Veden kiehuminen ja metallin sulaminen ovat esimerkkejä olomuodon muutoksista, joita kutsutaan myös nimellä faasitransitio. Ne ovat paitsi hyvin yleisiä myös kiehtovia ilmiöitä ja tutkijat tuntuvat löytävän niistä lisää ammennettavaa vuosikymmenistä toiseen. Tyypillisesti tällainen faasitransitio tapahtuu, kun aineen lämpötilan muuttuessa muodostuu kuplia, jotka sitten laajenevat ja törmäilevät kunnes koko tila on täytetty uudella olomuodolla.
Hyvin varhaisessa maailmankaikkeudessa oli kuumaa plasmaa, joka jäähtyi maailmankaikkeuden laajetessa. Aiemmin fyysikot ovat ehdottaneet, että tämän jäähtymisen seurauksena tapahtui faasitransitio. Kuuman plasman sisälle syntyisi kuplia, jotka laajenisivat nopeammin kuin maailmankaikkeuden eri alueet erkanisivat ja jäljelle jäisi vain aineen uusi olomuoto. Tällainen faasitransitio tuottaisi ryppyjä itse maailmankaikkeuden rakenteeseen eli syntyisi gravitaatioaaltosäteilyä, joka voitaisiin havaita esimerkiksi tulevassa gravitaatioaaltojen havaitsemiseen tarkoitetussa LISA tutkimushankkeessa.
Varhaisen maailmankaikkeuden faasitransitioiden kuvailu lähtien hiukkasfysiikan teorioista on kuitenkin haastavaa. Helsingin yliopiston sekä Fysiikan tutkimuslaitoksen tutkijat Oscar Henriksson, Mark Hindmarsh sekä Niko Jokela, yhdessä Oviedon sekä Sussexin yliopiston tutkijoiden kanssa, oivalsivat käyttää hyväkseen ns. holografista dualiteettia, jonka juuret ulottuvat säieteoriaan. Holografisen työkalun avulla tämä haastava fysiikan ongelma voidaan pukea yksinkertaisempaan muotoon tilanteissa, joissa vuorovaikutukset aineessa ovat vahvoja.
Tutkimusryhmä osoitti, että holografian keinoin pystytään selvittämään kuplien tärkeimmät ominaisuudet, joita tarvitaan gravitaatioaaltosignaalin laskemiseksi. Tulevaisuudessa tuloksia voidaan soveltaa suoraan hyvinkin realistisiin tilanteisiin, joissa lähtökohdiksi voitaisiin ottaa jokin hiukkasfysiikan standardimallin laajennuksista.
Tutkimusryhmän tulokset julkaistiin 29.3.2022 arvostetussa Physical Review Letters -lehdessä. Ryhmä jatkaa vielä työtään viimeisen tarvittavan suureen määrittämiseksi, kuplan etenemisnopeuden, jotta varhaisen maailmankaikkeuden faasitransitio ja siitä saatava gravitaatioaaltosignaali saadaan selvitettyä täysin käyttäen perustavanlaatuista analyysiä.
Artikkeli lehdessä:
Gravitational Waves at Strong Coupling from an Effective Action, Fëanor Reuben Ares, Oscar Henriksson, Mark Hindmarsh, Carlos Hoyos, and Niko Jokela, Phys. Rev. Lett. 128, 131101 – Published 29 March 2022