Hiukkasfysiikan villi läpimurto: maailmankaikkeuden alkuhetket paljastuvat

Okei, mun täytyy kertoa sulle jotain huikeaa, mitä juuri tapahtui hiukkasfysiikan maailmassa. Tämä on paljon siistimpää kuin miltä kuulostaa. Napata kahvi käteen ja pysy mukana.

Maailmankaikkeuden räjähdysmäinen alku

Kuvittele tilanne: 13,8 miljardia vuotta sitten maailmankaikkeus syntyy tyhjästä. Niissä ensimmäisissä mikrosekunneissa – puhutaan siis miljoonasosasekunneista – kaikki oli mahdottoman kuumaa. Puhutaan biljoonien asteiden lämpötiloista. Siinä lämmössä säännöt menevät todella oudoiksi.

Nykyään me tunnetaan protonit, neutronit ja atomit. Mutta silloin alkuaikojen universumissa oli jotain aivan muuta: outo aine nimeltä kvarkki-gluoniplasma, eli QGP.

Mistä kaikki on tehty?

Kvarkit ja gluonit ovat kaikkein perustavimmat ainesosat, joita voi kuvitella. Ne ovat niitä palikoita, joista kaikki ympärilläsi on koottu – kahvimukisi, puhelimesi, kissasi, sinä itse. Mutta silloin ne eivät olleet kiinnittyneinä toisiinsa. Ne poukkoilivat vapaasti ympäriinsä tuossa ylikuumentuneessa hiukkassopassa, melkein valon nopeudella.

Sitten, lähes yhtä nopeasti kuin olivat syntyneet, kaikki jäähtyi. Kvarkit ja gluonit lukittuivat yhteen ja muuttuivat niiksi hiukkasiksi, joita meillä on tänäkin päivänä. Vuosikymmenten ajan tutkijat eivät pystyneet tutkimaan, miten tuo alkusoppa käyttäytyi. Teorioita oli, mutta suoraa näyttöä puuttui.

Alkeishiukkasten törmäyttämö Sveitsin alla

Tässä kohtaa homma menee mielenkiintoiseksi. Vuosisatojen ajan CERN:n Large Hadron Colliderilla työskentelevät fyysikot ovat tehneet jotain uskomatonta: he ovat jälleenluoneet alkumaailmankaikkeuden olosuhteita.

He törmäyttävät raskaita atomeja, kuten lyijyä, lähes valon nopeudella toisiinsa. Kun nämä törmäykset tapahtuvat, syntyy hetkellisesti – puhutaan sekunnin biljardisosan biljardisadosaosasta – pieniä pisaroita samaa kvarkki-gluoniplasmaa, jota oli olemassa miljardeja vuosia sitten.

Se on kuin aikakone, mutta sen sijaan että lähettäisi jotain taaksepäin, luot mikroskooppisia hetkittäiskuvia siitä, miltä kosmos näytti silloin kun se oli vielä vauvaikäinen.

Läpimurto: kvarkkien aaltojen havainnointi

Nyt tulee se osuus, joka on saanut fyysikot todella innostumaan. MIT:n johtama tutkimusryhmä, jota vetää Yen-Jie Lee, on juuri julkistanut jotain merkittävää: he ovat nähneet kvarkkien luovan aaltoja kulkiessaan plasman läpi.

Käytetään kuvaa, jonka kanssa kaikki voivat eläytyä. Heitä kivi lampeen. Aallot leviävät ympäriinsä. Uintiessaan ankan takana näkyy herkästi aaltomaista jälkeä.

Juuri näin tutkijat näkivät tapahtuvan subatomisella tasolla.

Kun kvarkki raketoi kvarkki-gluoniplasman läpi, se ei vain kulje suoraan. Plasma on niin tiheää ja yhteenkytkeytynyttä, että se reagoi kvarkin läsnäoloon. Kvarkki työntää alkuperäistä ainetta edessään ja luo aaltoja, roiskeita ja pyörteisiä liikkeitä.

Lee kuvasi sen osuvasti: "Plasma on uskomattoman tiheää, ja se pystyy hidastamaan kvarkkia sekä tuottamaan roiskeita ja pyörteitä kuin nestettä."

Tämä on iso juttu, koska se vahvistaa jotain, mitä teoreetikot ovat epäilleet vuosia: kvarkki-gluoniplasma ei käyttäydy kuin erilliset hiukkaset, jotka pomppivat toisistaan poikki. Se toimii yhtenäisenä, virtaavana aineena. Nesteeksi kutsuttuna. Kuumin neste, joka koskaan on ollut olemassa.

Miksi tätä ei havaittu aiemmin?

Saattaa kiinnostaa, miksi tämä ensimmäinen havainto tuli vasta nyt, jos kyseessä on niin perustavanlaatuinen ilmiö.

Rehellinen vastaus: sitä on äärimmäisen vaikea havaita. Kun tutkijat ovat aiemmin etsineet tätä vaikutusta, he ovat tyypillisesti katsoneet kvarkkien ja antikvarkkien pareja, odottaen molempien luovan havaittavat aallot. Ongelmana on, että kun kaksi hiukkasta syntyy vastakkaisiin suuntiin, toisen kvarkin aalto peittää helposti alleen toisen. Se on kuin yrittäisi kuulla kahta kuiskausta meluisassa huoneessa.

Lee ja hänen tiiminsä kehittivät nerokkaan uuden havaitsemenetelmän, joka antoi heille viimein mahdollisuuden erottaa kvarkkien aallot kaiken sen kaaoksen seasta, mitä hiukkastörmäyksissä syntyy.

Mitä tämä merkitsee?

Älä huoli, tällä on oikeasti merkitystä.

Ymmärtämällä kvarkki-gluoniplasman käyttäytymistä saadaan keskeisiä vihjeitä maailmankaikkeuden alkuhetkistä. Mittaamalla näiden aaltojen kokoa, nopeutta, ulottuvuutta ja häviämisnopeutta tutkijat voivat alkaa kartoittaa tämän alkuperäisen aineen ominaisuuksia.

Kuten Lee asian muotoili: "Tutkimalla kvarkkien aaltojen kimpoilua saamme uutta tietoa kvarkki-gluoniplasman ominaisuuksista. Tämän kokeen avulla otamme valokuvan tuosta alkuperäisestä kvarkkikeitosta."

Kyse on pohjimmiltaan 13,8 miljardin vuoden takaisesta kosmisesta valokuvasta, ja jokainen uusi tekniikka lisää kuvaan lisää yksityiskohtia.

Kaiken ydin

Tässä se nyt on: maailmankaikkeuden ensimmäiset hetket sisälsivät ainetta, joka virtasi kuin neste, reagoi sen läpi kulkeviin hiukkasiin ja oli olemassa vain hetkisen ennen jäähtymistään kaiken rakennuspalikoiksi.

Ja nyt, älykkään fysiikan ja valtavan hiukkaskiihdyttimen ansiosta, meillä on parempi käsitys siitä, miten kaikki alkoi.

Ei hullummin lajina, joka keksi tulen vain muutama sata tuhatta vuotta sitten.