Uudet kokeet testaavat maailmankaikkeuden kohtalon: Muuttuuko kaikki aine lopulta säteilyksi? Ainetta ja sen perusosasia, protoneja, pidetään ikuisesti pysyvinä. Eräät hiukkasfysiikan teoriat ennustavat protonienkin ennen pitkää hajoavan ja kaiken aineen muuttuvan lopulta energiaksi ja säteilyksi. Tämä voidaan selvittää uusilla jättiläismäisillä maanalaisilla kokeilla, joita tutkijat suunnittelevat neutriinojen tutkimiseen. Hiukkasfysiikan nykykäsitys eli standardimalli ei salli protonien hajoavan. Teoreetikot ovat kuitenkin jo vuosikymmenten ajan kehitelleet standardimallia syvällisempiä teorioita, erityisesti, niin sanottuja suuria yhtenäisteorioita (englanniksi GUT, Grand Unified Theory), jotka kuvaavat yhdellä mallilla kolmea hiukkasfysiikan perusvoimaa eli vuorovaikutusta (heikko, vahva ja sähkömagneettinen). Nämä teoriat ennustavat protonin hajovan, tyypillisesti keskimäärin noin 10 35 vuodessa. Maapallon kohtalon kannalta protonin hajoamisella ei ole merkitystä. Aurinko polttaa itsensä loppuun jo viidessä miljardissa vuodessa. Protonin hajotessa jäljelle jäisi välivaiheiden jälkeen vain energiaa. Lopulta maailmankaikkeus koostuisi lähinnä säteilystä eli fotoneista ja neutriinoista. Tutkijoiden unelmia Suuren yhtenäisteorian löytäminen on ollut teoreetikkojen unelma jo vuosikymmenten ajan. Tälläinen teoria selittäisi yhdellä kertaa tunnetut hiukkasfysiikan vuorovaikutukset. Nykyinen hiukkasfysiikan perusteoria, niin sanottu standardimalli sisältää erikseen teorian kvarkkien välisille vahvoille vuorovaikutuksille ja sähköheikon teorian. Yhtenäisteorioiden historia alkoi jo 1800-luvulla. James Maxwell esitti 1864 teorian, joka selitti sekä sähköiset että magneettiset ilmiöt. Kaiken taustalla oli aineen sähkövaraus, jonka liike sitten aiheutti magneettikentän. Teoria oli menestyksellinen: se selitti tarkasti kaikki tunnetut sähköiset ja magneettiset ilmiöt ja ennusti sähkömagneettisen säteilyn. Se jopa antoi arvon valon nopeudelle ja oli pohjana Einsteinin ajatuksille, jotka johtivat suhteellisuusteoriaan. Maxwellin jälkeen teoreetikot alkoivat unelmoida teoriasta, joka yhdistäisi kaikki silloin tunnetut voimat, eli sähkömagnetismin ja painovoiman. 1900-luvun alkupuolella monet lahjakkaat tutkijat, kuten suomalainen Gunnar Nordström, kuluttivat vuosia sen etsimiseen. Albert Einstein uhrasi koko loppuelämänsä löytääksen yhteisen teorian painovoimalle ja sähkölle, mutta turhaan: painovoima on edelleen oma saarekkeensa teoreettisen fysiikan maailmassa. Viime vuosisadan alkupuolella löydettiin heikot vuorovaikutukset, jotka aiheuttavat ydinten beetahajoamisen. Italialainen tutkija Enrico Fermi laati vuonna 1930 niille teorian, jolla pystyttiin tekemään yksinkertaisia laskuja, mutta tyydyttävä kuvaus uusille ilmiöille saatiin vasta 70-luvulle tultaessa, kun Lontoossa vaikuttanut pakistanilainen Abdus Salam sekä amerikkalaiset Sheldon Glashow ja Steven Weinberg hoksasivat yhdistää sähkömagneettiset ja heikot vuorovaikutukset saman teorian alle. Oli syntynyt ensimmäinen kvanttiteoriaan pohjautuva hiukkasfysiikan yhtenäisteoria. Neljäs luonnon perusvoimista on vahva vuorovaikutus. Se kahlitsee kvarkit