Kuumaa kvarkki-gluonisoppaa atomien törmäyksistä

Maailmankaikkeuden ensimmäisen mikrosekunnin eli sekunnin miljoonasosan aikaista tilaa on mallinnettu Yhdysvalloissa tehdyssä kokeessa. Suurella energialla toisiaan vasten ammuttujen kulta-atomien törmäyksessä atomiytimien rakenneosat, protonit ja neutronit saadaan hajoamaan osatekijöihinsä, kvarkeiksi ja gluoneiksi. RHIC-kiihdyttimellä tehdyssä kokeessa havaittiin syntyneessä kvarkki-gluoniplasmassa pieniä epäsymmetrioita, jotka kertovat aineen ja antiaineen epätasapainosta. Tämä epätasapaino selittää miksi maailmankaikkeudessa on enemmän ainetta ja niistä syntyneitä hiukkasia, atomeja, tähtiä ja galakseja - sekä ihmisiä.

New Yorkin osavaltiossa Brookhavenin kansallisessa laboratoriossa sijaitsevassa neljän kilometrin mittaisessa RHIC-kiihdyttimessä törmäytetään kulta-atomisuihkuja toisiinsa 200 GeV:n energialla. Se on Euroopan hiukkastutkimuskeskuksen CERN uuden LHC-kiihdyttimen raskasionikiihdytystä odotellessa korkein törmäysenergia massiivisilla atomeilla. Törmäyksiä on tehty vuodesta 2000, mutta tulosten tulkinnassa tarvittavia havaitsimia on kehitetty ja parannettu jatkuvasti. Siksi uutta tietoa saadaan koko ajan.

Yhdysvaltain fyysikkoseuran APS:n kokouksessa esitellyissä tuloksissa raportoidaan ensimmäisen kerran kvarkki-gluoniplasman lämpötila, joka on noin 4 miljoonaa miljoonaa astetta eli 4x10exp12 K. Se joudutaan päättelemään epäsuorasti kuumasta massasta säteilevän gammasäteilyn avulla. Kuumin kohta on noin 250 000 kertaa korkeampi kuin lämpötila auringon keskellä ja 40 kertaa korkeampi kuin räjähtävän supernovatähden keskustassa. CERNin LHC-kiihdyttimessä tullaan törmäyttämään lyijyatomeja ja korkeammalla törmäysenergialla tullaan saavuttamaan kaksi-kolme kertaa korkeampi lämpötila kuin RHIC-kiihdyttimellä.

Kvarkit ovat neutronien ja protonien rakennehiukkasia, gluonit ovat niitä tiukasti koossapitäviä ns. liimahiukkasia. Ensimmäiset teoriat ennustivat että protonien ja neutronien hajotessa syntyvä kvarkki-gluoniplasma olisi ”kaasumaista” eli hiukkaset liikkuisivat melko lailla toisistaan riippumatta. Muutama vuosi sitten todettiin kuitenkin että plasma on pikemmin kuin nestettä, jossa hiukkaset ovat voimakkaassa vuorovaikutuksessa mutta liukuvat toistensa ohi lähes kitkattomasti eli kyse on eräänlaisesta supernesteestä.

RHIC-kiihdyttimen kulta-atomien törmäyksessä luotu tila vastaa noin mikrosekunnin ikäistä maailmankaikkeutta ja tila kesti ehkä pari mikrosekuntia. Sitten lämpötila oli laskenut niin paljon että hiukkaset alkoivat yhdistyä protoneiksi ja neutroneiksi. Kokeellinen kvarkki-gluoniplasma pystytään tuottamaan vain erittäin lyhyeksi ajaksi, joka kestää arviolta 10exp(-21) sekuntia. Aika on lyhyempi kuin valolta kuluu protonin pituisen matkan kulkemiseen. Tilaa pystytään kuitenkin tutkimaan mittamaalla siinä syntyneiden tuhansien hiukkasten ja fotonien ominaisuuksia erilaisilla havaitsimilla.

Tulosten perusteella kuumassa plasmassa on pieniä "kuplia", joissa kvarkkien ja gluonien tavanomainen ns. peilisymmetria eli pariteettisymmetria on rikkoutunut. Aiemmissa kvarkkien ja gluonien käyttäytymistä mittaavissa kokeissa symmetria on ollut paikallaan. Tällaisia kuplia on ennustettu teoreettisesti esiintyvän erittäin korkeissa lämpötiloissa, missä aineen olomuoto on muuttumassa toiseksi. Teorioiden mukaan kuplissa olevalla materialla voisi olla erilainen symmetria kuin kuplan ulkopuolella olevassa materiassa minkä vuoksi kuplan materia käyttäytyisi eri lailla kuin ulkopuolinen materia.

Toisella RHIC-kiihdyttimen havaintolaitteella todettiin että myös ns. varauksen pariteettisymmetria eli CP-symmetria on rikkoutunut paikallisesti kvarkki-gluoniplasmassa. Heikkoja merkkejä CP-symmetrian rikkoutumisesta on todettu jo aiemmin joissain hiukkaskiihdyttimillä tehdyissä kokeissa. Ne kokeet sen paremmin kuin nytkään todettu CP-symmetrian rikkoutuminen ei riitä vielä selittämään aineen ja antiaineen epätasapainoa maailmankaikkeudessa. Uudet havainnot auttavat kuitenkaan selvittämään symmetriarikkoa aiempaa tarkemmin.

(YLE tiede, Physical Review Letters, APS Meeting)