Fysiikassa on kyse luonnon perustavanlaatuisimpien mysteerien tutkimisesta, joten ei ole yllättävää, että fyysikoilla on mielessään joitakin hyvin perustavanlaatuisia kysymyksiä maailmankaikkeudesta. Hiljattain Symmetry Magazine (jota julkaisee kaksi Yhdysvaltain hallituksen rahoittamaa fysiikan laboratoriota) pyysi ryhmää hiukkasfyysikoita nimeämään ne fysiikan avoimet kysymykset, joihin he haluavat eniten vastauksia. Tässä on esimerkki heidän jakamistaan arvoituksista:

”Mikä on maailmankaikkeutemme kohtalo?”

Runoilija Robert Frost kysyi tunnetusti, loppuuko maailma tuleen vai jäähän, eivätkä fyysikot vieläkään osaa vastata kysymykseen. Maailmankaikkeuden tulevaisuus – kysymyksen nimesi Steve Wimpenny Kalifornian yliopistosta Riversidesta – riippuu suurelta osin pimeästä energiasta, joka on tällä hetkellä tuntematon entiteetti. Pimeä energia on vastuussa maailmankaikkeuden kiihtyvästä laajenemisesta, mutta sen alkuperä on täysin salaperäinen. Jos pimeä energia pysyy ajan mittaan vakiona, edessä on todennäköisesti ”iso jäätyminen” tulevaisuudessa, jolloin maailmankaikkeus laajenee yhä nopeammin ja nopeammin, ja lopulta galaksit ovat levinneet toisistaan niin kauas, että avaruus näyttää valtavalta joutomaalta. Jos pimeä energia lisääntyy, tämä laajeneminen voi olla vieläkin rajumpaa, jolloin galaksien välisen tilan lisäksi myös galaksien sisällä oleva tila laajenee ja galaksit repeytyvät toisistaan irti – tätä kohtaloa kutsutaan ”isoksi repeämiseksi”. Toinen vaihtoehto on, että pimeä energia vähenee niin, että se ei enää kykene kumoamaan sisäänpäin vetävää painovoimaa, jolloin maailmankaikkeus romahtaa takaisin itseensä ”isossa romahduksessa”. Periaatteessa olemme siis tuhoon tuomittuja, kävi miten kävi. Positiivisena puolena on se, että minkään näistä mahdollisuuksista ei pitäisi toteutua miljardeihin tai triljooniin vuosiin – runsaasti aikaa päättää, toivommeko tulta vai jäätä.

”Higgsin bosonissa ei ole mitään järkeä. Miksi se on olemassa?”

Kysymyksen sävy oli kieli poskessa, sanoo kysyjä, Richard Ruiz Pittsburghin yliopistosta, mutta se viittaa hyvin todelliseen ymmärryksen puutteeseen sen hiukkasen luonteesta, joka tunnetusti löydettiin viime vuonna suurella hadronitörmäyttimellä (LHC) Euroopassa. Higgsin bosoni auttaa selittämään, miten kaikki muut hiukkaset ovat saaneet massansa, mutta se herättää myös monia muita kysymyksiä. Miksi esimerkiksi Higgsin bosoni on vuorovaikutuksessa kunkin hiukkasen kanssa eri tavalla – ylin kvarkki on paljon voimakkaammassa vuorovaikutuksessa Higgsin bosonin kanssa kuin elektroni, jolloin ylin kvarkki saa paljon suuremman massan kuin elektroni. ”Tämä on ainoa esimerkki ’ei-universaalista’ voimasta Standardimallissa”, Ruiz sanoo. Lisäksi Higgsin bosoni on ensimmäinen luonnosta löydetty perushiukkanen, jolla ei ole spiniä. ”Tämä on täysin uusi sektori Standardimallin hiukkasfysiikassa”, Ruiz sanoo. ”Miten se syntyy, meillä ei ole aavistustakaan.”

”Miksi maailmankaikkeus on niin erinomaisen tasapainoinen, että elämää voi olla olemassa?”