yhteen protoniksi ja neutroniksi, ja sitoo protonit ja neutronit ytimiksi. Vahva vuorovaikutus ymmärretään jo hyvin, mutta sen teoria (kvanttiväridynamiikka, QCD) on standardimallissa oma erillinen osa, jota ei ole vielä yhdistetty muihin vuorovaikutuksiin. Suuren yhtenäisteorian löytäminen ei ole ideoista kiinni. Georgi ja Glashow esittivät ensimmäisen suuren yhtenäisteorian vuonna 1974, ja sen jälkeen teoreetikot ovat esittäneet toinen toistaan mielikuvituksellisempia malleja. Näistä on jalostunut useita hyvin varteenotettavia teoriakandidaatteja, joiden yksityiskohtia lukuisat tutkijat tänäkin päivänä hiovat. Monet mallit tunnetaan
teoreettisesti jo pienimpiäkin yksityiskohtia myöten, ja mallien erot ovat asiantuntijoille hyvin selviä. Ongelmana on näiden kokeellinen varmistus. Tieteessä hypoteesistä tulee hyväksytty teoria vasta kun se on kokeellisesti varmennettu. Teoria ilman kokeellista varmennusta on vain teoreetikkojen spekulaatiota ja se on tyhjän päällä, vaikka olisi kuinka kaunis ja harmoninen tahansa. Teoreettinen hiukkasfysiikka on jo väärällään kaikenlaisia teorioita, joissa liikutaan ties kuinka monessa ulottuvuudessa mutta ilman mitään realistista mahdollisuutta todentaa näitä teorioita. Kuinka voisimme nyt testata suuria yhtenäisteorioita? Katseet protoneihin Ensimmäisenä tulee mieleen etsiä teorioiden ennustamia uusia hiukkasia hiukkaskiihdyttimellä. Näin varmennettiin aikoinaan sähköheikko teoria, kun Euroopan hiukkastutkimuskeskuksessa Cernissä löydettiin W- ja Z-hiukkaset. Myös suuret yhtenäisteoriat ennustavat uusia hiukkasia, niin sanottuja X- ja Y-hiukkasia. Ne ovat kuitenkin niin raskaita, että niiden etsiminen on toivotonta niin nykyisillä kuin kaikilla kuviteltavissa olevilla tulevaisuuden hiukkaskiihdyttimillä. Jotkut tutkijat asettavat toivonsa keveämpien hiukkasten löytämiseen. Todellakin eräät ehdotetut yhtenäisteoriat ennustavat myös sellaisia hiukkasia, jotka voisivat olla havaittavissa tulevissa hiukkaskiihdytinkokeissa. Näitä on erityisesti niin sanotuissa supersymmetrisissä malleissa. Supersymmetria ei sinänsä ole vuorovaikutuksia kuvaava teoria, vaan lisänä oleva periaate, joka postuloi uuden symmetrian vuorovaikutusten ja aineen välille. Supersymmetria ennustaa paljon uusia hiukkasia, mutta tälläisten hiukkasten löytäminen ei vielä kerro vuorovaikutusten teoriasta välttämättä yhtään mitään. Tarvitsemme siis pitävämpää näyttöä. Protonin hajoamisen löytäminen olisi kaikkein kiistattomin merkki vuorovaikutusten yhteydestä. Jos protonin eliniälle saadaan vielä riittävän tarkka arvo, niin sen perusteella ehkä voidaan sulkea pois joitain malleja. Tutkijoiden mielenkiinto kohdistuukin nyt protoniin. Protonin hajoamisen mittaaminen aloitettiin jo 70-luvun lopulla. Sitä varten rakennettiin kokeita syvälle maan alle kaivoksiin tai tunneleihin, suojaan maan pinnan säteilyltä, ensiksi Intiaan ja sitten myös Ranskaan, Neuvostoliittoon, Yhdysvaltoihin ja Japaniin. Tyypillisesti kokeet etsivät hajoamisen aiheuttamia signaaleja suuresta vesitankista. Suurin koe, 90-luvun lopulla rakennettu japanilainen Super-Kamiokande-koe sisältää noin 50 000 tonnia vettä (ja yli 10 000 