Uudet tarkemmat tietokonemallit avaavat varhaisen maailmankaikkeuden materiaa

Atomien ytimien törmätessä lähes valon nopeudella muodostavat ne uuden aineen olomuodon, kvarkkigluoniplasman, jossa kvarkit ja gluonit vapautuvat protoneista ja neutroneista. Kvarkkigluoniplasma on olemassa vain hyvin lyhyen aikaa, kunnes se jäähtyy ja muodostuu pitkäikäisiä, mittalaitteilla havaittavia hiukkasia. Tämän erityislaatuisen aineen ominaisuuksia voidaan selvittää vertaamalla tietokonesimulaatioita kokeissa tehtyihin havaintoihin.  Jos törmäävien suurille energioille kiihdytettyjen atomiytimien ominaisuudet, kuten tiheys ja muoto, tunnetaan, voidaan plasman muodostuminen ja sen virtaus simuloida supertietokoneilla. 

Kvarkki-gluoniplasma kertoo varhaisen universumin tarinaa 

Jyväskylän yliopisto on osallistunut kansainväliseen tutkimukseen, jossa on parannettu tietokonemalleja, jotka simuloivat alkuolosuhteita sekä koko törmäysdynamiikkaa. Tutkijat ratkaisivat yhtälöt, jotka kuvaavat, miten törmäävien protonien ja ytimien sisäinen rakenne muuttuu törmäysenergian kasvaessa. Päivitetyt mallit kuvaavat aiempaa realistisemmin kvarkkigluoniplasman syntyä. 

- Tutkimuksemme auttaa paljastamaan, miten ydinaine käyttäytyy äärimmäisissä olosuhteissa, kuten hiukkaskiihdytinkokeissa tai varhaisessa maailmankaikkeudessa, kertoo tutkimukseen osallistunut apulaisprofessori Heikki Mäntysaari Jyväskylän yliopistolta.   

Tutkimus harppaa eteenpäin kokeellisen ja teoreettisen yhteistyön myötä 

Uudet mallit vastaavat paremmin kokeellisia mittauksia, joita on tehty Brookhavenin kansallisesta laboratoriosta (Brookhaven National Laboratory, BNL) ja Euroopan hiukkasfysiikan tutkimuskeskuksesta (CERN).   

- Yhdistämällä eri kiihdyttimissä eri törmäysenergioilla tehtyjen kokeiden tulokset teoreettisiin edistysaskeliin, avaa tutkimus oven kvarkki-gluoniplasman ominaisuuksien tarkempaan selvittämiseen. Erityisellä mielenkiinnolla odotamme ensi vuosikymmenellä Brookhavenissa käynnistyvän elektroni-ydin-törmäyttimen mittauksia. Monipuoliset mittaukset parantavat ymmärrystämme aineesta äärimmäisissä olosuhteissa, selventää Mäntysaari.  

Jyväskylän kvarkkitutkimus kansainvälistä huippua 

Jyväskylän yliopistossa toimii Suomen Akatemian rahoittama kvarkkiaineen tutkimuksen huippuyksikkö, joka on kansainvälistä kärkeä. Perimmäinen tavoite on oppia ymmärtämään yhtä luonnon neljästä perusvaikutuksesta, vahvaa vuorovaikutusta tavallisen aineen perimmäisten rakenneosien, kvarkkien ja gluonien välillä. 

- Suuret hiukkaskiihdytinkokeet ovat yhä monimutkaisempia, ja siksi on entistä tärkeämpää, että kaikki osapuolet ymmärtävät, mitä mitataan ja miten ilmiöitä mallinnetaan teoreettisesti. Tämä on myös meidän kvarkkiaineen tutkimuksen huippuyksikön vahvuus, sen kootessa teoreetikot yhteen CERNissä mittauksia tekevien kokeilijoiden kanssa. Yhteinen ymmärrys vie tutkimusta eteenpäin ja auttaa tekemään luotettavampia johtopäätöksiä, toteaa Mäntysaari.  

Tutkimus on osa Mäntysaarelle myönnettyä Euroopan tutkimusneuvoston Consolidator Grant –rahoitusta. Tutkimusta rahoitti myös Suomen Akatemia. 

Artikkelin tiedot: 

• Collision-Energy Dependence in Heavy-Ion Collisions from Nonlinear QCD Evolution, Physical Review Letter, 10.7.2025
• Linkki artikkeliin: https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/gf4y-p5j7
• DOI numero: https://doi.org/10.1103/gf4y-p5j7