Tiede

Kvarkkigluoniplasma on 150 000 kertaa kuumempaa kuin Aurinko – ja ihmiset valmistavat sitä

Alkuhetkien ainetta on muutaman vuoden ajan pystytty valmistamaan lyijyatomeita törmäyttämällä.

Maan alla sadan metrin syvyydessä Sveitsin ja Ranskan rajalla kiertää 27 kilometrin pituinen ympyränmuotoinen rata, kuin metrotunneli.

Sen keskellä kulkee putki, jossa kaksi atomisuihkua kulkee vastakkaisiin suuntiin liki valon nopeudella. Suihkuja ohjaavat voimakkaat magneetit, jotka on jäähdytetty nestemäisellä heliumilla alle 271 pakkasasteeseen.

Kun atomisuihkut törmäävät suurella energialla toisiinsa, syntyy ainetta, jota maailmankaikkeus oli täynnä ensimmäisinä millisekunteina alkuräjähdyksen jälkeen.

Alkuhetkien aine on kvarkki­gluoniplasmaa.

Se on yli 150 000 kertaa kuumempaa kuin auringon sisus ja hyvin tiheää.

Viidesosa teelusikallista kvarkkigluoniplasmaa painaisi enemmän kuin 880 000 maailman suurinta Oasis of the Seas -risteilyalusta.

Se koostuu nimensä mukaisesti aineen perushiukkasista kvarkeista sekä gluoneista, jotka normaalisti liimaavat kvarkit toisiinsa. Kvarkkigluoniplasmassa kaikki riehuvat irrallaan sekaisin.

Se on lähes täydellinen neste eli sen viskositeetti on äärimmäisen pieni. Jos kvarkkigluoniplasmaa hämmentäisi teekupissa lusikalla, pyörivä liike jatkuisi ikuisesti.

Siitä on puhuttu myös aineen uutena olomuotona – vaikka se onkin ikivanhaa.

Kvarkkigluoniplasma hävisi, kun universumin jäähtyessä kvarkit sitoutuivat lopulta protoneiksi ja neutroneiksi. Ne muodostivat atomien ytimet, jotka kaappasivat ympärilleen elektronit. Samaan aikaan maailmankaikkeus muuttui vihdoin läpinäkyväksi.

Ei ihme, että kvarkkigluoniplasma kiinnostaa tutkijoita.

Alkuhetkien ainetta on muutaman vuoden ajan pystytty valmistamaan lyijyatomeita törmäyttämällä Euroopan hiukkastutkimuskeskuksessa (CERN).

Myös yhdysvaltalaistutkijat pystyvät tekemään sitä omassa isossa kiihdyttimessään Brookhavenissa New Yorkissa.

Kvarkkigluoniplasmaa tutkii myös Jyväskylän yliopiston akatemiatutkijam fyysikko Tuomas Lappi. Hän sai juuri kahden miljoonan euron rahoituksen Euroopan tutkimusneuvostolta (ERC).

Lappi mallintaa supertietokoneiden avulla kvarkkigluoniplasman syntymisen alkuvaihetta, jossa atomit törmäävät rajusti toisiinsa.

”Tällaiset suurienergiset törmäykset, jossa on keskenään vahvasti vuorovaikuttavia hiukkasia, ovat hyvin monimutkainen tapahtuma. Taustalla on kuitenkin yksinkertainen luonnonlaki. Se tekee tutkimuksesta kiinnostavaa.”

Lappi pyrkii matemaattisten mallien avulla ennustamaan, mitä törmäyksessä tietyllä aikavälillä tapahtuu.

”Tästähän fysiikassa on loppupelissä kyse. On teoria, luonnonlaki, josta lasketaan ennusteita ja kokeellisesti mitataan, toimiiko ennuste vai ei.”

Kvarkkigluoniplasma haastaa vanhat mielikuvat. Monen mieleen lienee koulussa iskostunut kuva atomin rakenteesta: ydin koostuu protoneista ja neutroneista, ja ydintä ympäröi elektroniverho.

Kuitenkin jo 1960-luvulla tutkijat havaitsivat, että protonit ja neutronit koostuvat vielä pienemmistä hiukkasista, kvarkeista. Kvarkkeja sitovat toisiinsa gluonit, liimahiukkaset.

Nykyisen tiedon mukaan kvarkit ovat aineen pienimpiä osasia eli niitä ei voida enää paloitella. Normaalisti kvarkit eivät ole koskaan yksin vaan toisen kvarkin kanssa.

Kvarkkigluoniplasmassa kvarkit ovat erillään toisistaan ja ne pääsevät kulkemaan vapaina nestemäisessä tilassa.

Kvarkkigluoniplasman valmistaminen edellyttää, että kvarkkeja toisissaan kiinni pitävät vahvat vuorovaikutukset kumotaan. Gluoni välittää tätä vahvaa vuorovaikutusta.

Vahvan vuorovaikutuksen ominaisuuksiin kuuluu, että se on sitä heikompi, mitä lähempänä kvarkit ovat toisiaan.

