Aineen rakennetta on pohdittu vähintäänkin antiikin Kreikan ajoista lähtien. Yhdessä Leukippoksen kanssa atomiopin kehittänyt Demokritos käytti aineen perimmäisistä osasista nimitystä atomos, jakamaton. Demokritos oli väärässä. 

Aikaa myöten kävi ilmi, että atomit eivät suinkaan ole jakamattomia, vaan koostuvat protoneista, neutroneista ja elektroneista, kun protonit ja neutronit puolestaan koostuvat kvarkeista.

Jyväskylän yliopistossa toimivassa Suomen Akatemian kvarkkiaineen tutkimuksen huippuyksikössä pureudutaan aineen rakenteen perusasioihin: miten aine käyttäytyy äärimmäisissä olosuhteissa, kun kvarkit ja vahvaa vuorovaikutusta välittävät gluonit muodostavat huippukuuman plasman.

Teoreettisen tarkastelun rinnalla keskeisessä roolissa on kokeellinen tutkimus, jota tehdään CERNin eli Euroopan hiukkasfysiikan tutkimuskeskuksen LHC-hiukkaskiihdyttimellä (Large Hadron Collider) sekä rakenteilla olevalla Yhdysvaltain Brookhavenin kansallisen laboratorion EIC-kiihdyttimellä (Electron-Ion Collider).

Kvanttimaailman ilmiöt ovat arkikokemuksen näkökulmasta kummallisia ja tapahtuvat mitättömän pienessä mittakaavassa. Miten käytännössä näkymätöntä hiukkasmaailmaa voidaan ylipäätään tutkia?

”Kun halutaan nähdä jotain, mikä tapahtuu hyvin pienillä etäisyyksillä, Heisenbergin epätarkkuusperiaate sanelee, että tarvitaan hyvin suuria energioita”, huippuyksikön johtaja professori Tuomas Lappi kiteyttää.

Heisenbergin epätarkkuusperiaate on yksi kvanttifysiikan peruspilareista. Saksalaisen fyysikon Werner Heisenbergin vuonna 1927 esittämä periaate kertoo, että kahta toisiinsa kytkeytyvää mitattavaa ominaisuutta, esimerkiksi nopeutta ja liikemäärää, ei voida määrittää samanaikaisesti mielivaltaisen tarkasti.

Kyse ei ole käytettävän tekniikan tai mittalaitteiden tarkkuuden asettamista rajoituksista. Tutkimuslaitoksiin ei rakenneta yhä suurempia hiukkaskiihdyttimiä siksi, että epätarkkuusperiaate voitaisiin kiertää, sillä se on mahdotonta.

Yhä suurempia hiukkaskiihdyttimiä tarvitaan, jotta päästään yhä korkeampiin energioihin. Eli kaikkein pienimpien asioiden tutkimiseen tarvitaan kaikkein suurinta energiaa.

”Siinäpä juuri on hiukkastutkimuksen paradoksi. Se juontuu suoraan Heisenbergin epätarkkuusperiaatteesta.”

Suuren energian lisäksi tarvitaan pitkiä havaintosarjoja. Hiukkaskiihdyttimillä on toteutettava valtaisa määrä hiukkastörmäyksiä, joiden tuottamasta datasta seulotaan tarvittava tieto. Heisenbergin epätarkkuusperiaatteen ohella toinen kvanttimekaniikan perusominaisuus onkin tilastollinen tai satunnainen luonne. 

”Monet tutkittavat kvanttimaailman ilmiöt ovat tapahtumina hyvin harvinaisia, joten ne tulevat esiin vain, jos hiukkasten välisiä törmäyksiä tapahtuu todella paljon”, Lappi vahvistaa.

Kvarkkiaineen tutkimuksen huippuyksikössä näkökulma on kuitenkin hieman toinen.

”Me tutkimme toki myös harvinaisia ilmiöitä, mutta kvarkkigluoniplasmaan liittyvät prosessit eivät ole samalla tavalla vaikeasti saavutettavia”, huippuyksikön varajohtaja, professori Kari J. Eskola täsmentää. 

”Meidän alamme on hiukkasfysiikan sisällä hieman poikkeava, sillä me olemme kiinnostuneita myös siitä, mitä tapahtuu tyypillisissä raskaiden ionien välisissä törmäyksissä”, Lappi lisää. 

