmäiset mittaukset aloitetaan 2022. Ensimmäisiä tuloksia odotetaan vuonna 2023.

Vahvistavatko havainnot teoreettiset mallit?

Projektia rahoittavat Italian kansallinen ydinfysiikan tutkimuslaitos INFN, Saksan Max Planck -seura, Itävallan HEPHY ja Wienin teknillinen yliopisto sekä Suomessa Fysiikan tutkimuslaitos (HIP), joka liittyi mukaan viime vuonna.

Suomalaistutkijat osallistuvat ainakin koetulosten teoreettiseen analyysiin tutkimalla, miten COSINUS-kokeen tuottamaa dataa voi tulkita pimeän aineen teorioiden kannalta.

– Meillä on erinomainen mahdollisuus yhdistää materiaalifysiikan osaamistamme hiukkasfysiikan kanssa, kertoo laskennallisen materiaalifysiikan professori Kai Nordlund Helsingin yliopistosta.

– Tutkimme lämmön muodostumista ja kulkeutumista natriumjodidikiteessä teoreettisten mallien ja atomitason simulaatioiden avulla. Nämä mallit on alun perin kehitetty tavanomaisen materiaalifysiikan tarpeisiin, mutta muutama vuosi sitten keksimme, miten näitä malleja voidaan hyödyntää, kun tutkitaan pimeän aineen vuorovaikutusta ilmaisinmateriaalien kanssa, Nordlund jatkaa.

– Tutkimme, mitä pimeän aineen malleja havaintodata mahdollisesti sulkee pois ja mitä malleja se taas puoltaa, dosentti Matti Heikinheimo Helsingin yliopistosta ja Fysiikan tutkimuslaitoksesta täydentää.

Idean signaalin etsimiseen saivat jo vuonna 2015 Karoline Schäffner Max Planck -seurasta sekä Florian Reindl HEPHY:sta ja Wienin teknillisestä yliopistosta. Heidän johdollaan natriumjodidi-ilmaisimia on testattu ja kehitetty COSINUS-kokeen tarpeisiin. He pystyivät myös ensimmäisinä maailmassa osoittamaan, että natriumjodidia voidaan käyttää hyvin matalassa lämpötilassa. 

Avainsanat

Yhteyshenkilöt

Matti Heikinheimo
dosentti, yliopistotutkija, Fysiikan tutkimuslaitos
Helsingin yliopisto
050 448 5599
matti.heikinheimo@helsinki.fi

Kai Nordlund
laskennallisen materiaalifysiikan professori, dekaani
Helsingin yliopisto
02 9415 0007
kai.nordlund@helsinki.fi
Twitter: @kai_nordlund

Katri Huitu
hiukkasfysiikan fenomenologian professori, johtaja, Fysiikan tutkimuslaitos
Helsingin yliopisto
050 448 4678
katri.huitu@helsinki.fi

Kuvat

Kokeessa natriumjodidi-kide jäähdytetään lähelle absoluuttista nollapistettä (-273 °C). Se toimii pimeän aineen ilmaisimena. Kuva: COSINUS/Karoline Schäffner
Kokeessa natriumjodidi-kide jäähdytetään lähelle absoluuttista nollapistettä (-273 °C). Se toimii pimeän aineen ilmaisimena. Kuva: COSINUS/Karoline Schäffner
Lataa
COSINUS-koelaitteisto koostuu sylinterimäisestä vesitankista sekä sen yläpuolelle rakennettavasta puhdashuoneesta. Havainnekuva: COSINUS/Karoline Schäffner
COSINUS-koelaitteisto koostuu sylinterimäisestä vesitankista sekä sen yläpuolelle rakennettavasta puhdashuoneesta. Havainnekuva: COSINUS/Karoline Schäffner
Lataa

Linkit

Tietoja julkaisijasta

Helsingin yliopisto
Helsingin yliopisto
PL 3
00014 Helsingin yliopisto

02941 911 (vaihde)https://www.helsinki.fi/fi/yliopisto

Helsingin yliopisto on yli 40 000 opiskelijan ja työntekijän kansainvälinen tiedeyhteisö, joka toimii neljällä kampuksella Helsingissä ja usealla muulla paikkakunnalla Suomessa. Se on toistuvasti maailman sadan parhaan yliopiston joukossa. Helsingin yliopisto on perustettu vuonna 1640.

Tilaa tiedotteet sähköpostiisi

Haluatko tietää asioista ensimmäisten joukossa? Kun tilaat mediatiedotteemme, saat ne sähköpostiisi välittömästi julkaisuhetkellä. Tilauksen voit halutessasi perua milloin tahansa.

Lue lisää julkaisijalta Helsingin yliopisto

Lähihistoria näkyy geeniperimässämme – väestön geneettisen taustan muuttuminen Suomen eri alueilla selvitetty jopa vuositasolla4.3.2021 21:00:00 EETTiedote

Helsingin yliopiston uudessa tutkimuksessa on onnistuttu arvioimaan ennennäkemättömän tarkasti yli 18 000 suomalaisen geneettistä sukutaustaa. Tulosten avulla pystyttiin seuraamaan 1900-luvun tapahtumien jälkiä geeneissämme ja arvioimaan muuttoliikkeiden vaikutusta väestön sekoittumiseen. Esimerkiksi siirtokarjalaisten muuttamista eri puolille Suomea pystyttiin seuraamaan jopa vuosittaisella tarkkuudella tarkastelemalla karjalaisen perimän osuutta kunkin alueen vastasyntyneissä.

Uutishuoneessa voit lukea tiedotteitamme ja muuta julkaisemaamme materiaalia. Löydät sieltä niin yhteyshenkilöidemme tiedot kuin vapaasti julkaistavissa olevia kuvia ja videoita. Uutishuoneessa voit nähdä myös sosiaalisen median sisältöjä. Kaikki tiedotepalvelussa julkaistu materiaali on vapaasti median käytettävissä.

Tutustu uutishuoneeseemme