De mest citerade forskarna inom fysik, kemi och astronomi

Direktören för Forskningsinstitutet för fysik och professorn i experimentell elementarpartikelfysik Paula Eerola (*1962) har under sin karriär främst forskat i b-kvarken och dess antikvark. Hon har deltagit i utvecklingen av mätinstrument till de mätstationer som finns runt Europeiska organisationen för kärnforskning CERNs partikelacceleratorring sedan det massiva projektets start.

Efter att ha disputerat vid Helsingfors universitet arbetade Eerola som forskare vid CERN från 1991 till 1997. Under sin första tid vid CERN undersökte hon med hjälp av LEP-acceleratorn hur z0-bosoner sönderfaller till b-kvarkar, och utvecklade forskningsmetoder i anknytning till LEP-acceleratorn.

Redan då visste man att LEP-acceleratorn skulle ersättas av den större och modernare partikelacceleratorn LHC. Även Eerola började utreda med vilka försöksuppställningar och vilka mätare man bäst kan undersöka b-kvarkar i LHC, och hon deltog också i planeringen av mätstationen ATLAS.

Från 1998 till 2008 arbetade Eerola vid Lunds universitet som specialforskare och professor. Där vidareutvecklade hon experiment och instrumenten i ATLAS.

År 2008 blev Eerola professor i elementarpartikelfysik vid Helsingfors universitet där hon koordinerar universitetets samarbete med mätstationen CMS som befinner sig vid acceleratorringen LHC. Det viktigaste forskningsobjektet var fortfarande b-kvarkar.

Varför just b-kvarkar?

Med hjälp av b-kvarkar och b-antikvarkar försöker man förstå skillnaderna mellan partiklar och antipartiklar.

I enkla modeller utgår man från att partiklar och antipartiklar är identiska med undantag av den elektriska laddningen. Det duger dock inte som förklaring, eftersom universum inte skulle ha bildats om det rådde fullständig symmetri. Alla partiklar och antipartiklar skulle ha annihilerat varandra och lämnat endast tomrum.

Man har hittat vissa osymmetriska drag mellan partiklar och antipartiklar, men inte tillräckligt för att förklara universums struktur.

B-kvarkar och b-antikvarkar är de bäst lämpade för att undersöka symmetrier eller asymmetrier, eftersom de som tunga kvarkar ger större och tydligare effekter vid sönderfall än andra kvarkar. Det är också lättast att identifiera b-kvarkarnas sönderfallsprodukter bland andra sönderfallande kvarkar.

I b-kvarkexperiment har man accelererat två protonknippen till nästan ljusets hastighet i LHC och låtit dem krocka med varandra. Det händer en hel del vid krockarna, men Eerola och hennes grupp koncentrerar sig på de fall där det bildas en b-kvark och en b-antikvark och de slungas åt olika håll.

Redan på vägen till observationsinstrumenten sönderfaller de till b-mesoner och vidare till i första hand pioner, myoner och elektroner, som fortsätter sin väg genom instrumenten. Av de spår som uppstår på partiklarna försöker forskarna dra slutsatser om b-kvarkarnas och b-antikvarkarnas egenskaper och hur de föll sönder.

Eftersom Eerola deltar i CMS-konsortiet är hon också med i den ofta citerade artikeln om upptäckten av Higgspartikeln 2012.

Eerola själv har, först i sin doktorsavhandling och senare som ledare för sin forskningsgrupp i Helsingfors, koncentrerat sig på att försöka hitta en annan Higgspartikel, dvs. en elektriskt laddad Higgspartikel. Den Higgspartikel som upptäcktes 2012 var neutral, dvs. den var inte elektriskt laddad, men det är inte uteslutet att det kan finnas laddade Higgspartiklar.

Upptäckten av en ”laddad syster” till Higgspartikeln skulle vara ett stort vetenskapligt genombrott och kräva mer komplicerade teorier om Higgspartikeln.

Tillsvidare har ingen hittat en ”syster-Higgs”. CMS-konsortiet har publicerat nollresultat som gjorts i Helsingfors, experiment där man inte har hittat det man sökt efter. I vetenskapen överlag och i synnerhet inom partikelfysiken är också nollresultat viktiga, eftersom vi inte kan få information om elementarpartiklar s.a.s. i vardagen, utan alla egenskaper eller avsaknaden av egenskaper måste bevisas genom komplicerade experiment.

Under hela sin internationella forskarkarriär har Eerola varit ensamförälder med ett barn.

Paula Eerola: publikationer och aktiviteter

Deltagandet i Europeiska rymdorganisationen ESAs ansedda satellitprojekt Planck, och i synnerhet projektets kosmologiska rapporter har gjort Mika Juvela (* 1967), universitetslektor i observerande astronomi, till en av Helsingfors universitets mest citerade forskare.

Juvelas specialområde har sedan hans doktorsavhandling 1997 varit fenomen som förekommer i vår egen galax Vintergatan: interstellärt stoft och hur interstellära moln bildar stjärnor.

Under Juvelas karriär har metoderna för att upptäcka interstellärt stoft utvecklats enormt och Juvela har varit bland de första att använda de nya instrumenten och teknikerna.

År 2008 upptäckte Juvela och hans kolleger att interstellära moln utstrålar infraröd strålning som sprids av stoftpartiklar. I senare forskning har samma fenomen observerats för infraröd strålning av medellång våglängd, dvs. våglängder på några mikrometer. Detta innebär att det finns partiklar på minst några mikrometer i stoftmolnet, en partikel kan nämligen endast sprida ljus som har en våglängd som är mindre än partikeln.

