Rikkoiko neutriino maailmankaikkeuden kattonopeutta?

hiukkaskiihdytin
Cernin hiukkaskiihdyttimet tuottavat protonien avulla hiukkasia, jotka ohjataan kuvan putkimaisilla magneeteilla Gran Sasson suuntaan. Pionit ja kaonit hajoavat matkalla neutriinoiksi. Kuva Cern.

Cernin ja italialaisen Gran Sasson laboratorion fyysikot ilmoittivat syyskuussa koetuloksesta, joka voi horjuttaa nykyaikaisen fysiikan perustana pidettyä erityistä suhteellisuusteoriaa. Kokeessa Sveitsin Genevestä 730 kilometrin päähän Italian Gran Sassoon lähetetyt neutriinot saapuivat perille 60 nanosekuntia eli parikymmentä metriä valoa nopeammin.

Tähän mennessä Albert Einsteinin suhteellisuusteorian ennusteet ovat vahvistuneet kerta toisensa jälkeen, eikä mikään ole rikkonut universumin ehdotonta kattonopeutta. Jos mittaustulos on oikea, kyse on fysiikan vallankumouksesta. Kukaan ei oikein tiedä, mitä se merkitsisi nykyiselle tieteelliselle maailmankuvalle.

Löydön tehneet tutkijatkaan eivät ole halunneet esittää mitään spekulaatiota, vain koemenetelmänsä ja tuloksensa. Havaintojen epävarmuudesta kertoo, että tutkimusryhmän 160 jäsenestä viisitoista ei halunnut allekirjoittaa kokeen menetelmät ja tulokset kuvailevaa artikkelia.

Tutkijat päättivät tehdä lisää mittauksia loka-marraskuun vaihteessa ennen artikkelin lähettämistä vertaisarvioituun tieteelliseen lehteen, New Scientist kertoo.

Mittavirhe mahdollinen

Fyysikot ovat lokakuun aikana esittäneet useita vaihtoehtoisia selityksiä yllättävälle koetulokselle.

Neutriinot ovat alkeishiukkasia, jotka eivät vuorovaikuta aineen kanssa juuri lainkaan. Siksi ne kulkevatkin ongelmitta suoraan Maan läpi satojen kilometrien päähän toiseen laboratorioon. Niiden havaitseminen sen sijaan vaatii suurikokoisen ilmaisimen.

Koska neutriinojen kanssa ei tietenkään voitu lähettää Maan läpi valonsädettä eli fotoneita nopeuden vertailemiseksi, neutriinojen nopeus piti päätellä selvittämällä tarkkaan lähtöpisteen ja ilmaisimen välinen etäisyys sekä matkaan kulunut aika. Näihin kaikkiin sisältyy virheen mahdollisuus.

Käsitys siitä, että neutriinot kulkevat korkeintaan valon nopeudella, ei perustu ainoastaan suhteellisuusteorian ennusteeseen, vaan siitä on myös havaintoja.

Supernovaräjähdyksissä suurin osa energiasta vapautuu neutriinoina, ja koska ne eivät vuorovaikuta aineen kanssa, ne pääsevät heti liikkeelle. Valo pääsee supernovasta ulos vasta tunteja myöhemmin. Vuonna 1987 tähtitieteilijät tarkkailivat kaukaista supernovaräjähdystä, josta neutriinot saapuivat Maahan juuri nämä pari tuntia ennen valoa.

Suhteellisuusteorian haastavat hiukkaset saattaa kuitenkin selittää suhteellisuusteoria itse. Wired-lehti viittaa artikkeliin, jonka mukaan neutriinojen lähtö- ja saapumispisteet on määritelty satelliittipaikannuksella.

Satelliittien liike vaikuttaisi suhteellisuusteorian mukaan mittaustuloksiin 64 nanosekunnilla – siis lähes täsmälleen sen verran, kuin kokeessa mitattiinkin.

Neljäs ulottuvuus?

On myös mahdollista, että neutriinot ovat oikaisseet neljännen ulottuvuuden kautta, pohtii Scientific American.

Tavanomaisten kolmen avaruudellisen ja yhden ajallisen ulottuvuuden tuolla puolen kulkevat neutriinot vain näyttäisivät liikkuvan valoa nopeammin ja jättäisivät Einsteinin suhteellisuusteorian koskemattomaksi. Samalla ne päättäisivät pitkään jatkuneen keskustelun siitä, onko muita ulottuvuuksia olemassa.

Näillä selitysmalleilla on kuitenkin muita ongelmia, Scientific American toteaa.

Toisen melko erikoisen teorian mukaan pimeä energia jarruttaa valoa kulkemasta universumin todellista kattonopeutta, kun taas neutriinoja sekään ei pidättelisi.

Mystinen haamuhiukkanen

Neutriinoja on joskus kutsuttu haamuhiukkasiksi, koska ne vuorovaikuttavat muun aineen kanssa niin vähän. Koska neutriinolla ei ole sähköistä varausta, sähköisesti varatut hiukkaset kuten elektronit ja protonit eivät vaikuta niihin. Painovoimankin vaikutus on mitättömän pieni.

Neutriino tuntee vain niin sanotun heikon vuorovaikutuksen, joka ulottuu vain hyvin lyhyen matkan päähän atomiytimen sisällä. Neutriinot havaitaankin vain välillisesti. Esimerkiksi neutriinoilmaisimissa nämä alkeishiukkaset osallistuvat ydinreaktioon, jossa klooriatomi muuttuu argonatomiksi.

Neutriinoja syntyy tietynlaisten radioaktiivisten hajoamisten seurauksena, ydinreaktoreissa, Auringossa ja muissa tähdissä sekä supernovaräjähdyksissä ja kosmisten säteiden osuessa atomiytimiin. Suurin osa Maan läpi kulkevista neutriinoista on peräisin Auringosta.

Neutriinon massasta on käyty pitkään väittelyä. Viime vuonna Physical Review Letters -lehdessä julkaistun artikkelin mukaan neutriinon massa on korkeintaan 0,28 elektronivolttia. Se on alle miljardisosa yhden vetyatomin massasta.

Ajatuksen neutriinosta esitti ensimmäisenä fyysikko Wolfgang Pauli vuonna 1930, mutta hiukkanen havaittiin ensimmäisen kerran vasta vuonna 1956.