valomonistinputkea) Kamiokan kaivoksessa kilometrin syvyydessä. Tutkijoiden pettymykseksi kokeet eivät löytäneet jälkeäkään protonin hajoamisesta. Negatiiviset tulokset kuitenkin sulkevat pois ensimmäisen ja yksinkertaisimman suuren yhtenäisteorian. Protoneista neutriinoihin Protonikokeilla oli kuitenkin lähes vallankumouksellinen merkitys hiukkasfysiikalle. Tämä ei kuitenkaan johdu protoneista, vaan kokeiden odottamattomista sivutuloksista: Protonin hajoamista etsivät maanalaiset laitteistot näet pystyvät mittaamaan myös näkymättömien alkeishiukkasten, neutriinojen aiheuttamia signaaleja. Neutriinot ovat erittäin vaikeasti tutkittavia hiukkasia ja siksi ne ovat tuntemattomin osa standardimallia. Protonikokeilla havaittiin vuonna 1987 ensimmäiset aurinkokunnan ulkopuolelta tulevat neutriinot. Kokeet näkivät parikymmentä neutriinolta vaikuttavaa signaalia kymmenen sekunnin sisällä. Niiden lähteeksi tunnistettiin Linnunradan naapurigalaksissa tapahtunut supernovaräjähdys, joka syntyi, kun loppuunpalanut raskas tähti luhistui painonsa alla. Samoilla laitteilla havaittiin ilmakehässä kosmisten säteiden törmäyksissä syntyviä neutriinoja. Ristiriita havaintojen ja ennusteiden välillä johti merkittävään löytöön: tuloksilla osoitettiin niin sanottu neutriino-oskillaaatio, eli neutriinon värähtely yhdestä lajista toiseen. Tämä oli koko 90- luvun tärkein löytö hiukkasfysiikassa. Se johti vuoden 2002 Nobelin palkinnon myöntämiseen japanilaiselle Masatoshi Koshiballe, jaettuna neutriinotähtitieteen pioneerin Ray Davisin ja röntgentähtiä tutkineen Riccardo Giacconin kanssa.
Protonin hajoaminen vei siis tutkijat neutriinoiden pariin. Tulosten varmentaminen vaati uusia kokeita, ja neutriinot tarjosivat paljon uusia haasteita. Uusi tieteenala, neutrinotähtitiede, sai valtaisan impulssin, joka toi lukuisia uusia tutkijoita alalle ja johti uusien laboratorioiden syntyyn ja kehitykseen. Nyt tutkijat suunnittelevat suurensuuria uuden sukupolven laitteistoja neutriinoiden tutkimiseen. Niiden avulla toivotaan saatavan selville räjähtävän tähden arvoitus tai auringon energiantuotannon yksityiskohdat sekä neutriinojen ominaisuudet ennennäkemättömällä tarkkuudella. Uudet kokeet voivat avata kokonaan uuden ikkunan maapallon tutkimiseen. Niillä voidaan havaita maan sisäosissa radioaktiivisissa hajoamisissa syntyviä neutriinoja ja näin määrittää suoraan maapallon sisäinen energiantuotto. Maan sisäinen energia vaikuttaa järisyttävästi maan pinnan olosuhteisiin: se synnyttää maan vaippaan virtauksia, jotka generoivat maan magneettikentän ja synnyttävät ja liikuuttavat mantereita ja aiheuttavat myös tulivuoria ja maanjäristyksiä. Laitteistolta vaaditaan suurta kokoa sekä äärimmäistä puhtautta ja matalaa radioaktiivisuutta. Siksi kokeisiin valitaan vain nestemäiseen kohtioon perustuvia ilmaisimia. Nesteet maksavat paljon vähemmän kuin kiinteät aineet, ja erityisesti ne on helpompaa pitää puhtaana. Lupaavimpia nesteitä ovat veden lisäksi nestemäinen argon sekä erikoisöljyistä koostuva tuikeneste. Eri nesteillä on erilaiset mittausominaisuudet, ja siten kukin niistä sopii parhaiten tietynlaisiin havaintoihin. Takaisin protoneihin