I vissa stoftmolnskärnor kan detta spridda ljus inte observeras, vilket betyder att de innehåller partiklar som är mindre än en mikrometer. Observationerna visar att det finns stoftmoln i olika skeden av förtätning i rymden. 

Enligt den rådande teorin kommer kärnreaktioner igång i molnets kärna när molnet blir tillräckligt tätt, och på så sätt föds en ny stjärna. Men innan kärnreaktionerna kommer igång blir molnkärnan kallare allt efter som den tätnar. Ett tätt moln släpper inte igenom stjärnornas värmestrålning, och när molnet blir tätare krockar molekylerna allt mer. Då kan rörelseenergin excitera molekylerna, och när en molekyl övergår till sitt ursprungliga tillstånd emitterar den en foton. Denna energiförlust kyler ner molnet ytterligare.

Strålning från kall materia kan inte observeras från jordens yta på grund av atmosfären, men Planck-satelliten kunde tack vare sina känsliga instrument mäta strålningen från rymden. Juvelas viktigaste resultat i Planck-projektet är den förteckning över cirka 13 000 kalla, ungefär ett ljusår stora objekt i rymden som publicerades 2015. Objekten håller troligen på att bli tätare, vilket till slut leder till att det bildas stjärnor.

Planck-projektets mest uppmärksammade resultat är en detaljerad karta över kosmiska mikrovågor, dvs. en karta över den kosmiska bakgrundsstrålningen. Kartan som publicerades 2013 visar ett 380 000 år ungt universum, då de första atomerna bildades och universum övergick från en boll av plasma till att bli genomskinligt.

Men kartan över mikrovågorna är bara en del av sanningen, eftersom den endast representerar den totala ljusstyrkan. Den kosmiska bakgrundsstrålningens polarisation innehåller också information om universums första tid.

Den strålning som stoftmolnen i Vintergatan utstrålar är också polariserad. Polarisationen berättar alltså inte bara om den kosmiska bakgrundsstrålningen, utan också om det filter av stoft som den färdas genom.

Det är inte lätt att undersöka stoftfiltret, och först 2015 publicerade Planck-konsortiet en mer detaljerad karta, där man har särskilt den kosmiska bakgrundsstrålningen och rymdstoftets inverkan på den.

Utöver att man beaktade stoftet som en ”störande faktor”, fick man också värdefull, ny information om stoftmolnens struktur och polarisation.

Juvela gör också datormodeller. Han simulerar den strålning som molnen ger ifrån sig, och hur den borde se ut i ett teleskop. Simuleringarna kan preciseras genom att jämföra dem med äkta teleskopobservationer. Under processens gång kan simuleringarna till slut avslöja någonting om de verkliga stoftmolnens egenskaper och hur stjärnor uppstår.

Mika Juvela: Publikationer och aktiviteter

 

Kai Nordlund (*1969), professor i beräkningsmaterialfysik, har specialiserat sig på molekyldynamik, dvs. simulering av atomers rörelse med hjälp av datorprogram. På många av materialfysikens delområden har Nordlund varit den första som har gjort den här typens simuleringar.

Nordlunds mest citerade studie är från 1996 då han var post doc-forskare vid University of Illinois och med hjälp av molekyldynamik simulerade hur strålningen från en partikelaccelerator på olika sätt orsakar skador på metaller och halvledare. Skadorna som uppkommer på halvledare är 10–100 gånger så många som på metaller, eftersom metallatomerna är mer tätt packade.

I början av 2000-talet visade Nordlund och hans kolleger med hjälp av simuleringar hur heta partiklar från en fusionsreaktors plasma, som har en temperatur på hundra miljoner grader, skadar reaktorns kolbaserade väggmaterial. Tidigare tänkte man teoretiskt att kolet inte sönderdelas på grund av plasmaläckaget, trots att kolet alltid sönderdelades i experiment.

Nordlund upptäckte en ny fysikalisk-kemisk reaktion där en väteatom kommer mellan två kolatomer och upplöser bindningen, och kolet som ligger överst kan flyga ut. I efterhand är förklaringen uppenbar, men ingen hade tidigare kommit att tänka på det.

Nordlund konstaterade att skador på fusionsreaktorns kolvägg inte kan undvikas. I moderna fusionsreaktorer har därför det innersta lagret bytts ut från kol till volfram och andra mer hållbara material.

För ett par år sedan lade Nordlund märke till att storleksfördelningen hos skadorna som uppkommer i volframväggen följer en enkel potenslag, vilket också senare har bevisats i experiment.

Med undantag för post doc-åren i USA har Nordlund sedan 1992, dvs. ända sedan doktorsavhandlingen, under hela sin karriär arbetat i samma rum i partikelaccelaratorlaboratoriet i Gumtäkt. Nordlunds hustru, docent Flyura Djurabekova, arbetar i rummet bredvid. Parets arbetsdagar blir ofta 10–12 timmar långa.

Som motvikt till den stationära tillvaron i Gumtäkt reser Nordlund utomlands cirka hundra dagar om året. Under sina besök och konferensresor förbereder han samarbete med andra spetsforskningsgrupper inom materialfysik.

Kai Nordlund: publikationer, projekt, aktiviteter