Todennäköisyyksien perusteella meidän ei todellakaan pitäisi olla täällä. Galaksit, tähdet, planeetat ja ihmiset ovat mahdollisia vain universumissa, joka laajeni alkuaikoina juuri oikealla nopeudella. Tätä laajenemista hallitsi pimeän energian ulospäin suuntautuva työntövoima, joka sotii maailmankaikkeuden massan sisäänpäin suuntautuvaa vetovoimaa vastaan, jota hallitsee näkymätön pimeäksi aineeksi kutsuttu aine. Jos nämä suureet olisivat olleet erilaisia – jos esimerkiksi pimeä energia olisi ollut vain hiukan voimakkaampaa maailmankaikkeuden syntymän jälkeen – avaruus olisi laajentunut liian nopeasti, jotta galakseja ja tähtiä olisi voinut muodostua. Mutta jos pimeää energiaa olisi ollut hiukan vähemmän, maailmankaikkeus olisi romahtanut itseensä. Miksi siis, kysyy Erik Ramberg Fermilabista Bataviasta, Illasta, ne ovat niin täydellisessä tasapainossa, että maailmankaikkeus, jossa elämme, on mahdollista? ”Emme tiedä mitään perustavanlaatuista syytä, miksi tuon tasapainon pitäisi olla olemassa”, Ramberg sanoo. ”Ei ole epäilystäkään siitä, että pimeän energian määrä maailmankaikkeudessa on fysiikan historian hienoimmin viritetty luku.”

”Mistä astrofysikaaliset neutriinot tulevat?”

Erittäin suurienergisten neutriinojen ennustetaan syntyvän nopeiden varattujen hiukkasten, niin sanottujen kosmisten säteiden, ja maailmankaikkeuden läpäisevässä kosmisessa mikroaaltotaustasäteilyssä (Cosmic Microwave Background radiation, KMB-taustasäteily) olevien kevyiden hiukkasten, niin kutsuttujen valohiukkasten, niin sanottujen fotonien, törmäyksistä. Avoimia kysymyksiä ovat kuitenkin se, mikä saa tämän prosessin liikkeelle ja miten kosmiset säteet kiihtyvät. Yksi johtava ajatus on, että galaksien keskuksissa oleviin nälkäisiin supermassiivisiin mustiin aukkoihin putoava aine synnyttää kosmisia säteitä, mutta tästä hypoteesista ei ole vielä todisteita. Syntyvien neutriinojen uskotaan kulkevan niin nopeasti, että jokaisessa pikkuruisessa hiukkasessa on yhtä paljon energiaa kuin nopeasti heitetyssä pesäpallossa (jossa on miljardeja miljardeja atomeja). ”Emme voi edes käsittää, mistä nämä jutut tulevat”, sanoo Abigail Vieregg Chicagon yliopiston Kavli Institute for Cosmological Physics -instituutista, joka esitti kysymyksen. ”Jos saamme sen selville, voimme oppia lähteistä, jotka kiihdyttävät nämä hiukkaset äärimmäisen suuriin energioihin.”

”Miksi maailmankaikkeus koostuu aineesta eikä antiaineesta?”

Antiaine on kuin aine vastapäivänä: sillä on samat ominaisuudet kuin aineella, josta planeetat, tähdet ja galaksit koostuvat, mutta yksi elintärkeä osatekijä on erilainen – sen varaus. Maailmankaikkeuden alussa oli oletettavasti yhtä paljon ainetta ja antiainetta, mutta jotenkin aine voitti, ja suurin osa molemmista aineista tuhoutui pian alkuräjähdyksen jälkeen, jolloin jäljelle jäi pieni ylijäämä ainetta. Miksi antimateria hävisi tämän köydenvedon, sitä ei voi vain arvailla. Tutkijat etsivät parhaillaan selitystä epäsuhdan selittämiseksi prosesseja, joita kutsutaan varauspariteettirikkomuksiksi ja joissa hiukkaset hajoavat mieluummin aineeksi kuin antiaineeksi. ”Olemme erityisen kiinnostuneita yrittämään selvittää, ovatko neutriino-oskillaatiot erilaisia neutriinojen ja antineutriinojen välillä”, sanoo Alysia Marino Coloradon yliopistosta, joka kertoi kysymyksestä Symmetrylle. ”Tätä ei ole toistaiseksi nähty, mutta toivomme, että seuraavan sukupolven kokeet tarkastelevat sitä tarkemmin.”