Kvarkkiaineen tutkijoita potretissa (vasemmalta): huippuyksikön vetäjä, professori Tuomas Lappi, apulaisprofessori Sami Räsänen, professori Kari Eskola, yliopistotutkija Harri Niemi, yliopistonlehtori Hannu Paukkunen ja akatemiatutkija Ilkka Helenius.
Kuva: Jari Mäkinen

Jyväskylän yliopiston fysiikan laitos on tunnettu Suomen suurimmasta hiukkaskiihdyttimestä, mutta siellä pitää majaansa myös Suomen Akatemian huippuyksikköohjelmaan kuuluva Kvarkkiaineen tutkimuksen huippuyksikkö.

Huippuyksikön tutkimus suuntaa aineen ja olemassaolon perusasioiden äärelle.

Periaatteessa asia on hyvin yksinkertainen: hadroneiksi kutsutut alkeishiukkaset, kuten protonit ja neutronit, koostuvat elektronin kaltaisista hitusista, kvarkeista ja antikvarkeista. Nykytietomme mukaan kvarkit ovat pienimpiä hiukkasia, mitä on olemassa – aineen varsinaisia peruspalikoita.

Näitä kvarkkeja pitävät kiinni toisissaan gluonit, joiden nimi tuleekin niiden tehtävästä, kvarkkien toisiinsa ”liimaamisesta”. Alkeishiukkasfysiikan kielellä ne ovat hiukkasia kasassa pitävän luonnon perusvoiman, vahvan vuorovaikutuksen välittäjähiukkasia.

Normaalisti gluonit suorastaan kahlitsevat kvarkit toisiinsa erittäin voimakkaasti, mutta vieläkin voimakkaammalla hiukkaskiihdyttimellä voidaan kvarkit ja gluonit mäsäyttää irti toisistaan. Silloin ne muodostavat mössöä, missä kvarkit ja gluonit pääsevät pienen hetken ajaksi irti toisistaan.

Tutkimalla tätä niin sanottua kvarkki-gluoniplasmaa päästään kiinni aivan perustavaa laatua oleviin aineen arvoituksiin. Mitä aine lopulta on? Kuinka hiukkaset pysyvät oikeasti kasassa? Ja luonnollisesti tutkijat miettivät myös miten tätä perustutkimuksella saatua tietoa voitaisiin kääntää myös käytännön sovelluksiksi.

Hiukkasen teoriaa

”Saako tämän pyyhkiä pois”, kysyy professori Kari J. Eskola toiselta professorilta, Tuomas Lapilta, jonka työhuoneessa olemme. Tyypilliseen tutkijatapaan Lapin huoneen seinällä oleva piirustustaulu on täynnä kuvioita, numeroita ja kaavoja. Eskola kaipaa vähän tilaa selittääkseen asiaa tarkemmin, sillä luonnollisesti yksinkertaiselta vaikuttava asia on oikeasti varsin monimutkainen.

Huippuyksikköä vetävä Lappi ei helpota asiaa toteamalla, että oikeastihan kukaan ei ole koskaan nähnyt kvarkkeja tai gluoneja, sillä ne ovat paitsi liian pieniä, niin myös niiden havaitseminen suoraan on käytännössä mahdotonta.

Kuten moni muukin asia hiukkasfysiikassa, niiden olemassaolo voidaan todistaa epäsuorasti: niin sanottu standardimalli, joka yhdistää kvanttimekaniikan ja suppean suhteellisuusteorian sekä määrittelee millaisia ovat alkeishiukkaset ja kolme neljästä luonnon perusvoimasta, toimii kuten se toimii vain jos hiukkaset ovat sellaisia kuin oletamme.

Fysiikkaa tuntemattomalle standardimallin uskottavuus on kuitenkin koetuksella, sillä esimerkiksi kvarkeista puhuttaessa niiden eri tyypit ovat nimiltään ylös, alas, outo, lumo, pohja ja huippu. Ne kantavat sähkövarauksen lisäksi vahvaan vuorovaikutukseen – yhteen näistä luonnon perusvoimista – liittyvää niin sanottua värivarausta ja niillä on pyörimismäärä eli spin. Nimitykset ovat osoitus hiukkasfyysikoiden huumorintajusta, mutta ne ovat myös hyvin havainnollisia.

