Turun yliopiston uusi teoreettisen fysiikan professori Risto Paatelainen on käyttänyt lähes kymmenen vuotta yhden hiukkasfysiikan avoimen kysymyksen parissa. Hän on pyrkinyt selvittämään, voiko neutronitähtien äärimmäisissä tiheyksissä syntyä niin sanottua kvarkkiainetta. Vastaus alkaa olla lähellä.
Lähdetään liikkeelle alusta. Varhaisessa maailmankaikkeudessa, pian alkuräjähdyksen jälkeen, aine oli äärimmäisen kuumaa ja tiheää. Olemassa olleet alkeishiukkaset kvarkit ja gluonit muodostivat niin sanotun kvarkki-gluoniplasman.
Kun maailmankaikkeus laajeni ja jäähtyi, kvarkit sitoutuivat toisiinsa muodostaen protoneita ja neutroneita. Lopulta näistä syntyivät atomit, ja satoja miljoonia vuosia myöhemmin tähdet ja planeetat – eli kaikki se aine, josta ihmiset, maapallo ja koko maailmankaikkeuden näkyvät rakenteet koostuvat.
Vastaava muutos voi tapahtua myös toiseen suuntaan. Kun aine puristuu riittävän tiiviiksi, protonien ja neutronien rakenne voi rikkoutua, ja niiden sisäiset osat muodostavat uuden olomuodon, kvarkkiaineen. Sen ominaisuuksia ei tunneta vielä kunnolla.
Tätä luonnon perusvoimaa, joka sitoo kvarkit protoneiksi ja neutroneiksi, kutsutaan vahvaksi vuorovaikutukseksi. Ja juuri tämä vahva vuorovaikutus on Paatelaisen tutkimuksen keskiössä.
Paatelainen tutkii, miten tämä vuorovaikutus toimii olosuhteissa, joita esiintyy vain kaikkein tiheimmissä tunnetuissa kohteissa, neutronitähtien sisällä.
Mahdollinen ratkaisu olisi fysiikan kannalta merkittävä läpimurto.
Neutronitähdet ovat massiivisten tähtien romahtaneita jäänteitä. Niissä aine on puristunut niin tiiviiksi, että jo teelusikallinen tätä ainetta painaisi miljardeja tonneja. Tällaisessa puristuksessa aineen rakenne voi muuttua perusteellisesti.
Tällaisia olosuhteita ei pystytä luomaan laboratoriossa. Keskeinen avoin kysymys onkin, esiintyykö kvarkkiainetta todella neutronitähtien sisällä. Paatelaisen tutkimuksessa kehitetään teoreettisia menetelmiä, joilla voidaan ennustaa aineen käyttäytymistä näissä olosuhteissa.
– Olen laskenut tähän samaan kysymykseen liittyvää ongelmaa melkein kymmenen vuotta, mikä kuulostaa ehkä aika hurjalta, Paatelainen naurahtaa.
Työ on tuottanut useita julkaisuja alan johtavissa kansainvälisissä tiedelehdissä, ja tulokset ovat tarkentuneet vähitellen.
– Olemme nyt vaiheessa, jossa vastaus alkaa olla näköpiirissä. On mahdollista, että lähivuosina pystymme ratkaisemaan tämän kysymyksen. Kvarkkiaineen tunnistaminen neutronitähtien sisällä kertoisi, miten vahva vuorovaikutus toimii äärimmäisissä tiheyksissä ja auttaisi ymmärtämään näiden tähtien rakennetta, Paatelainen sanoo.
Mahdollinen ratkaisu olisi fysiikan kannalta merkittävä läpimurto.
Turku tutkimuksen eturintamassa
Paatelainen aloitti fysiikan professorina Turun yliopistossa huhtikuun alussa. Hän tuo mukanaan uuden hiukkasfysiikan tutkimuslinjan sekä kansainvälisesti arvostetun Euroopan tutkimusneuvoston ERC:n rahoittaman Consolidator Grant -hankkeen.
Yksi syy Turkuun siirtymisen taustalla on turkulainen huippuosaaminen neutronitähtifysiikassa. Turun, Helsingin ja Jyväskylän yliopistot ovat käynnistäneet alan huippututkimusyksikön, jota rahoittaa Suomen Akatemia.
– Teorian rinnalla tarvitaan tarkkoja havaintoja esimerkiksi neutronitähtien massoista, säteistä ja gravitaatioaalloista. Turussa on vahvaa osaamista juuri tällaisissa havainnoissa, mikä mahdollistaa entistä tiiviimmän yhteistyön teorian ja havaintojen välillä.
CERNistä neutronitähtiin
Paatelainen ei vielä lapsena haaveillut hiukkasfysiikan urasta. Anjalankoskella varttunut Paatelainen oli kouluikäisenä yhtä kiinnostunut jalkapallosta kuin matemaattisista aineista.
Tärkeä innoittaja löytyi läheltä jo nuorena. Paatelainen vieraili usein isovanhempiensa luona, ja isoisä harrasti loogisia päättelytehtäviä.
– Hän antoi usein näitä ongelmia myös minulle ratkaistavaksi. Sieltä varmaan juontaa se tietty ajattelutapa, jota fyysikko tarvitsee. Lukioaikana kiinnostus luonnontieteisiin vahvistui entisestään, Paatelainen kertoo.
