Siteeratuimpia tutkijoita: Fysiikka, kemia ja avaruuden tutkimus

Fysiikka, kemia ja avaruuden tutkimus ovat aloja, joilla tutkimusta tehdään usein kansainvälisissä tutkimuskonsortioissa. Näissä tutkimuksissa kokeet ovat pitkiä, suuria ja kalliita, ja tutkimuskonsortioissa on mukana satoja tai yli tuhansia tutkijoita. Suurhankkeissa on yleensä päätetty, että kaikki kokeen jäsenet saavat allekirjoittaa kaikki kokeesta tulleet julkaisut. Näin tehdään, koska kaikki osallistuvat kokeiden suunnitteluun  – joka voi kestää jopa vuosikymmeniä.

Fysiikan tutkimuslaitoksen johtaja, kokeellisen alkeishiukkasfysiikan professori Paula Eerola (*1962) on urallaan eniten tutkinut B-kvarkkia ja sen antihiukkasta B-antikvarkkia. Hän on ollut mukana kehittämässä mittalaitteistoa Euroopan hiukkasfysiikan keskuksen Cernin LHC-hiukkaskiihdyttimen kehällä sijaitseville mittausasemille suurprojektin varhaisvaiheista lähtien.

Helsingin yliopiston väitöksensä jälkeen Eerola työskenteli Cernissä tutkijana vuodet 1991–97. Aluksi hän tutki silloisen LEP-törmäyttimen avulla Z0-bosonien hajoamista B-kvarkkeihin sekä kehitti LEP-törmäyttimeen liittyviä tutkimusmetodeja.

Tuolloin kuitenkin tiedettiin, että LEP-törmäytin tullaan lähivuosina ajamaan alas suuremman ja modernimman LHC-kiihdyttimen tieltä. Eerolakin alkoi tutkia, millaisilla koeasetelmilla ja mittareilla B-kvarkkeja voisi parhaiten tutkia LHC-kiihdyttimen kehän varrella ja osallistui ATLAS-mittausaseman suunnitteluun.

Vuodet 1998–2008 Eerola työskenteli Lundin yliopistossa erikoistutkijana ja professorina. Siellä hän kehitti edelleen ATLAS-mittausaseman laitteita ja koesuunnitelmia.

Vuonna 2008 Eerola aloitti Helsingin yliopistossa alkeishiukkasfysiikan professorina ja rupesi koordinoimaan yliopiston yhteistyötä LHC-kiihdyttimen kehällä sijaitsevan CMS-mittausaseman kanssa. Keskeinen tutkimuskohde oli yhä B-kvarkit.

Miksi juuri B-kvarkit?

B-kvarkin ja B-antikvarkin avulla yritetään ymmärtää hiukkasten ja antihiukkasten eroja.

Yksinkertaisissa fysiikan malleissa hiukkanen ja antihiukkanen nähdään sähkövarausta lukuun ottamatta samanlaisiksi. Tämä on kuitenkin epäkelpo selitys, koska näin täydellisessä symmetriassa maailmankaikkeutta ei olisi muodostunut, vaan kaikki hiukkaset ja antihiukkaset olisivat annihiloineet toisensa takaisin tyhjyydeksi.

Sittemmin hiukkasten ja antihiukkasten välillä on löytynyt joitain epäsymmetrioita, mutta ei riittävästi selittämään maailmankaikkeuden fysikaalista rakennetta.

B-kvarkit ja -antikvarkit ovat paras tapa tutkia (epä)symmetrioita, koska raskaina kvarkkeina niillä havaitaan suurempia ja selkeämpiä hajoamisefektejä kuin muilla kvarkeilla. B-kvarkin hajoamistuotteet on myös helpompi tunnistaa muiden hajoavien kvarkkien joukosta.

B-kvarkkikokeissa LHC-hiukkaskiihdyttimen suihkuputkessa törmäytetään kaksi liki valonnopeuteen kiihdytettyä protonikimppua. Törmäyksistä syntyy milloin mitäkin, mutta Eerola ryhmineen keskittyy tapauksiin, joissa syntyy B-kvarkki ja B-antikvarkki ja ne lähtevät sinkoamaan eri suuntiin.

Jo matkalla ne hajoavat B-mesoneiksi ja edelleen etupäässä pioneiksi, myoneiksi ja elektroneiksi, jotka jatkavat kulkuaan havaintolaitteiden läpi. Niihin syntyneistä jäljistä tutkijat yrittävät päätellä, millaisia B-kvarkit ja B-antikvarkit alun perin olivat ja miten ne hajosivat.

CMS-konsortiossa mukana olon vuoksi Eerola on mukana myös erittäin paljon siteeratuissa Higgsin hiukkasen löytöpapereissa vuodelta 2012.