Uudet jättiläismäiset neutriinokokeet tarjoavat taas uuden mahdollisuuden protonin tutkimiseen. Näillä laitteistoilla voidaan etsiä protonin hajoamista aivan uudella skaalalla. Laitteistojen koko sallii kertalukuja suuremman tarkkuuden kuin aiemmin. Ensimmäistä kertaa meillä on todellinen mahdollisuus nähdä protonin hajoaminen. Tulokset voivat muuttaa suurten yhtenäisteorioiden asemaa. Protonin hajoamisen löytäminen olisi hyvin mullistava. Se voisi antaa ne kauan kaivatut suuntaviitat, jotka ohjaavat kohti oikeaa teoriaa, ja tutkijat voisivat keskittyä oikeisiin asioihin nykyisen hakuammunnan sijaan. Jos kokeet eivät näkisi jälkeäkään protonin hajoamisesta, ei se olisi nollatulos. Osa malleista voidaan sulkea pois, ja toisten parameterille saadaan merkittäviä rajoituksia. Nämäkin ohjaavat teorioiden kehitystä johonkin suuntaan, ja ehkä yhdessä muiden tulosten kanssa antavat avaimet eteenpäin. Joka tapauksessa protonin eliniästä riippumatta kokeet antavat paljon uutta tietoa neutriinoista. Koelaitteisto Suomeen? Uutta koelaittestoa suunnitellaan kaikille mantereille. Eurooppalaiset ovat eturintamassa osaamisen ja tutkimusperinteiden vuoksi. Kilpailu laitteiston sijoituspaikasta on alkanut. Koelaitteisto vaatii paljon sijoituspaikalta ja sen ominaisuuksilta. Kymmenien metrien levyinen ilmaisinlaitteisto pitää sijoittaa syvälle maan alle jättimäiseen onkaloon, jonka on pysyttävä koossa kymmeniä vuosia. Tälläisen suunnitteleminen ja rakentaminen asettaa suuria haasteita kallioinsinööreille: Koskaan aiemmin ei ole rakennettu läheskään näin suurta kalliotilaa näin syvälle. Tässä kilpailussa Suomen peruskallio nousee arvoon arvaamattomaan. Siinä missä suurin osa maapallon mantereiden kuorikerroksista koostuu nuoresta ja pehmeästä sedimenttikivestä, Suomen kallioperä on hyvin vanhaa, jopa 2-3 miljardin vuoden ikäistä erittäin kovaa kiveä. Toki kovaa kiveä löytyy myös useilta vuoristoalueilta, mutta ne ovat yleensä epävakaita ja seismisesti aktiivisia alueita, joissa voi esiintyä kallioliikuntoja ja maanjäristyksiä. Suomen kallioperä taas on erittäin vakaata. Vakaan peruskallion vuoksi Suomeen on paljon helpompaa, nopeampaa ja ennen kaikkea halvempaa rakentaa suuria pysyviä kalliotiloja kuin muualle. Kiven kovuus ei ole este vaan etu. Suomessa on myös runsaasti alan osaamista ja kokemusta. Suomeen rakennetaan koko ajan maanalaisia tiloja eri tarkoituksiin, jopa yli miljoona kuutiometriä vuodessa.
Pohjoinen sijainti tuo monia muita etuja neutriinotähtitieteelle. Lisäksi Pohjois-Suomi voi hyötyä syrjäisestä sijainnistaan: se on riittävän kaukana ydinvoimaloista. Ydinvoimalat tuottavat neutriinosäteilyä, joka voi aiheuttaa vääriä signaaleja kokeisiin. Pohjois- ja Keski-Suomessa rektorisäteily on vain kymmenesosa verrattuna Keski-Eurooppaan tai Japaniin, jossa ydinlaitoksia on lähes joka notkossa. Suomen viimeinen valtti on valmiit yhteydet maan alle. Suomessa on Euroopan syvin metallikaivos, ja pienempiä kuiluja siellä sun täällä, ja lisää tulossa. Kaivoksen kylkeen rakennettava laboratorio on myös paljon turvallisempi niin tutkijoille kuin ympäristöllekin kuin vuoren sisällä kulkevassa maantietunnelissa oleva.
