Luonto ei ole aina tasapainossa

Arkipäivästä tuttu esimerkki epätasapainoilmiöstä on veden kiehuminen, jossa vesi muuttaa olomuotoaan nestemäisestä kaasumaiseksi. Kyseessä on niin kutsuttu faasitransitio, joita esiintyy luonnossa monissa muodoissa. Vähemmän arkisia esimerkkejä ovat varhaisessa maailmankaikkeudessa tapahtuneet sähköheikon ja vahvan vuorovaikutuksen faasitransitiot, joista ensimmäisessä hiukkaset saivat massansa ja toisessa kvarkkigluoniplasmasta muodostui hadroneita. Tällaisten hiukkastason epätasapainoilmiöiden teoreettinen kuvaileminen on äärimmäisen haastavaa.

- Vaikeus tulee siinä, että hiukkasteorian tyypillisiä yksinkertaistuksia, kuten esimerkiksi oletusta hyvin määritellyn lämpötilan olemassaolosta, ei voida tehdä, kertoo väitöskirjatutkija Olli Koskivaara Jyväskylän yliopiston fysiikan laitokselta.

Ilmiöiden tarkka ymmärtäminen on tärkeää, sillä esimerkiksi aineen ja antiaineen epäsymmetria on saattanut syntyä juuri sähköheikon vuorovaikutuksen faasitransition yhteydessä. Tämä olemassaolomme kannalta olennainen kysymys aineesta on yksi fysiikan suuria ratkaisemattomia ongelmia.

Uudet tekniikat auttavat epätasapainoilmiöiden tutkimista

Fysiikan alan väitöskirjassaan Koskivaara kehitti kvanttikenttäteoreettisia työkaluja, joiden avulla epätasapainoilmiöitä voidaan tutkia fundamentaalilla tasolla. Erityisesti kvanttikoherenssiefektit, jotka ovat olennaisessa roolissa faasitransitioihin liittyvässä hiukkastuotossa, ymmärretään tutkimusryhmässä kehitetyn cQPA-formalismin myötä entistä paremmin.

Koskivaara sovelsi kehittämiään menetelmiä myös kosmisen inflaation ja pimeän aineen tutkimiseen. Tulosten perusteella kvantti-ilmiöt, jotka usein jätetään vaikeutensa vuoksi käsittelemättä, voivat vaikuttaa merkittävin tavoin tutkittavan systeemin käytökseen.

- Väitöskirjassa kehitetyt tekniikat tarjoavat kattavan ja helposti yleistettävän kokonaisuuden epätasapainoilmiöiden tarkkaan kvanttikenttäteoreettiseen analyysiin, selventää Koskivaara.

FM Olli Koskivaaran väitöskirja ”Non-equilibrium quantum phenomena in the early universe” tarkastetaan 28.4.2023 klo 12 fysiikan laitoksen luentosalissa FYS1. Vastaväittäjänä toimii professori Anders Tranberg (Stavanger University, Norja) ja kustoksena professori Kimmo Kainulainen (Jyväskylän yliopisto). Väitöstilaisuuden kieli on englanti.

Julkaisutiedot

Väitöskirja “Non-equilibrium quantum phenomena in the early universe” on luettavissa JYX-julkaisuarkistossa:https://jyx.jyu.fi/handle/123456789/86413