Kvarkkien välinen voima toimii ikään kuin jousipyssy: mitä kauemmas jousta venytetään, sitä enemmän jousi panee vastaan.

Kvarkkien välisten vahvojen vuorovaikutusten purkamiseen tarvitaan valtavasti energiaa.

Tutkijat ovat arvioineet, että hyvin energinen tilanne voisi syntyä äärimmäisessä paineessa esimerkiksi avaruudessa kylmissä neutronitähdissä.

Toinen tilanne, jossa kvarkkigluoniplasmaa syntyy, on hurja kuumuus, kuten varhaisessa maailmankaikkeudessa.

Hurja kuumuus saavutetaan hiukkaskiihdyttimessä, kun atomien ytimet törmäävät toisiinsa riittävän suurella energialla. Korkeassa lämpötilassa energia muuttuu kvarkkigluoniplasmaksi, sillä energia on ainetta.

Tutkijat eivät pysty havainnoimaan törmäyksessä syntyvää kvarkkigluoniplasmaa suoraan. Se on olemassa vain sekunnin triljoonasosia lyhyemmän ajan.

Sen sijaan he voivat jäljittää plasmaa mittaamalla niitä hiukkasia, jotka syntyvät plasman jäähtyessä ja kvarkkien liimautuessa uudelleen toisiinsa.

Hiukkasia ja niiden liikeratoja tutkimalla saadaan kuva lähtö­tilanteesta.

Kvarkkigluoniplasma on käsittämättömän tiheää. Toisaalta asian voi Tuomas Lapin mukaan ajatella niinkin päin, että kaikki muu aina oikeastaan käsittämättömän harvaa.

”Kaikki koostuu atomeista, joissa suurin osa on tyhjää. Jos atomiydin olisi yksinäinen myyntikoju keskellä isoa toria, elektroni olisi herne torin laidalla.”

Vanhempi tutkija Sami Räsänen Jyväskylän yliopistosta on ollut mukana valmistamassa kvarkkigluoniplasmaa CERNin isolla hiukkaskiihdyttimellä. Se on yksi maailman kalleimmista tieteellisistä tutkimuslaitteista.

Kokeita tehdään vuosittain kuukauden ajan, jolloin lyijyatomien välisiä törmäyksiä tapahtuu yötä päivää.

Muina aikoina tutkijat törmäyttävät protoneja ja yrittävät muun muassa valmistaa uusia hiukkasia, kuten Higgsin bosoneja.

Mukana on tutkijoita 41 eri maasta. He kaikki, Räsänen mukaan luettuna, työskentelevät osan vuodesta CERNissä valvontavuoroissa.

”Se on kolmivuorotyötä. Päivystävä kansainvälinen tutkijatiimi huolehtii, että laitteet toimivat. Tukena on teknisiä asiantuntijoita ja koordinaattori, joka sitoutuu olemaan paikalla vuoden ajan joka päivä.”

Kvarkkigluoniplasman tutkimus on perustutkimusta, jolla ei ole suoria sovelluksia. Tutkimus on silti vauhdittanut useita teknologisia harppauksia.

On pitänyt esimerkiksi löytää keinot tallentaa ja analysoida miljoonien hiukkasten törmäyksistä saatavaa valtavaa tietomäärää.

Toisaalta on ollut pakko kehittää aiempaa tarkempia mittalaitteita ja kuvantamismenetelmiä. Niistä on ollut hyötyä esimerkiksi lääketieteessä, etenkin syöpähoidoissa.

Aineeseen tarvitaan vain kahta kvarkkia

 Kvarkkeja on erilaisia – tai eri makuja, kuten fyysikko sanoisi. Niitä on kuutta sorttia.

 Tavallisen aineen atomiytimiin tarvitaan kuitenkin vain kahta kvarkkia.

 Esimerkiksi protoni koostuu kahdesta ylöskvarkista ja yhdestä alaskvarkista. Neutroni koostuu yhdestä ylöskvarkista ja kahdesta alaskvarkista.

 Muita kvarkkeja ovat outo, lumo, kauneus ja totuus.

 Kvarkki-sanan tutkija Murray Gell-Mann nappasi kirjailija James Joycen kokeellisesta romaanista Finnegans Wake.

    Seuraa uutisia tästä aiheesta

  • Hiukkasfysiikka
  • Tiede
  • CERN

Kommentit

    Ei vielä kommentteja. Kirjoita ensimmäinen.