Kylkiäiset/laatikot Protoni Protoni on aineen perusrakenneosanen. Yhdessä neutronien kanssa protonit muodostavat atomien ytimet. Esimerkiksi happiytimessä on kahdeksan protonia ja kahdeksan neutronia. Vety-ydin koostuu kuitenkin vain yhdestä protonista. Neutronia ja protonia kutsutaan yhdessä nukleoneiksi. Vapaa neutroni hajoaa protoniksi, elektroniksi ja elektronin antineutriinoksi. Ytimissä nukleonit voivat hajota beetahajoamisella toisikseen, energiatasoista riippuen, jolloin syntyy samalla elektroni tai positroni sekä neutriino, mutta nukelonien eli protonien ja neutronien kokonaismäärä on aina vakio. Tätä määrää hiukkasfyysikot kutsuvat baryoniluvuksi, ja standardimallin mukaan se säilyy iankaikkiseen. Nukleonit rakentuvat kolmesta kvarkista. Kvarkit sitoo yhteen vahva vuorovaikutus, joka on tunnetuista voimista vahvin. Vahva vuorovaikutus pitää myös ydintä koossa, mutta nukleonien välillä oleva voima on paljon heikompi kuin nukleonin sisällä se onkin eräänlainen jäännösvoima. Yhtenäisteoriat ennustavat protonin hajoamisen kvarkkien vuorovaikutusten kautta. Tyypillinen hajoamiskanava olisi p > π 0 + e +, missä π 0 on neutriaali pioni, joka on kvarkki-antikvarkkiparista koostuva hiukkanen. Toiset teoriat (esimerkisi niin sanottu supersymmetria) ennustavat hajamismuodon p > K + + ν, missä ν on neutriino ja K + kaoni, joka on myös kvarkkiantikvarkkiparista koostuva sähköisesti varattu hiukkanen. Sopivalla laitteistolla nämä hajoamismuodot ovat havaittavissa ja tunnistettavissa. Pionit ja kaonit hajoavat nopeasti, ja aineessa positroni annihiloituu nopeasti elektronin kanssa. Tähden tai muun kappaleen sisällä hajoamisesta vapautuva energia muuttuu nopeasti lämmöksi, joka vähitellen säteilee avaruuteen. Jäljelle jäisi lopulta vain sähkömagneettista säteilyä eli fotoneita, ja hajoamismuodosta riippuen vähäisemässä määrin neutriinoita. Protonin hajoaminen noudattaa tavallista radioaktiivisen hajoamisen mallia. Hiukkasen eliniällä tarkoitetaan sen keskimääräistä elinikää, mutta yksittäiset hiukkaset hajoavat satunnaisesti. Jos protonin elinikä olisi 10 35 vuotta, niin tämä tarkoittaisi, että: Tässä ajassa protonien määrä on laskenut osuuteen 1/e eli %. Alkuräjähdyksen jälkeen vain yksi 10 25 :sta protonista on ehtinyt hajota, eli kupillisesta vettä on kadonnut kymmenen protonia. Jos linnunrata ei miksikään muuttuisi, viimeinen sen protoneista hajoaisi suunnilleen vuonna 10 XXX. Yhden vuoden aikana suunnitellun koelaitteiston 100 miljoonan kilogramman kohtiossa tapahtuisi noin yksi hajoaminen vuodessa. Neutriinot Neutriinot ovat näkymättömiä äärimmäisen pieniä alkeishiukkasia. Niitä on avaruudessa tavattomasti ja keveytensä takia ne kiitävät maailmankaikkeuden halki lähes valon nopeudella. Neutriinot vuorovaikuttavat heikosti muun aineen kanssa. Siksi ne pystyvät läpäisemään helposti kiven ja kallion, jopa maan ja auringonkin. Neutriinoja syntyy koko ajan radioaktiivisten hajoamisten seurauksina niin maassa kuin tähdissäkin. Joka sekunti ihmisen läpi menee noin sata biljoonaa auringosta tulevaa neutriinoa ilman, että ihminen huomaisi yhtään mitään. Neutriinojen havaitseminen on erittäin vaikeaa. Suurin osa neutriinoista menee mittalaitteiden läpi kuin tyhjää vain, mutta jos niitä menee riittävän monta, niin joku voi aiheuttaa havaittavan reaktion. Neutriinojen tutkiminen vaatii taustasäteilyltä suojatun mittauspaikan ja erittäin herkät ja suuret mittalaitteet, sekä paljon aikaa ja kärsivällisyyttä.
Neutriinon massaa ei ole pystytty suoraan mittaamaan. Aiemmin neutriinoja pidettiin täysin massattomina. (Hiukkasfysiikassa massalla tarkoitetaan aina lepomassaa.) Nykyisin tutkijat olettavat, että neutriinolla on pienenpieni massa. Pieni massa selittäisi yksinkertaisimmin monia fyysikkoja pitkään piinanneita havaintoja, kuten aurinkoneutriino-ongelman ja ilmakehässä syntyvien neutriinojen poikkeamat. Sopivin massa on kuitenkin niin pieni, että neutriinoilla ei olisi olennaista merkitystä maailmankaikkeuden kehitykseen. Kuvia: Illustration 1: Kansainvälinen tutkijaryhmä suunnittelee protonin hajoamista ja neutriinoja tutkivaa LENA-koetta (Low Energy Neutrino Astronomy). Kuvassa on yksi hahmotelma laitteiston sisältä täyttövaiheessa. Reunoilla olevat pallukat ovat valomonistinputkia, joita tarvitaan lähes 100 000 kappaletta. Alhaalla lilluva neste on tuikeöljyä. Kun tankki on täynnä, siihen menee jopa 50 miljoonaa litraa tuikenestettä.