Ensimmäisenä ehdotuksen pimeästä aineesta julkaisi tähtitieteilijä Fritz Zwicky 1930-luvulla. Hän tutki galaksien liikkeitä ja totesi, että tähtien massa ei yksin riittäisi pitämään galakseja koossa. Vastaaviin tuloksiin päätyivät Vera Rubin ja Kent Ford Jr 1970-luvulla. Alkuräjähdysteoria antoi mahdollisuuden laskea maailmankaikkeudessa olevien protonien ja neutronien määrän vedyn ja heliumin suhteellisista osuuksista.
Osoittautui, että jos maailmankaikkeudessa olisi pelkästään tuntemaamme ainetta eli protoneja, neutroneja ja elektroneja, se olisi hyvin erinäköinen. Suurin osa maailmankaikkeuden aineesta on jotain muuta kuin mitä voimme nähdä.
Vaikka pimeän aineen olemassaolo on tunnettu jo pitkään, emme vieläkään tiedä, mitä se on. Tiedämme, että pimeää ainetta on maailmankaikkeudessa noin viisinkertaisesti tavalliseen aineeseen verrattuna sekä sen, että sillä ei ole sähkövarausta. Tiedämme, että se ei se tunne vahvaa ydinvoimaa. Muuten olisimme löytäneet eksoottisia atomeja tai ytimiä, joissa on pimeää ainetta.
Saatamme ratkaista pimeän aineen mysteerin lähivuosina.
Pimeän aineen etsintä astui 2010-luvulla uudelle aikakaudelle, kun CERNin Large Hadron Collider -kiihdytin (LHC) käynnistyi. Monissa malleissa pimeä aine vuorovaikuttaa tavallisen aineen kanssa heikon ydinvoiman välityksellä. LHC voi löytää tällaisen pimeän aineen hiukkasen, jos se ei ole liian raskas.
Saatamme ratkaista pimeän aineen mysteerin lähivuosina. Jos sitä ei löydy, monet pimeän aineen mallit joutavat roskakoriin. Jos taas löydämme pimeän aineen hiukkasen, meille avautuu tie uuteen hiukkasfysiikan teoriaan.
Nykyinen hiukkasfysiikan tietämys on koottu standardimalliksi kutsuttuun teoriaan. Standardimalli sisältää kaikki tunnetut hiukkaset ja painovoimaa lukuun ottamatta kaikki voimat.
Myös kosmologiassa eli maailmankaikkeuden tutkimuksessa on oma standardimallinsa. Se perustuu kosmisen mikroaaltotaustan ominaisuuksiin.
Kosminen mikroaaltotausta syntyi, kun maailmankaikkeus muuttui läpinäkymättömästä plasmasta läpinäkyväksi kaasuksi. Plasmasta lähtenyt valo voidaan nähdä edelleen mikroaaltoina. Varhaisen maailmankaikkeuden tiheyden vaihtelut – tuntemiemme galaksien siemenet – voidaan nähdä pieninä lämpötilan vaihteluina mikroaaltotaustassa.
Ilman pimeää ainetta meillä ei vielä olisi nykyisenkaltaista elämää!
Ongelmana on se, että hiukkasfysiikan ja kosmologian standardimallit eivät ole yhteensopivia. Kosmisen mikroaaltotaustan ominaisuudet, maailmankaikkeuden kiihtyvä laajeneminen ja tähtien liike galakseissa edellyttävät pimeän aineen ja pimeän energian olemassaoloa. Pimeä aine on välttämätöntä sille, että galaksit ja sitä pienemmät rakenteet ovat muodostuneet niin nopeasti kuin mitä on tapahtunut. Maailmankaikkeuden kehitystä simuloitaessa on havaittu, että pimeä aine kiihdyttää tiheysvaihteluiden syntyä. Niistä puolestaan syntyvät tähdet ja galaksit.
Ilman pimeää ainetta meillä ei vielä olisi nykyisenkaltaista elämää! Hiukkasfysiikan standardimallissa pimeää ainetta ei ole, eikä pimeälle energialle ole selitystä.