Eskola havainnollistaa tilannetta ottamalla vertailukohdaksi Higgsin hiukkasen etsinnän, jossa onnistuttiin vuonna 2012. Silloin tavoitteena oli tuottaa mahdollisimman vähän hiukkasia, jotta harvinainen hiukkanen löytyisi mahdollisimman helposti. 

”Meidän tavoitteemme on sen sijaan tuottaa mahdollisimman paljon hiukkasia, jotta kvarkit ja gluonit muodostaisivat plasmaa, vahvasti vuorovaikuttavaa ainetta, joka on varsinainen tutkimuskohteemme”, Eskola toteaa.

Kyseessä on siis aineen perusrakenteen ja vahvan vuorovaikutuksen tutkimus eli perustutkimus puhtaimmillaan.

Siinä missä tähtitieteessä on mahdoton konkreettisesti ymmärtää valovuosissa mitattuja etäisyyksiä, hiukkasmaailman eriskummallisuudet ovat yhtä käsittämättömiä. Onko niitä mahdollista ymmärtää – muuten kuin matemaattisesti?

”Joitakin ilmiöitä on mahdollista ymmärtää klassisesti eli klassisen fysiikan pohjalta. Esimerkiksi meidän tutkimuksessamme tarkastellaan hiukkasfysiikan mittakaavassa makroskooppisia objekteja eli raskaita atomien ytimiä”, Lappi havainnollistaa.

”Silloin osa siitä on klassista fysiikkaa, vaikka kvanttimekaniikka muodostaakin tarkastelun taustan. Raskasionifysiikka on siksi ymmärrettävissä helpommin klassisella intuitiolla kuin hiukkasfysiikka yleensä.”

Eskola kuvailee, miten hiukkasten tuotto tehtävissä kokeissa on puhtaasti kvanttimekaniikan hallitsemaa, mutta kun hiukkasia on riittävän paljon, kuvaan mukaan tulee myös virtausmekaniikka, joka on yhtä lailla puhtaasti klassista fysiikkaa.

Perinteisen yleistajuistetun käsityksen mukaan kvarkit ovat aina ”vangittuina”, toisiinsa kahlittuina, ja muodostavat esimerkiksi protoneja ja neutroneja. Kvarkkiaineen tutkimuksen huippuyksikössä tarkastelun kohteena ovat kuitenkin vapaat kvarkit. Miten se on selitettävissä?

”Kyllä kvarkit voivat olla vapaita, kunhan niitä lämmitetään tarpeeksi”, Lappi muistuttaa.

”Arkimaailmassa kvarkit ovat värivangittuina, koska hiukkasfysiikan mittakaavassa lämpötilat ovat silloin hyvin matalia. Jos kvarkkiaineen lämpötila nousee riittävän korkeaksi, kvarkit vapautuvat vankeudestaan.”

Värivankeudella ei ole mitään tekemistä näkemiemme värien kanssa. Kvarkkien ja gluonien välistä vahvaa vuorovaikutusta kuvaa kvanttiväridynamiikka, jonka mukaan kvarkeilla ja gluoneilla on värivaraukset.

Ne vastaavat sähkömagnetismia kuvaavan kvanttielektrodynamiikan sähkövarauksia. Kvarkkien varauksia on sovittu merkittävän sinisellä, punaisella ja vihreällä värillä jokseenkin yhtä mielivaltaisesti kuin kylmää vettä kuvataan sinisellä ja kuumaa punaisella värillä.

Jos kvarkkeja ja gluoneja saadaan aikaan riittävän paljon, niiden muodostaman plasman – riittävästi lämmitettynä – tiheys kasvaa niin suureksi, että yksittäiset kvarkit joutuvat tavallaan eksyksiin.

”Ne eivät enää tiedä, mihin hadroniin eli esimerkiksi protoniin tai neutroniin niiden pitäisi kuulua”, Eskola selittää.

Se on oleellista plasman muodostumisen kannalta. Kun kvarkit alkavat vuorovaikuttaa naapurihadronien kvarkkien kanssa, aineen rakenne tavallaan hajoaa, jolloin syntyy vapaiden kvarkkien ja vahvaa vuorovaikutusta välittävien gluonien muodostamaa uudenlaista ainetta, kvarkkiainetta.

”Hetkeksi”, Lappi korostaa. ”Plasma pysyy plasmana vain tietyn ajan, ja kun se jäähtyy, kvarkit muodostavat taas hadroneita.”

Lapin mainitsema ”tietty aika” on silmänräpäystäkin lyhyempi: noin 10^-23 sekuntia eli 0,000 000 000 000 000 000 000 01 sekuntia.