    Näytä lisää
    Luetuimmat
    1. 1

      ”Näin säästin kymppitonnin vuodessa” – Bloggari Julia Thurén puhuu avoimesti rahasta ja kannustaa muita tekemään samoin

    2. 2

      Globalisaation aika on ohi, kun Yhdysvaltain mahti murenee – ja silloin on tapana rytistä

    3. 3

      Pentti Linkola: Rajat pitäisi sulkea ja kehitysapu lakkauttaa

    4. 4

      Ulkonäköön kohdistuva pilkka sotki Mikon elämän vuosiksi – Miesten ulkonäköpaineita pitäisi käsitellä enemmän, sanoo tutkija

    5. 5

      Lukiokirjojen hinnat puolittuivat – uusi tulokas sekoittaa vanhojen kustantajien pakkaa

    6. 6

      Professori tyrmää pääsykoe­uudistuksen: ”Käytännössä oikeus­tieteelliseen pääsisi vain laudaturin papereilla” – Lukiolaisten mielestä uudistuksen lähtökohta on oikea

    7. 7

      Tytöt liikkuvat ulkoleikeissä paljon vähemmän kuin pojat, maahanmuuttaja­taustaisten lasten välillä ero liki 20 prosenttia – Ainutlaatuinen tutkimus selvittää kaiken elämästä päiväkodeissa

    8. 8

      Ilman pääsykoetta en olisi päässyt yliopistoon – korkeakoulu­haun uudistus voi tuhota monen unelman

    9. 9

      Poliisi sakotti Flow-festivaalilta ulos vietyä artistia – tapahtuneesta julkaistiin video sosiaalisessa mediassa

    10. 10

      Yle: Vihreät nousi kannatus­mittauksessa ohi keskustan – myös perus­suomalaisten tuki elpyy hieman

    11. Näytä lisää
    1. 1

      Poliisi sakotti Flow-festivaalilta ulos vietyä artistia – tapahtuneesta julkaistiin video sosiaalisessa mediassa

    2. 2

      Pentti Linkola: Rajat pitäisi sulkea ja kehitysapu lakkauttaa

    3. 3

      Ministeriö vaatii korkeakouluja luopumaan työläistä pääsykokeista jo ensi keväänä – näin muutos vaikuttaa korkeakouluun pyrkiviin lukiolaisiin ja välivuotta viettäviin

    4. 4

      Tutkija jakoi parisuhteet viiteen eri tyyppiin eroamisen todennäköisyyden mukaan – ”Lapset ovat hyvä syy laittaa hyvä suhde kuntoon”

    5. 5

      Espoo tyrmäsi pyörätuolissa istuvan Olivian, 9, koulukyydin musiikkiluokalle – koulumatka olisi pidentynyt 800 metriä

    6. 6

      Professori tyrmää pääsykoe­uudistuksen: ”Käytännössä oikeus­tieteelliseen pääsisi vain laudaturin papereilla” – Lukiolaisten mielestä uudistuksen lähtökohta on oikea

    7. 7

      Delfiininpoikanen ajautui rantaveteen Espanjassa ja kuoli vartissa, koska ihmiset halusivat ottaa kilvan kuvia sen kanssa

    8. 8

      Obaman rasisminvastainen tviitti nousi maailman tykätyimmäksi – Ku Klux Klanin entinen johtaja puolestaan kiittelee Trumpia Twitterissä

    9. 9

      Olen miehille joko vitsi tai huumorintajuton ”feminatsi” – Miksi sovinistisia vitsejä pitäisi sietää?

    10. 10

      Suomessa on jo niin paljon julkisesti hölynpölyyn hurahtaneita, että jopa ”ajatuksia lukeva” Pete Poskiparta kavahtaa

    11. Näytä lisää
    1. 1

      Kuvakooste pääkaupunkiseutua riepotelleen myrskyn tuhoista

    2. 2

      Lauantaina salamoi yli 6 000 kertaa, Kiira-myrskyn tuhoja raivataan koko sunnuntai – ”Ihme, ettei mitään vakavampaa sattunut”

    3. 3

      Tutkija jakoi parisuhteet viiteen eri tyyppiin eroamisen todennäköisyyden mukaan – ”Lapset ovat hyvä syy laittaa hyvä suhde kuntoon”

    4. 4

      HS testasi eineslihapullat: Raati löysi kaksi pyörykkää, jotka nousivat ylitse muiden

    5. 5

      Unitutkija: Suomalaisten ruokailurytmi vaikeuttaa nukahtamista – Päivän pääateria kannattaisi syödä vasta illalla

    6. 6

      Järjestyksen­valvojat heittivät kaksi naisesiintyjää ulos alueelta Flow’ssa – festivaali hakee esiintyjille korvauksia

    7. 7

      Espoolainen Eva ei pelkää mitään muuta niin paljon kuin naapurissa asuvaa ex-miestään – ”Minun kulttuurissani ajatellaan, että miehellä on oikeus lyödä naistaan”

    8. 8

      Nyt on jollakulla ollut ylimääräistä aikaa: Malminkartanon täyttömäen portaiden yli 200 askelmaa maalattiin valkoisiksi keskiviikkoyönä

    9. 9

      On yksinkertaisesti väärin olla rikas

    10. 10

      Tekstiviesti vieraalta naiselta muutti Tonin elämän – Pettämisestä kuuleminen voi musertaa, mutta anteeksianto on usein paras selviytymiskeino

    11. Näytä lisää