Hiukkanen, joka ei pitäisi olla olemassa
Kaikki ympärillämme on kiinni voimien pelissä. Ydinvoima liimaa hiukkasia atomin sisällä, kun taas sähkömagneettinen voima pitää elektronit radallaan. Yhdessä ne estävät aineen hajoamasta.
Entä jos toinen voima otettaisiin pois? Mitä jää jäljelle, jos hiukkanen nojaa pelkästään ydinvoimaan?
Japanilaiset tutkijat ovat nyt luoneet juuri sellaisen hiukkasen. Tulokset ovat hämmentäviä.
Oikea ainesosa
Tavallisessa atomissa protonit ja elektronit kantavat sähkövarausta. Ne vetävät toisiaan puoleensa tai hylkivät toisiaan. Vaikea välttää.
Tarvitaan siis jotain, jolla ei ole varausta lainkaan. Jokin, joka ei voi osallistua sähkömagneettisiin leikkeihin.
Tällainen on eta-alkuperä-meson eli η′. Se on sähköisesti täysin neutraali. Silti se on yllättävän raskas. Tutkijat ovat ihmetelleet sen massaa jo viisikymmentä vuotta.
Vanha arvoitus
1970-luvulla fyysikko Steven Weinberg huomasi, että massalaskelmat eivät täsmää. Eta-alkuperä-meson ei pitäisi painaa niin paljon kuin se painaa. Luvut eivät yksinkertaisesti sovi yhteen.
Selitys löytyy symmetriasta. Tietyt hiukkaset käyttäytyvät kuin kädet – niillä on suunta. Kun tämä suunta hajoaa ytimessä, se synnyttää lisää massaa. Juuri tämä prosessi antaa eta-alkuperä-mesonille suuren osan sen painosta.
Mutta teorian mukaan massan pitäisi pudota, jos hiukkanen sidotaan ytimeen.
Kokeen hullu idea
RIKENin tutkijat testivat ajatusta pommittamalla hiilikohteita protonisäteellä. Säde eteni lähellä valonnopeutta.
Törmäys irrotti neutronin, joka yhdistyikin toisen protonin kanssa ja karkasi. Jäljelle jäi hiili-11-ydin, jossa oli ylimääräistä energiaa.
Tästä energiasta syntyi eta-alkuperä-meson, joka tarttui ytimeen hetkeksi. Aika oli mitättömän lyhyt – sekunnin tuhannesosa triljoonaa triljoonaa kertaa lyhyempi.
Signaalin metsästys
WASA-ilmaisimella he yrittivät havaita näitä lyhyitä hetkiä. Taustaääniä oli sata kertaa, jopa tuhat kertaa enemmän kuin haluttu signaali. Tilanne oli kuin kuiskaus rock-konsertissa.
He löysivät silti selvän merkin. Eta-alkuperä-meson menetti ytimen sisällä noin 60 megaelektronivolttia. Tämä vahvisti teorian: symmetrian hajoaminen on todellinen.
Mitä tämä tarkoittaa
Usein aineen massa ei synny hiukkasista itsestään. Se tulee siitä, että voimat sitovat kaiken tiukasti yhteen. Matkalaukku painaa enemmän, kun se on pakattu.
Tämä koe näyttää, miten tyhjä tila – tyhjiö – kantaa rakennetta ja vaikuttaa massaan. Se on yksi portti siihen, miksi asioilla on painoa.
Miksi tämä on tärkeää
Kaksikymmentä vuotta sitten tutkijat esittivät ennusteen, joka näytti liian oikukkuudeltaan. Nyt se on testattu ja vahvistettu.
Tällainen on tiede parhaimmillaan: villit ajatukset muutetaan mittauksiksi, joista tulee varmaa tietoa.
Uusi työkalu on syntynyt. Se auttaa ymmärtämään, miten voimat toimivat ja miten aine saa ominaisuutensa.