Tutkimusta vaikeuttaa lyhyen ”elinajan” ohella se, että kyse ei ole – Eskolan sanoin – ”samanaikaisesti vain yhdessä tiheydessä olevasta ’pallosta’, joka hetken laajenee ja sitten katoaa”.

Plasman reunoilla lämpötila on alhaisempi ja tiheys pienempi, joten siellä kvarkit ovat ”vangittuina” hadroneiksi. Keskiosissa on kuumempaa, mutta laajentuvan plasman lämpötila laskee, joten kaiken aikaa sen reunamilta sinkoutuu ulos hiukkasia.

”Samanaikaisesti esiintyy siis kaikkia ’kehitysvaiheita’: kvarkkigluoniplasmafaasia, hadronikaasufaasia ja sen lisäksi vapaita hiukkasia”, Eskola listaa.

Millaisista lämpötiloista sitten on kyse? Hiukkasfysiikassa ei kelvineistä yleensä puhuta, vaan energiamääristä eli elektronivolteista. Olomuodon muutoksessa eli faasitransitiossa plasmaksi lukema on 150 MeV eli 150 000 000 elektronivolttia. Kelvineiksi muutettuna se tarkoittaa 10¹² kelviniä eli 1 000 000 000 000 kelviniä.

Vertailun vuoksi Auringon keskustassa, missä vety muuttuu fuusioreaktioissa heliumiksi, lämpötila on noin 15 000 000 kelviniä.

Lukuarvot ovat kvarkkigluoniplasmassa sitä luokkaa, että on helppo ymmärtää, miksi vaatimukset hiukkaskiihdyttimien energiamääriksi ovat niin huimia.

Kun kyse on nimenomaan kineettisestä eli liike-energiasta, jopa raskailla ioneilla nopeuden on oltava suuri, hyvin lähellä valonnopeutta, jotta saataisiin aikaan hiukkasten tuottoon tarvittava energia. Toisin sanoen kyseessä ovat ultrarelativistiset raskasionitörmäykset.

Törmäyskokeissa käytetään raskaita atomiytimiä, joilla ei ole lainkaan elektroneja – esimerkiksi lyijyä. Törmäyksissä syntyvä aine on siis hyvin tiheää, ja siksi myös energiatiheys on hyvin suuri.

Korkeita lämpötila, suuria tiheyksiä, huimia energioita… Hakematta tulevat mieleen olosuhteet maailmankaikkeuden syntyhetkillä, alkuräjähdyksessä. Onko kvarkkiaineen tutkimuksella yhteyksiä kosmologian, maailmankaikkeuden synnyn ja rakenteen selvittelyn kanssa?

”Alkuräjähdyksessä oli kvarkkigluoniplasmaa, oikeastaan koko maailmankaikkeus oli aluksi pelkästään sitä plus muita hiukkasia, jotka eivät koe vahvaa vuorovaikutusta, mutta vain sekunnin murto-osien ajan. Ikävä kyllä tähtitieteelliset havainnot eivät kerro oikeastaan mitään silloisesta plasmafaasista”, Lappi harmittelee.

Eskola komppaa Lappia.

”Meidän tutkimuksellamme on mielenkiintoinen yhteys maailmankaikkeuden alkuhetkien olosuhteisiin, mutta se on kuitenkin aineen perusrakenteen tutkimusta, ei kosmologiaan liittyvää tarkastelua.”

Entäpä sitten kvarkkitähdet? Pelkästään kvarkeista koostuvat massiivisten tähtien jäänteet on tunnettu teoreettisesti 1960-luvun puolivälistä saakka, mutta toistaiseksi ainuttakaan ei ole varmuudella havaittu.

Kvarkkitähti voisi syntyä, kun massiivinen tähti luhistuu, jolloin paine ja lämpötila kasvavat niin paljon, että tuloksena ei ole neutronitähti, vaan hajonneista neutroneista vapautuneiden kvarkkien muodostama vielä tiheämpi taivaankappale.

Voisiko kvarkkitähdissä esiintyä samanlaisia ilmiöitä kuin huippuyksikön tutkimuskohteessa, kvarkkigluoniplasmassa?

”Kummassakin tapauksessa, sekä kvarkkigluoniplasmassa että kvarkkitähdissä, kvarkit ja gluonit vapautuvat värivankeudesta. Yhteys on ihan selvä ja niiden teoreettisessa tutkimuksessa on paljon yhteisiä piirteitä”, Lappi arvioi.

