Auringon neutriinot

Auringon energiantuotto ja neutriinot

Aurinko tuottaa energiaa ydinreaktioilla (fuusio). Vety-ytimet (protonit) yhtyvät monimutkaisten reaktioketjujen tuloksena heliumiksi (kaksi protonia ja kaksi neutronia). Reaktiossa vapautuu energiaa, jonka määrä tunnetaan varsin tarkasti laboratoriokokeiden tuloksena. Mittaamalla auringon säteilyä voidaan päätellä auringossa tapahtuvien ydinreaktioiden määrä aikayksikössä.

Valon ohella aurinko tuotaa myös neutriinoja. Neutriinot syntyvät ydinreaktioiden sivutuotteena: jokaista tuotettua helium-ydintä kohden syntyy kaksi neutriinoa. Neutriinojen kokonaismäärä voidaan siten arvioida, kun tunnetaan auringon energiantuotto. Tässä on otettava huomioon, että noin 7 prosenttia auringon energiasta poistuu neutriinoina, ja loput 93 prosenttia enimmäkseen valona.

Neutriinoille aurinko on täysin läpinäkyvää ainetta. Siksi ne voivat poistua auringosta esteettä. Hiukkasfysiikan vallitseva teoria, (minimi)standardimalli myös ennustaa, että neutriinot pysyvät ikuisesti samanlaisena. Tullessaan maahan ne siis olisivat sellaisia kuin ne olivat syntyessään.

Maahan saapuvat neutriinot voivat tuoda suoraa tietoa auringon sisäosien olosuhteista. Kaikki silmin, kaukoputkin ja kameroin tehdyt havainnot kertovat vain auringon pinnasta. Halu katsoa auringon sisään toi tutkijoille ajatuksen mitata auringon neutriinosäteilyä.

Auringon neutriinosäteilyn mittaus

Neutriinojen havaitseminen

Neutriinojen havaitseminen on aina erittäin vaikeaa, olipa niiden alkuperä mikä tahansa. Koska neutriinoille kaikki aine on läpinäkyvää, eivät ne myöskään jätä jälkiä tavallisiin hiukkasilmaisimiin. Hyvällä onnella neutriino voi kuitenkin aiheuttaa aineessa ydinreaktion, tai potkaista siitä liikkeelle sähköisen hiukkasen. Tälläisten reaktioiden määrä on verrannollinen ohi kulkeneiden neutriinojen määrään. Jos neutriinojen vuorovaikutustodennäköisyys tunnetaan, niin neutriinosäteilyn voimakkuus voidaan arvioida havainnoimalla neutriinojen aiheuttamia reaktioita.

Neutriinojen mittauksen tekee vaikeaksi vuorovaikututodennäköisyyden pienuus. Tyypillisesti yksi neutriino sadasta miljardista miljadista (100000000000000000000) koelaitteiston läpi kulkeneesta neutriinosta aiheuttaa reaktion. Havaintojen tulkintaa vaikeuttavat vielä taustasäteilyn ja muun kohinan aiheuttamat harhasignaalit. Virhesignaalien poistamiseksi koelaitteistot on sijoitettu syvälle maan alle.

Homestake

Ensimmäinen auringon neutriinoja mittava koe rakennettiin 60-luvun lopulla Yhdysvalloissa Etelä-Dakotassa sijaitsevaan Homestaken kaivokseen. Kokeessa neutriinojen mittaukseen käytetään klooripitoista puhdistusainetta (perkloorietyleleniä). Samaa ainetta löytyy useiden suomalaistenkin kotien siivouskomeroista. Pesuainetta tarvitaan kokeeseen hyvin paljon, yli 400 000 litraa, mutta se ei kulu, vaan jatkaa muuttumattomana toimiaan sammiossaan.

Pesuaineen toiminta neutriinoilmaisimena perustuu klooriydinten ominaisuuksiin. Kun neutriino osuu klooriytimeen, se voi aiheuttaa siinä ydinreaktion, joka muuttaa kloorin argoniksi. Pari kertaa kuukaudessa tutkijat käyvät läpi koko pesuainevaraston, ja etsivät syntyneitä argon-atomeja. Argon-atomien erottelu on erittäin monimutkainen urakka, mutta tiedemiesten sinnikkyydellä se onnistutaan tekemään. Tässä ollaan tekemisissä hyvin pienten ainemäärien kanssa: uusia argon-ytymiä syntyy hädin tuskin yksi päivässä.

Tulokset aiheuttivat päänvaivaa tutkijoille alusta alkaen. Neutriinoja havaittiin selvästi vähemmän kuin teoreetikot ennustivat. Epäilijät sanoivat (ja sanovat vieläkin), että tuloksia ei voi ottaa vakavasti: uusi koe on kovin vaikea, ja joka tapauksessa teoreetikkojen ennusteet ovat epävarmoja. Kului vuosia ja vuosikymmeniä, mutta tilanne on yhä sama: neutriinoja havaitaan vain neljännes odotetusta määrästä.

