Väitös: Kvarkkiaineen tutkiminen pien- ja raskasionitörmäytyksillä (Virta)
Kaikki tuntemamme aine koostuu atomeista, joiden ytimet muodostuvat protoneista ja neutroneista. Nämä niin kutsutut nukleonit vuorostaan muodostuvat vielä pienimmistä osasista nimeltään kvarkit. Jokapäiväisissä tilanteissa kvarkit ovat sidottuina nukleoneihin, eivätkä voi liikkua vapaasti. Ainoastaan suurenergisillä raskasionitörmäyttimillä voidaan saavuttaa vaadittavat olosuhteet, joissa kvarkit vapautuvat atomien ytimien protoneista ja neutroneista.
Tällaisia törmäyttimiä on maailmassa vain muutama, yksi Yhdysvalloissa Brookhavenin laboratoriossa (Relativistic Heavy-Ion Collider, RHIC) sekä toinen Sveitsissä CERN:issä (Large Hadron Collider, LHC).
Ainetta äärimmäisissä olosuhteissa
Maxim Virran väitöstutkimus Jyväskylän yliopistossa tarkastelee, miten raskasionitörmäytyksissä muodostuva aine käyttäytyy äärimmäisissä olosuhteissa, joissa tavalliset protonit ja neutronit hajoavat kvarkeiksi ja gluoneiksi. Tätä olomuotoa kutsutaan kvarkki-gluoni-plasmaksi (QGP), ja sen tutkimus auttaa ymmärtämään maailmankaikkeuden ensimmäisiä hetkiä.
Tutkimus on tehty osana ALICE-kokeen kansainvälistä yhteistyötä CERN:in suurella hadronitörmäyttimellä (LHC). Maxim Virta analysoi raskasydintörmäyksiä ja mallilaskelmia selvittääkseen, miten kvarkki-gluoni-plasma syntyy, laajenee ja jäähtyy.
Tulokset antavat uutta tietoa myös atomiydinten sisäisestä rakenteesta ja tukevat havaintoja, joiden mukaan ksenon-129-ytimellä on ellipsoidin muotoinen ja kolmiakselinen rakenne.
”Kvarkki-gluoni-plasma tarjoaa ikkunan maailmankaikkeuden alkuun – siihen aikaan, jolloin aine oli vielä hyvin erilaista kuin nykyään,” sanoo Virta.
Edistyneet analyysimenetelmät
Väitöstutkimus ylittää perinteisen kokeellisen työn hyödyntämällä laajoja mittauksia bayesilaisen analyysin kanssa. Tämä lähestymistapa mahdollistaa useiden havaintojen samanaikaisen tarkastelun, jotta sekä QGP:n ominaisuuksista, että ytimien rakenteesta voidaan saada tarkempaa tietoa. Samalla epävarmuudet voidaan arvioida järjestelmällisesti ja teoreettisia malleja rajoittaa tehokkaammin.
Tutkimus edistää ymmärrystämme aineen käyttäytymisestä äärimmäisissä lämpötiloissa ja tiheyksissä sekä haastaa olemassa olevia teoreettisia malleja. Se on osa ALICE-kollaboraation laajaa pyrkimystä kuvata vahvasti vuorovaikuttavan aineen ominaisuuksia ja kehittää tarkempia malleja ydinfysiikkaan.
FM Maxim Virran väitöskirjan "Investigating the QCD matter properties with measurements from various collision systems" tarkastustilaisuus on fysiikan laitoksella FYS1-salissa 24.10.2025 kello 12. Vastaväittäjänä toimii professori Sangyong Jeon (McGill University) ja kustoksena yliopistonlehtori Dong Jo Kim Jyväskylän yliopistosta. Väitöstilaisuuden kieli on englanti.