Esimerkiksi protonit ja neutronit muodostuvat kolmesta kvarkista siten, että kvarkkien ”värit” muodostavat yhdessä värineutraalin hiukkasen. Kvarkkien ominaisuudet, esimerkiksi massat, ovat erilaisia, ja osittain siksi hiukkastenkin massat ovat erilaisia – tosin neutronilla ja protonilla massat ovat lähes samanlaisia. Kvarkista ja antikvarkista koostuvat, mutta hyvin lyhytikäiset pionit ja kaonit ovat puolestaan kovin eri massaisia.

Nyt Eskola pääsee viimein piirtämään.

”Kun esimerkiksi protoneista ja neutroneista koostuvia atomiytimiä törmäytetään toisiinsa, syntyy törmäysenergiasta uusia hiukkasia sekä irtonaisia kvarkkeja ja antikvarkkeja sekä gluoneja, joista osa jää keskelle niin tiiviiksi pieneksi pilveksi, että niiden ryhmittäytyminen hadroneiksi estyy.”

Eskolan taiteilema pieni kvarkkigluonipilvi on paikallaan pienen hetken ajan, ennen kuin se laajenee ja jäähtyy. Sen silmänräpäyksen ajan mössö käyttäytyy kuin hyvin erikoinen aine.

Ainetta kutsutaan plasmaksi, koska siinä on vapaita värivarauksia. Plasma on määritelmän mukaan kaasu tai neste, jossa on näitä vapaita varauksia.

”Se käyttäytyy kuin nestemäinen, erittäin voimakkaasti vuorovaikuttava, lähes ideaalinen fluidi, joka on tiheää ja vuorovaikuttavaa, mutta silti lähes kitkatonta”, Lappi selittää ja hydrodynamiikkaryhmän Eskola ja Harri Niemi nyökkäilevät vieressä.

Hydrodynamiikkaryhmän nimi tulee siitä, että ydintörmäyksissä tuotetun kvarkki-gluoniplasman kehitystä voidaan kuvata relativistisen hydrodynamiikan avulla. Normaalisti hydrodynamiikalla tarkoitetaan fysiikan alaa, joka tutkii nesteiden liikkeitä ja niihin liittyviä voimia, mutta suhteellisuusteorialla ryyditettynä se taipuu myös kvarkkigluoniplasman mallintamiseen. 

Kolme simuloitua kvarkkigluoniplasmapisaraa. Nuolet osoittavat niiden sisäistä painetta. Kuva: MUSIC arXiv:1209.6330

Ymmärrystä aineen olemuksesta ja koko kosmoksesta

Olemukseltaan kvarkkigluoniplasma vastaa maailmankaikkeuden olosuhteita noin 20 mikrosekunnin iässä alkuräjähdyksen jälkeen. Aineen olemuksen lisäksi tämän tutkiminen siis auttaa ymmärtämään koko kosmosta sekä sen kehitystä.

Yksi teoriaryhmän työkaluista on häiriöteoreettinen QCD eli kvanttivärikenttäteoria (Quantum Chromodynamics), johon käytetään niin sanottua häiriöteoriaa. Sen avulla voidaan tutkia vahvaa vuorovaikutusta, joka kuvaa kvarkkien ja gluonien välisiä voimia. Häiriöteoriaryhmää vetää yliopistonlehtori Hannu Paukkunen.

Häiriöteoriaryhmän ja hydrodynamiikkaryhmän lisäksi huippuyksikössä on Tuomas Lapin ja Heikki Mäntysaaren kvanttikenttäteorian suurenergiarajaryhmä. Suurenergiarajalla tarkoitetaan tilannetta, missä hiukkastörmäyksen energia on erittäin suuri verrattuna kvarkkien massoihin tai hadronien kokoon. Tällä rajalla hyvin monimutkainen kvanttivärikenttäteoria muuttuu laskennallisesti hallittavaksi ja mahdollistaa sen tarkan testaamisen kokeissa.

ALICE-koeasema avattuna ja osa hiukkasilmaisimista poistettuna.
Kuva: CERN

ALICE tuottaa havaintoja

Kvarkkiaineen tutkimuksen huippuyksikkö on maailmanlaajuisesti ainutlaatuinen siksi, että se yhdistää teoreettisen työn kokeelliseen tutkimukseen sekä niiden välimaastossa olevaan simulointiin sekä mallinnukseen. Yksikön viisi näihin liittyvää tutkimusryhmää tekeekin tiivistä yhteistyötä.