Opiskelupaikaksi valikoitui Jyväskylän yliopisto. Opintojen aikana kiinnostusta ruokki opettajien innostus omaan alaansa, mikä rohkaisi Paatelaistakin tutkijan uralle. Vahvan vuorovaikutuksen pariin hän päätyi jo väitöskirjavaiheessa. Väitöksen aihe liittyi kvarkki-gluoniplasman ominaisuuksien ymmärtämiseen korkeissa lämpötiloissa.
Väitöksen jälkeen Paatelaisen tie vei ulkomaille, muun muassa Sveitsiin CERNiin, maailman suurimpaan hiukkaskiihdytyslaboratorioon.
Palataan taas hetkeksi alkuräjähdykseen, alkeishiukkasplasmaan ja aineen eri olomuotoihin.
– Fysiikan perusilmiöihin kuuluu, että aineen olomuoto muuttuu, kun olosuhteita muutetaan. Esimerkiksi vesi muuttuu lämmitettäessä höyryksi. Tutkimani kvarkki-gluoniplasma on aineen olomuoto, jota ei normaaliolosuhteissa esiinny, vaan sitä voi muodostua vain alkuräjähdyksen kaltaisissa äärimmäisen korkeissa lämpötiloissa tai tiheyksissä. CERNissä tämän alkeishiukkasplasman hetkellisestä muodostumisesta on saatu vahvaa näyttöä hiukkaskiihdytyskokeissa raskasionitörmäyksissä, Paatelainen kertoo.
CERNin vuosinaan Paatelainen tutki kvarkkiaineen teoriaa ja osallistui hiukkastörmäytyskokeiden analysointiin.
– CERNissä näitä ilmiöitä mitataan laboratoriossa. Oma tutkimukseni on sittemmin keskittynyt siihen, voiko vastaava ilmiö esiintyä luonnossa, erityisesti neutronitähtien sisällä, Paatelainen sanoo.
Uusi mysteeri odottaa
CERNin jälkeen Paatelainen jatkoi tutkimustaan Helsingin yliopistossa akatemiatutkijana. Turun yliopisto on hänelle uusi paikka, mutta Turun seutu on tullut tutuksi jo aiemmin.
– Olen asunut täällä jo useamman vuoden. Puolisoni työskenteli täällä jo ennestään, joten Turku oli meille luonteva valinta.
Näköpiirissä on muitakin uusia alkuja. Jos lähes kymmenen vuoden ponnistus on pian valmis, niin joko tutkija tietää minne katse seuraavaksi kohdistuu?
– Voi olla, että hetken aikaa vedetään henkeä. Mutta on minulla jo visio seuraavista askelista, ja oikeastaan olen niitä jo alkanutkin tehdä, Paatelainen vihjaa.
Paatelaisen tutkimusryhmän kehittämiä teoreettisia laskentamenetelmiä voidaan soveltaa myös laajempiin perusfysiikan kysymyksiin.
– Yksi iso kysymys on, että onko maailmankaikkeudessa mahdollisesti uusia hiukkasia, joita ei vielä tunneta. Kaikki havainnot eivät selity nykyisellä standardimallilla, joten on todennäköistä, että sen ulkopuolella on vielä tuntematonta fysiikkaa, Paatelainen sanoo.
Parhaassa tapauksessa uudet löydöt voisivat tarkoittaa nykyisen fysiikan standardimallin laajentamista.
Esimerkiksi hän antaa pimeän aineen. Maailmankaikkeudesta noin viisi prosenttia on näkyvää ainetta, ja loput 95 prosenttia koostuu pimeästä aineesta ja pimeästä energiasta.
Toistaiseksi kukaan ei ole pystynyt vastaamaan siihen, mitä tämä aine on – Paatelainen haluaisi.
– Jotta me voisimme löytää tähän vastauksia, tarvitsemme taas uusia entistä tarkempia havaintoja. Jos tällaisia uusia hiukkasia tai vuorovaikutuksia on, ne ovat voineet vaikuttaa varhaisen maailmankaikkeuden kehitykseen ja aiheuttaa voimakkaita faasimuutoksia. Nämä muutokset voivat jättää jälkeensä gravitaatioaaltoja, joita voidaan tulevaisuudessa havaita esimerkiksi tulevalla LISA-avaruusobservatoriolla.
Uudet havainnot ovat yksi osa palapeliä. Sen lisäksi tarvitaan taas tarkka teoria.
– Kehittämämme teoreettiset menetelmät auttavat kuvaamaan näitä muutoksia tarkasti. Näin voimme ennustaa, millaisia gravitaatioaaltosignaaleja eri teoriat tuottaisivat ja verrata niitä havaintoihin.
Gravitaatioaaltojen tutkimus on laajaa kansainvälistä yhteistyötä, jossa tuhannet tutkijat ympäri maailmaa etsivät vastauksia. Parhaassa tapauksessa uudet löydöt voisivat tarkoittaa nykyisen fysiikan standardimallin laajentamista. Kyse olisi yhdestä fysiikan suurimmista läpimurroista.
Teksti: Liisa Reunanen
Kuvat: Suvi Harvisalo