Eerola itse kuitenkin, ensin väitöskirjassaan ja myöhemmin Helsingin tutkimusryhmänsä johtajana, on keskittynyt etsimään hieman toisenlaista Higgsin hiukkasta eli sähkövarauksellista Higgsin hiukkasta. Vuonna 2012 löydetty Higgs oli sähkövaraukseton, mutta ei ole pois suljettua, etteikö olisi olemassa sähkövarauksellisia sisar-Higgsejä.

Tällaisen löytäminen olisi suuri tieteellinen läpimurto ja vaatisi määrittämään monimutkaisemmin Higgsin hiukkaseen liittyvät teoriat.

Tähän mennessä sisar-Higgsiä ei ole missään löydetty. CMS-konsortio onkin julkaissut Helsingissä tehtyjä nollatuloksia – että eipä löytynyt. Tieteessä ylipäätään ja etenkin hiukkasfysiikassa tällainen "nollatutkimuskin" on tärkeää, koska alkeishiukkasista ei ole olemassa yksinkertaisintakaan arkipäivän tietoa, vaan kaikki ominaisuudet tai niiden puuttuminen on todistettava monimutkaisin kokein.

Koko kansainvälisen tutkijanuransa ajan Eerola on ollut yhden lapsen yksinhuoltaja.

Tutkija Paula Eerola: julkaisut ja aktiviteetit

Osallistuminen Euroopan avaruusjärjestön ESA:n maineikkaaseen Planck-satelliittiprojektiin ja erityisesti sen kosmologiapapereihin on nostanut havaitsevan tähtitieteen yliopistonlehtorin Mika Juvelan (*1967) yhdeksi Helsingin yliopiston siteeratuimmista tutkijoista.

Juvelan omaa erityisalaa ovat jo vuonna 1997 hyväksytystä väitöskirjasta lähtien olleet oman galaksimme Linnunradan ilmiöt: tähtienvälinen pöly ja se, kuinka tähtienvälisistä pilvistä syntyy tähtiä.

Juvelan uran aikana mittausmenetelmät avaruuspölyn havaitsemiseksi ovat kehittyneet huimasti ja Juvela on hyödyntänyt uusia laitteita ja tekniikoita ensimmäisten joukossa.

Vuonna  2008 Juvela kollegoineen havaitsi, että tähtienväliset pilvet lähettävät pölyhiukkasten sirottamaa infrapunasäteilyä. Jatkotutkimuksissa sama ilmiö on löydetty myös keski-infrapuna-aallonpituuksilla eli muutaman mikrometrin aallonpituuksilla. Tämä tarkoittaa, että pölypilvessä on vähintään muutaman mikrometrin kokoisia hiukkasia; hiukkanen nimittäin pystyy sirottamaan vain sellaista valoa, jonka aallonpituus on pienempi kuin hiukkasen koko.

Toisissa pölypilviytimissä kuitenkaan ei tätä sironnutta valoa nähty, mikä kertoo, että niiden hiukkaset ovat pienempiä kuin mikrometri. Havainnot osoittavat, että avaruudessa on eri tiivistymisvaiheessa olevia pölypilviä. 

Vallitsevan teorian mukaan tiivistymisen edetessä riittävän pitkälle pilven ytimen valtavassa painovoimassa käynnistyvät ydinreaktiot ja uusi tähti on syntynyt. Ennen tätä pistettä pilviydin tiivistyessään kuitenkin kylmenee kylmenemistään. Tiivis pilvi ei päästä läpi tähtien lämpösäteilyä, ja pilven tiivistyessä molekyylit törmäilevät enemmän, jolloin osa niiden liike-energiasta muuttuu molekyylin virittymiseksi ja virityksen lauetessa molekyyli lähettää fotonin avaruuteen, mikä energiahukka viilentää pilveä entisestään.

Kylmän aineen säteilyä ei maanpinnalta voi ilmakehän vuoksi havaita, mutta avaruudesta Planck-satelliitti herkkine mittalaitteineen pystyi tähän. Juvelalle merkittävin tulos Planck-missiosta on vuonna 2015 julkaistu luettelo noin 13 000 kylmästä, noin valovuoden suuruisesta kohteesta avaruudessa. Niissä luultavasti on käynnissä tiivistymisreaktio, joka johtaa lopulta tähtien syntyyn.

Planck-projektin maineikkain löydös oli vuonna 2013 julkaistu, entistä tarkempi kosminen mikroaaltokartta eli kartta kosmisesta taustasäteilystä, joka lähti liikkeelle 380 000 vuoden ikäisestä nuoresta maailmankaikkeudesta, kun ensimmäiset atomit muodostuivat ja maailmankaikkeus muuttui plasmapallosta läpinäkyväksi.

