JYUnity

Kvarkkiaineen tutkimuksen huippuyksikkö kuuluu alansa kansainväliseen kärkeen. Yksikkö on yksi kolmesta Jyväskylän yliopiston koordinoimasta Suomen Akatemian huippuyksiköstä, jotka aloittivat vuoteen 2029 kestävän työnsä vuoden alussa.

Kaikki aine koostuu atomiytimistä ja niitä kiertävistä elektroneista. Ytimet koostuvat protoneista ja neutroneista, jotka edelleen rakentuvat kvarkeista ja gluoneista. Gluonit ovat kuin liimaa, joka pitää kvarkit kiinni toisissaan. Elektronit, kvarkit ja gluonit ovat alkeishiukkasia, aineen pienimpiä tunnettuja rakenneosia.

Fysiikan professori Tuomas Lappi johtaa Kvarkkiaineen tutkimuksen huippuyksikköä. Sen tavoitteena on ymmärtää atomiydinten rakenneosasten eli kvarkkien ja gluonien välisiä vuorovaikutuksia. Huippuyksikössä tarkastelun kohteena on erityisesti se, kuinka ja milloin aine muuttuu kvarkkigluoniplasma-nimiseen uuteen olomuotoon, jossa kvarkit ja gluonit liikkuvat vapaina.

Hiukkaspuuron tutkiminen onnistuu vain kiihdyttimellä

Kvarkit ja gluonit eivät esiinny luonnossa sellaisenaan vaan aina sitoutuneina muiksi hiukkasiksi. Siksi niitä voidaan tutkia vain epäsuorasti törmäyttämällä protoneita ja muita atomiytimiä toisiinsa hiukkaskiihdyttimillä, joista tärkeimpänä CERN:in LHC-kiihdytin.

Suomen Akatemian tukeman huippuyksikön kotipesä on Jyväskylän yliopiston fysiikan laitoksella.  

Törmäyksissä syntyvät hiukkaset mitataan kymmenien metrien kokoisilla ilmaisimilla törmäyskohdan ympärillä, ja tulokset kertovat tutkijoille kvarkkien ja gluonien vuorovaikutuksista. Törmäytettäessä toisiinsa kaksi raskasta atomiydintä syntyy sekunnin murto-osaksi pisara kvarkkigluoniplasmaa.

”Kiihdyttimellä aikaansaatu kvarkki-gluoniplasma on äärimmäisen kuumaa ja tiheää, eräänlaista hiukkaspuuroa”, Lappi kuvaa.

Siinä kvarkit ja gluonit eivät ole atomiytimien osana vaan vapaina.

”Perimmäinen tavoitteemme on oppia ymmärtämään yhtä luonnon neljästä perusvaikutuksesta, vahvaa vuorovaikutusta”, Lappi jatkaa.

Vahvan vuorovaikutuksen teoria kvanttiväridynamiikka kuvaa alkeishiukkasten välistä vuorovaikutusta, joka esimerkiksi sitoo kvarkit ja gluonit protoneiksi ja neutroneiksi ja edelleen atomiytimiksi.

”Teoreetikkona minua kiehtoo se, kuinka symmetrioihin pohjautuvasta pohjimmiltaan yksinkertaisesta teoriasta käsin voidaan ymmärtää, kuinka luonto toimii, ja sitten tarkistaa asia kokeellisilla mittauksilla”, kertoo Tuomas Lappi.

Huippuyksikössä teoreetikot ja kokeilijat yhteistyössä

Suuret hiukkasfysiikan kokeet ovat entistä monimutkaisempia. Törmäyksissä on monia eri vaiheita ja ilmiöitä, jotka vaikuttavat mittaustuloksiin. Tutkimusta tehdään yhteistyönä teoreettisen perustutkimuksen, mallinnuksen ja kokeellisten mittausten välillä, jotka ovat kaikki edustettuna huippuyksikön tutkimusryhmissä. Tuomas Lapin mukaan näin saadaan ymmärrys koko monivaiheisesta törmäysprosessista.

”Huippuyksikkömme mahdollistaa aivan uudenlaisen yhteistyön teoreetikoiden ja kokeilijoiden välillä. Kokeiden muuttuessa aina vain monimutkaisemmiksi on entistä tärkeämpää, että kaikki ymmärtävät mitä mitataan ja mitä mallinnetaan teoreettisesti.”

Huippuyksikön muodostavat viisi Jyväskylän yliopiston fysiikan laitoksen tutkimusryhmää, kaikkiaan noin 30 tutkijaa.

Ryhmät ovat:

1. Kvanttiväridynamiikka suurilla energioilla
2. Raskasionitörmäysten teoria
3. Kvanttiväridynamiikan häiriöteoria
4. Suuren liikemäärän prosessit ALICE-kokeessa
5. Kvarkkiaineen virtaus ALICE-kokeessa

Tuomas Lapin (takana vas.) johtaman huippuyksikön ryhmänjohtajia ovat Lapin ohella Kari J. Eskola (takana oik.), Dong Jo Kim (edessä vas.), Sami Räsänen ja Hannu Paukkunen.

Huippuyksikkö vahvistaa Jyväskylässä ennestäänkin poikkeuksellisen tiivistä yhteistyötä alan kokeellisen ja teoreettisen tutkimuksen välillä.

Kaksi ryhmistä osallistuu CERNin laajaan, kansainväliseen ALICE-kokeeseen (A Large Ion Collider Experiment). Kolme teoriaryhmää tekee teoreettista tutkimusta hieman eri lähtökohdista saman ongelman ympärillä. Osa ryhmistä tutkii atomiytimien kvarkki-gluonirakennetta juuri ennen törmäystä ja sen ensihetkinä, osa törmäyksissä syntyvien hiukkasten muodostumista.

Kokeelliset ryhmät taas osallistuvat mittauksiin ja data-analyysiin keskittyen sekä kvarkkigluoniplasman virtaukseen että törmäyksessä syntyviin suurienergisiin hiukkassuihkuihin ja niiden vuorovaikutukseen syntyvän kvarkkigluoniplasman kanssa.