Ensimmäiset AMS tulokset

AMS-koe esitteli eilen ensimmäiset tuloksensa. Todella tarkkaa ja hyvää dataa avaruussäteilyn positroneista, mutta niissä ei näkynyt vielä mitään sellaista, mikä osoittaisi pimeän aineen olemassaolon. Mielenkiintoisin korkeaenergia-alue jäi vielä piiloon eikä sitä julkaistu, koska statistiikkaa ei ole riittävästi. Ehkä tulevina vuosina. Joten ei kannata pidättää hengitystä.

Maailmankaikkeuden pimeä aine ajatellaan muodostuvan hiukkasista, jotka vuorovaikuttavat kaikesta päätellen hyvin heikosti näkyvän aineen kanssa. Jos sillä olisi vain gravitaatiovuorovaikutus se olisi ikuisesti eristäytyneenä muusta materiasta ja sitä olisi turhaa etsiä. Se ei voisi muuttua näkyväksi materiaksi. Näyttää siltä, että tämä pimeä aine on kuitenkin vuorovaikuttanut jotenkin universumin historian aikana näkyvän materian kanssa. Koska uusien vuorovaikutusten lisääminen teorioihin on fyysikoille hyvin vastenmielistä ajatellaan siis, että tällä pimeällä aineella on gravitaation lisäksi ainakin seuraavaksi heikoin vuorovaikutus eli radioaktiivisuudesta tuttu heikko vuorovaikutus. Pimeän aineen hiukkasten tulisi olla sähkömagneettisesti neutraaleja, sillä muutenhan ne olisi jo havaittu.

Yksi teoreettinen kandidaatti, joka voisi muodostaa tämän pimeän aineen on neutralino. Se on supersymmetrinen hiukkanen ja Majorana fermioni eli itsensä antihiukkanen. Jos supersymmetria on luonnon symmetria se ennustaa, että kaikilla nykyisin havaituilla hiukkasilla on supersymmetrinen partnerihiukkanen. Sähköheikon vuorovaikutuksen bosoneilla eli fotonilla, heikon vuorovaikutuksen Z ja W välittäjähiukkasilla ja Higgsin hiukkasella on siis fermioniset vastakappaleet – fotino, zino, wino ja higgsino. Wino on varattu ja muut neutraaleja. Neutralinoita on neljä ja ne muodostuvat kvanttimekaanisista sekoituksista näistä neutraaleista superhiduista, fotinosta, zinosta ja higgsinosta, Ajatellaan, että kevyin neutralinoista olisi stabiili ja muodostaisi maailmankaikkeuden pimeän aineen. Se olisi sähköisesti neutraali ja vuorovaikuttaisi vain gravitaation ja heikon vuorovaikutuksen välityksellä minkä takia sitä on vaikea löytää. Kukaan ei osaa edes ennustaa kuinka painava tämä hiukkanen olisi. ”Ehkä jotain väliltä 10 ja 10000 GeV” on paras arvaus.

Minkätakia AMS-koe ja muut kokeet ovat sitten kiinostuneet positronien havaitsemisesta avaruussäteilyssä? Positroni eli elektronin antihiukkanen on tuttu tavis hiukkasfysiikassa. Jutun juju on, että neutralinot voivat vuorovaikuttaa toistensa kanssa ja muodostaa muun muassa elektroni-positronipareja eri hajoamispolkujen lopputuloksena.  Tätä prosessia kutsutaan pimeän aineen annihilaatioksi. Koska neutralino on itsensä antihiukkanen kaksi neutralinoa voi annihiloitua ja muodostaa näkyvän aineen hiukkasia. Avaruussäteilyssä on luonnollisesti paljon vähemmän positroneja kuin elektroneja, joten ylimäärä positroneita avaruussäteilyn energiaspektrissä kielisi pimeän aineen annihilaatiosta. Elektroni-positronipari annihiloituisi kahdeksi fotoniksi, mutta tämä hajoamiskanava ei ole suoraan käytettävissä neutralinoille. Neutralinon hajoaminen kahdeksi fotoniksi on mahdollista hieman monimutkaisemman prosessin kautta, mitä kuvaa luuppi Feymannin diagrammeissa. Taaskin yksityiskohdat riippuvat neturalinon ominaisuuksista. Viivan alle jää kuitenkin, että avaruussäteilyn positronien mittaaminen on yksi lupaavimmista tavoista saada joku havainto neutralinojen olemassaolosta ja siksi AMS-koe on kiinnostunut niistä. Nämä positronit eivät läpäise Maan ilmakehää, mikä on hyvä juttu meille, mutta huono juttu kokeiden kannalta. Tämän takia AMS koe on kansainvälisellä avaruusasemalla.

Koska pimeää ainetta on suurin osa maailmankaikkeuden massasta pimeän aineen annihilaation pitäisi antaa merkittävä signaali avaruussäteilyn positronivuohon. Positronien energiaspektrissä pitäisi näkyä myös jonkinlainen maksimi neutralinon massan kohdalla. Tätä ei siis vielä havaittu eilen julkistetuissa AMS-tuloksissa. Koska positronien määrä datassa tasaantuu korkeilla energioilla toive on, että se alkaisi laskea tämän jälkeen eli löytyisi tuo maksimi jossain kohtaa spektriä. Kunhan lisää dataa saadaan kerättyä seuraavien vuosien aikana. Tämä maksimi avaruussäteilyn positronivuossa olisi siis se ”sauhuava ase”, mikä kielisi neutralinojen tai muun pimeän aineen olemassaolosta. Maksimi olisi pimeän aineen hidun massan kohdalla.

Avaruussäteilyn positronit voivat muodostua myös muiden prosessien kautta esimerkiksi pulsareissa. AMS kokeen PI Samuel Ting sanoi, että anisotropian puuttuminen AMS:n datassa kielisi siitä, että pulsarit eivät ole syynä positronivuolle. Linnunradassa on kuitenkin magneettikenttiä, joissa positronien radat muuttuvat joten ihan vedenpitävä selitys tämä ei vielä ole.

Et sellasta tänään. Töissä laskuihin käytettävä tietokoneklusteri on huollossa, joten voin kuluttaa aikaa vaikka lukemalla näitä hitufysiikan papereita. 🙂

Advertisements

2 responses to “Ensimmäiset AMS tulokset

  1. Juma! ”fotino, zino, wino ja higgsino. Wino on varattu ja muut neutraaleja.” kuulostaa ihan rotukissapentueelta.

Kommentointi on suljettu.