Fakta
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.
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.
CERN
Kuvassa on yksi ensimmäisistä lyijyatomien törmäyksistä, jossa syntyi kvarkkigluoniplasmaa. Atomien nokkakolarissa syntyi 1209 positiivisesti varattua hiukkasta (tummemmat viivat) ja 1197 negatiivisesti varattua hiukkasta (vaaleammat viivat). Kaikki ovat lähtöisin samasta pisteestä. Mitatuista hiukkasista 80 prosenttia on pioneja. Kvarkkigluoniplasmaa on törmäyskohdassa alle sekunnin triljoonasosan ajan. Sitä ei voida havainnoida suoraan. Kvarkit havaitaan vasta, kun ne yhdistyvät jälleen hiukkasiksi, kuten pioneiksi.
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.