“Idea huippuyksikön ehdottamisesta lähti juuri tästä laaja-alaisuudesta”, kertoo Lappi johtajan ominaisuudessa. “Tajusimme, että meillä on aika hyvä pakka käsissämme. Koko yksikkö on tällä laitoksella näiden seinien sisällä – paitsi silloin tällöin, kun joku meistä on Genevessä.”

Siellä sijaitsee jyväskyläläisten tärkein kokeellinen työkalu: ALICE-koeasema Euroopan hiukkastutkimuskeskus CERNissä. Aseman nimi on hauska lyhenne sanoista A Large Ion Collider Experiment, Suuri ionitörmäytinkoeasema. Kyseessä on yksi neljästä suuressa LHC-kiihdyttimessä olevasta tutkimuslaitteesta. LHC, Large Hadron Collider, on 27 kilometriä pitkä rengasmainen hiukkaskiihdytin, missä törmäytetään yhteen protoneita ja atomiytimiä. ALICE puolestaan on pienen kerrostalon kokoinen laite, jonka massa on 10 000 tonnia. Se sijaitsee suuressa luolassa noin 50 metrin korkeudessa.

Siinä missä muut LHC:n tutkimusasemat pyrkivät tekemään paljon hiukkastörmäyksiä, joista rekisteröidään vain harvat erityisen kiinnostavat, keskittyy ALICE tarkkoihin havaintoihin.

Apulaisprofessori Sami Räsänen vetää yhdessä yliopistonlehtori Dong-Jo Kimin kanssa yksikön kokeellista ryhmää. Data-analyysissä ryhmä keskittyy erityisesti plasman virtausta luonnehtiviin mittauksiin. Sen lisäksi jyväskyläläiset osallistuvat ALICE:n yhden triggerin eli liipaisinilmaisimen, FIT-laitteen, ylläpitoon. Laitteen avulla valitaan kiinnostavimmat törmäykset jatkotutkimusta varten.

Paukkusen QCD-häiriöteoriaryhmässä oleva akatemiatutkija Ilkka Helenius asettuu puolestaan teoreettisen ja kokeellisen tutkimuksen välimaastoon, sillä hän kehittää simulointimenetelmiä, etenkin Pythia -nimistä simulaatio-ohjelmistoa. Simulointi on tärkeä osa tutkimusta, koska sen avulla voidaan ymmärtää tapahtuneita törmäyksiä sekä ennakoida uudenlaisia törmäyksiä.

Pythian käyttäjä voi esimerkiksi säätää törmäysenergiaa ja valita erilaisia törmäytettäviä hiukkasia, eli hänellä on käytössään eräänlainen hyvin joustava virtuaalinen hiukkaskiihdytin.

Kvarkkigluoniplasman mallinnuksen lisäksi simulointi on tärkeää myös muissa hiukkasfysiikan tutkimuksissa.

Ja mitä tulee muihin tutkimuksiin, niin ALICE on saamassa pian uuden, tehokkaamman kollegan Yhdysvaltoihin. Brookhavenissa rakenteilla oleva elektroni-ionitörmäytin, EIC (Electron-Ion Collider) on suunniteltu erityisesti hadronien sisältämien kvarkkien ja gluonien tutkimiseen. Laite tullee käyttöön 2030-luvun alussa, ja huippuyksikön teoreetikot ovat mukana hankkeessa.

Poikkileikkauskuva yhdestä hiukkastörmäyksestä. Tässä syntyy niin sanottuja outoja hadroneita, jotka ovat hyvin epästabiileita ja lyhytikäisiä, mutta silti pitkäikäisempiä kuin niiden pitäisi olla. Kuva: CERN

Mitä hyötyä tästä on?

Aineen olemuksen selvittäminen on tyypillistä perustutkimusta, jolla ei ole nyt suoria sovelluksia, mutta pitkällä tähtäimellä kyse voi olla mullistavastakin asiasta. Suurimmat harppaukset eteenpäin tieteellisteknisessä kehityksessä ovat tapahtuneet perustutkimuksen tuloksista; tunnetuin tapaus lienee sähkö, jota pidettiin aikanaan sopivana lähinnä leikkimiseen.

Tutkiminen ja tutkimuslaitteiden kehitys sinällään tosin tuottavat useinkin käytännön sovelluksia.