Kamiokande

Kloori-argon-kokeen selittämättömät tulokset toivat tarpeen uusille kokeille. Japanissa olikin jo tekeillä sopiva koelaitteisto neutriinojen tutkimiseen. Kamiokan kaivokseen keski-Japaniin oli rakennettu koelaboratorio protonin eliniän mittaamiseen. Sopivilla muutoksilla siitä saatiin oiva laitteisto myös auringon neutriinojen tutkimiseen. Kokeesta käytetään nimeä Kamiokande, joka tulee englanninkielisistä sanoista Kamioka Nucleon Decay Experiment.

Kamiokande käyttää kokonaan toisenlaista tekniikka kuin kloori-argon koe. Kohtioaineena on muutama tuhat tonnia hyvin puhdasta vettä. Hyvällä onnella joku ohikiitävä neutriino voi potkaista vesimolekyylistä irti elektronin. Suurella nopeudella aineessa kiitävä elektroni säteilee valoa, joka voidaan nähdä herkissä valomonistinputkissa. Valopulssin muoto ja voimakkuus paljastavat elektronin kulkusuunnan ja energian, ja niistä voidaan arvioida myös alkuperäisen neutriinon tulosuunta ja energia. Myös neutriinon tuloaika saadaan mitattua täsmällisesti.

Kamiokande koe osoitti todella auringon paistavan. Tuloksista nähdään selvästi, että auringon suunnasta saapuu voimakasta neutriinosäteilyä. Tätä voidaan pitää lopullisena todisteena siitä että aurinko tuottaa (yhä edelleen) energiaa ydinreaktioilla. Vaikka asiasta ei olekaan ollut aikoihin mitään epäilystä, niin on periaatteellinen ero sen välillä, mitä me luulemme tietävämme, ja mikä on kokeellisesti osoitettu.

Kamiokandenkaan tulokset eivä sovi yhteen teoreettisten laskujen kanssa. Mitattu neutriinovuo on vain puolet teorian ennusteesta. Mittaustulos neutriinovuolle poikkeaa myös oleellisesti Homestaken tuloksesta. Näiden välillä ei kuitenkaan ole välttämättä ristiriitaa: kokeet mittaavat erilaisia neutriinoja. Kamiokande-kokeella on hyvin suuri kynnysenergia, eli se voi havaita vain kaikkein suurienergisimmät neutriinot, jotka ovat vain pieni osa auringon koko neutriinosäteilystä.

Gallium kokeet

Ristiriidan selvittäminen vaati uusia kokeita. Kumpikaan aikaisemmista kokeista ei vielä pystynyt havaitsemaan matalaenergisimpiä neutriinoja, jotka muodostavat suurimman osan auringon neutriinosäteilystä. Syntyi ajatus rakentaa koe, joka käyttää ilmaisinaineena galliumia.

Gallium-kokeet perustuvat samanlaiseen radiokemialliseen tekniikkaan kuin kloori-argon kokeetkin. Gallium-ytimeen törmäävä neutriino voi aiheuttaa ydinreaktion, joka muuttaa galliumin germaniumiksi. Germanium atomit sitten erotetaan sammiosta viikottain, ja lasketaan niiden lähettämän radioaktiivisen säteilyn perusteella. Kokeen suurimpana etuna on gallium-germanium-reaktion matala kynnysenergia. Gallium-kokeet ovat siksi herkkiä suurimmalle osalle auringosta tulevia neutriinoja.

Gallium kokeista ensimmäiseksi ehti venäläis-amerikkalainen SAGE-koe (Soviet American Gallium Experiment, nykyisin Russian American Gallium Experiment). Koelaboratorio sijaitsee Baksanin laaksossa Kaukasusvuoristossa Etelä-Venäjällä, (Gabardino-Balkarian autonomisessa tasavallassa), aivan Elbrus-vuoren vieressä. Vaikka paikka on myös varsin lähellä Tshetsheniaa ja muita rauhattomia alueita, on se toistaiseksi säästynyt levottomuuksilta. Pahin ongelma sattui viime vuonna, kun joku varasti laboratoriosta pari tonnia galliumia.

Melkein samoihin aikoihin Sagen kanssa tämän vuosikymmenen alussa aloitti mittauksensa eurooppalainen Gallex-koe (GALlium EXperiment). Koelaitteisto on sijoitettu Italiaan Gran Sasso-vuoren uumeniin, Roomasta Adrianmeren rannikolle kulkevan moottoritien tunneliin.

Molemmat gallium-kokeet antavat yhtäpitäviä tuloksia: niiden mittaama neutriinovuo on vain puolet teorian ennusteesta.

SuperKamiokande

Suurin muttei välttämättä kaunein hiukkasilmaisin on Japanissa Kamiokan kaivoksessa toimiva SuperKamiokande. Laitteisto on periaatteeltaan samanlainen kuin vanha Kamiokande, mutta on sitä huomattavasti isompi ja tarkempi. Ilmaisimena on 50 000 tonnia puhdasta vettä, jonka ympärillä on tuhansittain valomonistinputkia mittaamassa neutriinojen aiheuttamia tuikahduksia.