Yleensä oletetaan, että tuntemiemme protonien, neutronien, elektronien ja neutriinojen lisäksi on olemassa vielä ainakin yksi hajoamaton hiukkanen. Se muodostaa pimeän aineen. Tämän hiukkasen löytäminen on yksi hiukkasfysiikan suurista haasteista.
Hiukkasfysiikassa hiukkasia havaitaan ilmaisimilla. Ilmaisimissa hiukkaset ionisoivat ilmaisimen ainetta, jolloin syntyvä sähkövirta voidaan havaita. Tai ne törmäävät ilmaisimen atomeihin ja luovuttavat oman liike-energiansa lämmöksi. Ja silloin tämä lämpöenergia voidaan puolestaan havaita.
Pimeä aine ei jätä jälkiä tavanomaisiin hiukkasilmaisimiin. Niinpä kysymys on näkymättömän etsinnästä.
Miten näkymätön sitten tehdään näkyväksi?
Pimeää ainetta etsitään törmäyttämällä protoneita tai muita hiukkasia hiukkaskiihdyttimillä. Pimeää ainetta itsessään ei nähdä. Siksi etsitään sellaisia reaktioita, joissa syntyy myös jotain näkyvää, joka lentää törmäyksessä vastakkaiseen suuntaan. Jos ilmaisimissa nähdään yhdessä suunnassa hiukkasia ja vastakkaisessa suunnassa ei mitään, kyse voi olla pimeästä aineesta. Nykyisin tunnettujen hiukkasten aiheuttama osuus osataan laskea. Kokeissa etsitään selvää poikkeamaa näistä ennusteista.
Toinen tapa etsiä pimeää ainetta on rakentaa suuri ilmaisin maan alle – herkin on Xenon1T-koe Gran Sassossa (tankki, jossa on yli tonni nestemäistä ksenonia) – ja pyrkiä löytämään tilanteita, joissa pimeän aineen hiukkanen törmää ilmaisimen atomiin ja onnistuu muuttamaan atomin energiatilaa. Tästä syntyy valoa, joka havaitaan. Tällaiset törmäykset ovat harvinaisia.
Vastaavia törmäyksiä voi esiintyä myös muista syistä. Pimeästä aineesta johtuvat törmäykset voidaan kuitenkin erottaa muista.
Jos sateessa juoksee ympyrää, saa vastatuulessa enemmän pisaroita kasvoilleen kuin juostessa myötätuuleen. Maapallo kiertää aurinkoa, joten Maa kulkee pimeään aineeseen nähden ”vastatuuleen” kesäkuussa ja ”myötätuuleen” joulukuussa. Jos törmäysten määrässä nähtäisiin tällainen vaihtelu, se olisi signaali pimeästä aineesta. Toistaiseksi kokeissa ei ole nähty tällaista vuosittain toistuvaa jaksoa.
Tästä syntyy valoa, joka havaitaan.
Jos pimeän aineen hiukkanen löydetään ennen seuraavaa uutta hiukkasta, se avaa portit hiukkasfysiikan standardimallin muiden ongelmien ratkaisuun. Nämä ongelmat liittyvät siihen, että emme ymmärrä, miksi standardimalli on sellainen kuin se on. Kun standardimalliin syötetään yhdeksäntoista lukuarvoa sekä tunnetut hiukkaset ja voimat, se toimii hyvin. Emme kuitenkaan ymmärrä, miksi juuri nämä lukuarvot tulisi valita.
Hiukkasfyysikkojen toiveena on, että laajemmassa teoriassa nyt mielivaltaiselta näyttävät piirteet saisivat selityksen. Osa standardimallin ongelmista ratkeaa esimerkiksi supersymmetrian tai ylimääräisten ulottuvuuksien avulla. Jos pimeä aine löydetään, sen ominaisuudet auttavat meitä valitsemaan oikean tavan laajentaa standardimallia. Jos taas sitä ei löydy lähivuosina, voidaan joitain vaihtoehtoja hylätä.
Toistaiseksi pimeästä aineesta ei ole nähty signaalia sen paremmin LHC:n kokeissa kuin muuallakaan, mutta näkymättömän etsintä jatkuu. Jos onnistumme siinä, opimme ymmärtämään suuremman palan maailmankaikkeutta kuin mihin olemme tähän asti tutustuneet.