“Esimerkiksi eräs jatko-opiskelijamme tutkii yhdessä Säteilyturvakeskuksen kanssa ALICE-koeaseman mittalaitteiden teknologian käyttöä sädehoidoissa (hadroniterapiassa) käytettävän säteilyn keilan määrittelyyn”, kertoo Räsänen.

“Oulun VTT:n kanssa kehitämme teknologioita, joiden avulla koelaitteiden ilmaisinelementtejä liitetään lukuelektroniikkaan, mikä voisi tuoda suurien koeasemien rakennustyötä myös Suomeen.”

Räsänen mainitsee myös teoriaryhmän entisen jäsenen Markku Katajan, joka osasi soveltaa kvarkkigluoniplasman virtauksen kuvaamiseen kehitettyjä numeerisia menetelmiä paperikoneen toiminnan optimoimiseen.

“Siitä lähti Markun menestyksekäs ura teollisuusfysiikan parissa. Tämäkin on sellainen spin-off, mitä on vaikea kirjoittaa tutkimussuunnitelmaan.”

Hiukkastutkimuksessa käytetty data-analyysi ja matemaattinen mallinnus hyödyttävät muun muassa pankki- ja pörssitoimintaa. Eräs tunnetuimmista CERNin käytännön elämään valuneista sovelluksista on WWW:n ohella algoritmi, jonka avulla seulotaan maksukorttien poikkeavia maksutapahtumia samalla periaatteella kuin kiinnostavia hiukkastörmäyksiä etsitään havaintomassasta.

Lappi ja Eskola mainitsevat myös hieman yllättävän keksinnön: hiukkasfysiikkaan liittyvän pakohuoneen.

“Se tehtiin meille Tutkijoiden yön ohjelmaksi, ja siitä tuli tavattoman suosittu”, Eskola iloitsee ja kertoo, että ideaa on nyttemmin kopioitu muuallekin.

Jyväskylän yliopiston Ylistönrinteen kampus kuvattuna tammikuisessa maisemassa.  Fysiikan laitoksen lisäksi siellä sijaitsee muita matemaattis-luonnontieteellisen tiedekunnan laitoksia sekä mm. kahvila Kvarkki. Kuva: Jari Mäkinen.

Miksi Jyväskylä?

Tutkimusyksikön perusta on Helsingin yliopistossa olleiden Vesa Ruuskasen ja Keijo Kajantien 1980-luvulla aloittamasta työstä.

“Vesa tuli tänne apulaisprofessoriksi ja rakensi pikkuhiljaa täällä tutkimusryhmää”, Eskola muistelee.

“Tulin tänne vuonna 1998 mukaan siihen ryhmään, ja samoihin aikoihin Wladyslaw Trzaska oli juuri aloittanut täällä ALICE-yhteistyön. Meitä oli siis kolme senioria ja muutama opiskelija.”

Tuossa tulevan huippuyksikön siemenessä oli jo teoriaa ja laiterakennusta, ja tulevina vuosina nämä kumpikin laajenivat ja saivat rinnalleen simuloinnin. Hiukkas- ja ydinfysiikkaan erikoistunut Jyväskylän yliopiston fysiikan laitos oli juuri sopiva paikka kvarkkiaineen tutkimiselle.

Kun  Suomen Akatemian huippuyksikköohjelman kaudelle 2022-2029 haettiin ehdokkaita, olikin Jyväskylässä hakemus valmiina alta aikayksikön.

“Erikoisuutemme on se, että hallitsemme koko skaalan ruuvimeisselityöstä CERNissä aina perusteoreettiseen pohtimiseen. Se on hyvin ainutlaatuista maailmanlaajuisesti tällä alalla.”

Juttutuokiomme lopuksi yksikön vetäjä Lappi mainitsee vielä sen, että huippututkimusyksikköstatuksella on ollut heille suuri merkitys. Se on tuonut lisää yhteishenkeä ja lisännyt edelleen yhteistyötä tutkimusryhmien välillä. Tämä näkyy konkreettisesti julkaisuina ja ohjattuina väitöskirjoina – sekä juttutuokiomme leppoisana tunnelmana.

Lähes kaikki Kvarkkiaineen tutkimuksen huippuyksikön tutkijat kuvattuna vuonna 2024. Kuva: Tuomas Lappi

Teksti: Jari Mäkinen