”Fysikaalisesti niiden välillä on silti merkittävä ero. Kvarkkitähdissä, joissa kvarkit vapautuvat suuren tiheyden ansiosta, niitä on enemmän kuin antikvarkkeja, mutta kvarkkigluoniplasmassa, jota muodostuu raskaiden ionien törmäyksissä esiintyvässä korkeassa lämpötilassa, niitä on yhtä paljon.”

Eskola muistuttaa, että yksi keskeinen ero on myös se, että kvarkkitähdissä lämpötila on hiukkasfysiikan näkökulmasta alhainen mutta kvarkkigluoniplasmassa hyvin korkea.

Vaikka teoreettinen tausta on sama, ilmiöt ovat erilaisia. Silti kaukaisia kvarkkitähtiä – jos niitä todella on olemassa – voidaan pitää eräänlaisina luonnon suomina tutkimuslaboratorioina. Niiden ”ohjailtavuus” on kuitenkin sattuneista syistä tyystin toista luokkaa kuin maanpäällisissä hiukkaskiihdyttimissä.

”Esimerkiksi CERNin LHC-kiihdyttimessä tehtävissä raskaiden ionien törmäyksissä lämmityksen määrää voidaan säädellä siten, että syntyvien hiukkasten määrät pystytään luokittelemaan. Kyse on niin sanotusta törmäysten keskeisyysluokittelusta”, Eskola kertoo.

Nokkakolareissa syntyy hyvin kuumaa plasmaa, sivuavissa eli periferisissä törmäyksissä hiukan viileämpää. Tällä tavalla saadaan lisää tietoa siitä, millaisia ilmiöitä plasmassa eri energioilla esiintyy.

Demokritos olisi varmasti ollut ihmeissään, jos olisi kuullut, miten lyijyatomien ydinten törmäyksiä voidaan luokitella.

”Ehkä Demokritos olisi pyörtänyt vähän puheitaan ja sanonut, ettei ollut tarkoittanut atomeita otettavaksi ihan niin tosissaan”, Lappi uumoilee.

”Samalla tavalla myös kvarkit olivat alkujaan vain matemaattinen työkalu alkeishiukkasten ’jaksollisen järjestelmän’ ymmärtämiseksi. Kesti aika pitkään, että niiden oivallettiin olevan olemassaolevia ja todellisia aineen perusosasia.”

Kuten tunnettua, ennustaminen on vaikeaa, etenkin tulevaisuuden, mutta onko näköpiirissä hiukkasmaailman ilmiöitä, joiden taustalta voi löytyä jotain täysin yllättävää?

”Ainahan voi tulla yllätyksiä, joita luonto on täynnä”, Lappi myöntää.

”Hiukkasfysiikassa tutkijayhteisön vallitseva näkemys on, että perusteoria eli kvanttiväridynamiikka on vankalla pohjalla. Mahdolliset yllätykset liittyvät siihen, millaisia ilmiöitä teoria sallii ja voi saada aikaan.”

Niin hiukkasfysiikassa kuin muillakin tieteenaloilla voi tulla yllätyksiä, mutta toisaalta monia asioita voidaan ennakoida. Esimerkiksi Higgsin hiukkasen löytyminen ei ollut kenellekään yllätys, sillä sitä etsittiin kymmeniä vuosia.

Eskola ottaa esimerkin tietynlaisesta yllätyksestä kvarkkigluoniplasman tutkimuksen alkutaipaleelta. Aiemmin sitä pidettiin ideaalina kaasuna, mutta kun sen käyttäytymistä alettiin ymmärtää paremmin, oivallettiin, että pitää ottaa huomioon myös sen viskositeetti eli miten plasma vastustaa virtausta.

”Ehkä sitä ei voi pitää varsinaisena yllätyksenä, mutta se oli silti ihan uusi tulos. Ja nyt ollaan tilanteessa, jossa voidaan puhua jo virherajoista, kun mitataan ja määritetään kvarkkigluoniplasman viskositeettia”, Eskola tähdentää.

Näinhän tiede etenee.

Yksittäiset kokeet eivät vielä murenna muutoin hyväksi todettua teoriaa, mutta jos havainnot sitkeästi viittaavat siihen, että jotain on pielessä, täytyy olla valmis muuttamaan teoriaa. Luonto kun ei ole väärässä.

•

Lue myös:

Löytyykö viides voima?

Syrjäytettiinkö suomalainen Oppenheimer? Fyysikko Lennart Simonsin tarina