Vuoden 2013 mikroaaltokartta oli kuitenkin vain osatotuus, koska se laskettiin vain valon kokonaiskirkkauden avulla. Kosmisessa taustasäteilyssä myös polarisaatio sisältää tietoa varhaisesta maailmankaikkeudesta.

Linnunradan pölypilvien lähettämä säteily on kuitenkin sekin polarisoitunut. Polarisaatiohavainto siis kertoo paitsi kosmisesta taustasäteilystä myös siitä pölyfiltteristä, jonka läpi se kulkee.

Pölyfiltterin selvitys on kuitenkin hidasta ja vasta vuonna 2015 Planck-konsortio julkaisi astetta tarkemman kartan, jossa oli erotettu toisistaan kosminen taustasäteily ja avaruuspölyn vaikutus siihen.

Paitsi että pöly otettiin näin huomioon "häiriötekijänä", samalla pölypilvien rakenteesta ja polarisaatiosta saatiin arvokasta lisätietoa.

Havaintojen ohella Juvela tekee myös tietokonemallinnuksia. Hän simuloi pilvistä tulevaa säteilyä ja miltä sen tulisi näyttää teleskoopissa. Simulaatioita voi tarkentaa vertaamalla niitä aitoihin teleskooppihavaintoihin. Tässä prosessissa simulaatiot lopulta voivat paljastaa jotain todellista pölypilvien luonteesta ja siitä miten tähdet syntyvät.

Tutkija Mika Juvela: julkaisut ja aktiviteetit

Laskennallisen materiaalifysiikan professorin Kai Nordlundin (*1969) erikoisalaa on molekyylidynamiikka eli atomien liikkeen  simuloiminen tietokoneohjelmien avulla. Nordlund on tehnyt monella materiaalifysiikan osa-alueella ensimmäisenä tämäntyylisiä simulaatioita.

Nordlundin siteeratuin paperi on vuodelta 1996, post doc -ajalta Illinoisin yliopistosta, kun hän molekyylidynamiikan avulla simuloi, kuinka hiukkaskiihdyttimen säteily aiheuttaa eri tavalla vaurioita metalleihin ja puolijohteisiin. Puolijohteisiin syntyy vaurioita 10–100-kertainen määrä metalleihin verrattuna, koska metalliatomit pakkaantuvat tiiviimmin.

Vuosituhannen vaihteen paikkeilla Nordlund kollegoineen osoitti simulaatioilla, kuinka fuusioreaktorin satamiljoona-asteisesta plasmasta vuotavat kuumat hiukkaset vaurioittavat reaktorin hiilipohjaista seinämateriaalia. Tätä ennen teoreettisesti ajateltiin, että hiilen ei pitäisi hajota plasmavuodoista, vaikka kokeissa hiili aina hajosi.

Nordlund löysi uudentyyppisen fysikaalis-kemiallisen reaktion, jossa vetyatomi tulee kahden hiiliatomin väliin ja rikkoo niiden sidoksen, jolloin ylin hiili voi lentää ulos. Jälkikäteen ajatellen selitys oli ilmeinen, mutta kukaan ei ollut aiemmin tullut ajatelleeksi sitä.

Nordlund totesi, että fuusioreaktorissa hiiliseinämän rikkoutumista on mahdotonta välttää. Nykyisissä fuusioreaktoreissa sisin kerros onkin vaihdettu hiilestä volframiin ja muihin kestävämpiin materiaaleihin.

Pari vuotta sitten Nordlund huomasi simulaatioissaan, että reaktorin volframiseinään syntyvien vaurioiden kokojakauma seuraa yksinkertaista potenssilakia, ja myös tämä on sittemmin kokeellisesti todistettu.

Lukuunottamatta post doc -vuosiaan Yhdysvalloissa Nordlund on vuodesta 1992 eli väitöstutkimuksensa alusta alkaen työskennellyt koko uransa samassa huoneessa Kumpulan hiukkaskiihdytinlaboratoriossa. Nordlundin vaimo dosentti Flyura Djurabekova työskentelee naapurihuoneessa. Pariskunnan työpäivät venyvät 10–12-tuntisiksi.

Kumpulan paikkasidonnaisuuden vastapainoksi Nordlundille kertyy noin sata ulkomaanmatkapäivää vuodessa. Vierailuilla ja konferenssimatkoilla hän pohjustaa yhteistyötä materiaalifysiikan muiden huippututkimusryhmien kanssa.

Tutkija Kai Nordlund: julkaisut ja aktiviteetit