SuperKamiokande vahvisti neutriinojen puutteen paljon aiempaa tarkemmin. Erityisesti se pystyy havaitsemaan neutriinojen energiaspektrin, tosin vain suurimmilla energioilla. Energiaspektri onkin selvästi epämuodostunut: suurilla energioilla neutriinojen puute on hieman pienempi kuin pienillä. SuperKamiokande on myös tutkinut neutriinosignaalien aikariippuvuutta. Kokeissa ei havaittu eroa yöllä ja päivällä, ja neutriinojen määrä vaihteli vuodenaikojen mukaan vain maapallon etäisyyden muutoksen aiheuttaman geometrisen vaihtelun mukaan.

SNO

Mielenkiintoisin tällä hetkellä käynnissä olevista kokeista on eittämättä SNO (Sudbury Neutrino Observatory), Sudburyssa Kanadassa. Tässä kokeessa kohtioaineena käytetään raskasta vettä (D₂O), joka on lainassa Kanadan valtiolta. Koelaitteiston erikoispiirteenä ja etuna aikaisempiin verrattuna on, että se voi havaita kaikkia kolmea neutriinolajia, ja voi jopa rajoitetusti erottaa niiden jäljet toisistaan. SNO:n toiminta on monivaiheinen ja toinen vaihe on alkanut. Toinen vaihe on muutoin ensimmäisen kaltainen, paitsi että raskaaseen veteen on lisätty puhdasta natriumkloridia (ruokasuolaa). Ensimmäisen vaiheen tuloksena saatiin pitävät todisteet neutriino-oskillaation olemassaolosta.

Tulosten tulkintaa

Auringon neutriinovuon mittaustulokset eivät siis sovi yhteen auringon teorian kanssa. Kaikki kokeet havaitsevat liian vähän neutriinoja, ja lisäksi eri suhteessa. Poikkeama teorian ja kokeen välillä herättää kysymyksen, kumpi on väärässä. On muistettava, että neutriinokokeet ovat äärimmäisen vaikeita, ja pienikin epätarkkuus voi aiheuttaa suuria virheitä. Kokeet ovat kuitenkin toisistaan riippumattomia, ja olisi hieman odottamatonta, että kaikki tekisivät samankaltaisen virheen.

Skeptikot ovat aina epäilleet aurinkomallien luotettavuutta. Vaikka auringon säteilemien neutriinojen kokonaismäärä voidaan laskea helposti ja melko tarkasti, niin neutriinojen energiajakauman arviointi on paljon vaativampi työ. Se vaatiikin erittäin yksityiskohtaisen tähtimallin laatimisen ja sen ratkaisemisen tietokoneen avulla. Aurinkotutkijat ovat kehitellee mallejaan vuosikymmenten ajan. Vaikka eri tutkijat saavatkin erilaisia tuloksia neutriinosäteilylle, ja siten erilaisia ennusteita eri kokeille, niin yhdenkään teoreetikon laskut eivät täsmää koetulosten kanssa.

Ongelman ratkaisemiseksi tutkijat ovat kehittäneet uudenlaisia malleja auringon energiantuotolle ja auringon sisimpien osien olosuhteille. Uudetkaan mallit eivät tunnu auttavan, vaikka tutkijat turvautuisivat eksoottisimpiin tunnettuihin ilmiöihin, aina mustia aukkoja myöten. Neutriinojen puuttuminen on edelleen arvoitus fyysikoille.

Useita selityksiä

Useat fyysikot ovat esittäneet, että neutriinojen katoaminen johtuisi neutriinoista itsestään. Vaikka minimistandardimallissa neutriinot ovat pysyviä, niin uusissa hiukkasfysiikan malleissa ne voisivat hajota tai muuttua toisiksi hiukkasiksi.

Vahvimpana selityksenä neutriinojen katoamiseen pidetään neutriinojen muuttumista toisenlaisiksi neutriinoiksi. Neutriinoja tunnetaan kolmea eri tyyppiä, ja vain yksi niistä, elektronin neutriino, on havaittavissa nykyisillä neutriinokokeilla. Neutriinon muuttumista toiseen lajiin kutsutaan neutriino-oskillaatioksi. Neutriino-oskillaation edelytyksenä on, että neutriinoilla on massa.

Kun neutriinot tulevat auringon läpi, niin koherentit vuorovaikutukset väliaineen kanssa voivat voimistaa neutriinojen muuttumista.

Toisena vaihtoehtona pidetään neutriinon prekessiota. Jos neutriino olisi magneettinen, niin se kääntyisi magneettikentän vaikutuksesta peilikuvakseen. Hiukkasfysiikan omituisuuksia on, että hiukkanen ja sen peilikuva eivät ole samanarvoisia, vaan neutriinon peilikuvaa ei enää voida havaita samoilla laitteilla.

Lisätietoja

Neutriinojen tietosivu(englanniksi): numerotietoja neutriinojen ominaisuuksista, m.m. aurinkoneutriino-ongelman tämänhetkinen tila.
Neutriinotutkimussivu
Super-Kamiokande Official Home Page
The SNO Home Page
Homestake
SAGE Home Page
GALLEX at MPI K Heidelberg
Gran Sasso laboratories

Juha Peltoniemi