Väitös: Aineen ominaisuuksia pääteltäessä ymmärrettävä tiheysvaihteluiden vaikutukset

16.09.2011

FM Hannu Holopaisen teoreettisen fysiikan väitöskirja "Event-by-event hydrodynamics and thermal photon production in ultrarelativistic heavy ion collisions" (Törmäyskohtainen hydrodynamiikka ja termisten fotonien tuotto suurienergiaisissa raskasionitörmäyksissä) tarkastettiin perjantaina 16. syyskuuta. Vastaväittäjänä toimi professori Derek Teaney (Stony Brook, USA) ja kustoksena professori Kari J. Eskola (Jyväskylän yliopisto).

Väitöskirjassaan Holopainen tutki hyvin suurilla energioilla tapahtuvissa ydintörmäyksissä muodostuvaa vahvasti vuorovaikuttavaa alkeishiukkasainetta. Ainetta on tutkittu soveltamalla virtauslaskennan menetelmiä. Professori Kari J. Eskolan ryhmässä kehitetyllä mallilla voidaan laskea tuotettujen hiukkasten lukumäärä- ja energiajakaumat, joita voidaan verrata Brookhaven National Laboratoryn RHIC-kiihdyttimellä ja CERNin LHC-kiihdyttimellä tehtyihin mittauksiin.

Väitöskirjan päätulos korostaa ydintörmäysten alkutilassa olevien tiheysvaihteluiden eli fluktuaatioiden merkitystä mitattavien hiukkasjakaumien kulmaepäsymmetrian muodostumisessa. Holopainen osoittaa, että verrattaessa teorialaskuja mittaustulosten kanssa fluktuaatioiden vaikutukset pitää ymmärtää, ennen kuin aineen ominaisuuksia voidaan päätellä mitatuista hiukkasjakaumista.

Kehittyneempiä simulaatioita ydintörmäysten tutkimiseen

Atomit koostuvat atomiytimestä ja sitä ympäröivästä elektroniverhosta. Atomiytimen rakenneosaset ovat protonit ja neutronit, jotka puolestaan ovat kvarkkien ja gluonien muodostamia hadroneja. Erilaisia hadroneja on kokeellisesti havaittu useita satoja. Kun hadroneista koostuvan aineen tiheys tai lämpötila on tarpeeksi suuri, muodostuu kvarkki-gluoniplasmaksi nimettyä ainetta, jonka sisällä kvarkit voivat liikkua vapaasti.

Laboratorio-olosuhteissa kvarkki-gluoniplasmaa voidaan tuottaa törmäyttämällä atomiytimiä tarpeeksi suurilla energioilla. Tällä hetkellä riittävän suuren energian kokeita tehdään Brookhaven National Laboratoryssa RHIC-kiihdyttimellä sekä CERNissä LHC-kiihdyttimellä. Näissä törmäyksissä tuottuu hyvin pieni määrä ainetta, joka on noin miljoona kertaa kuumempaa kuin auringon keskusta. Tuotettu aine kuitenkin jäähtyy hyvin nopeasti, eikä sen ominaisuuksia voida suoraan mitata. Törmäyksessä mitatuista hiukkasjakaumista voidaan kuitenkin päätellä aineen ominaisuuksia.

Perinteisesti kvarkki-gluoniplasman laajenemista on tutkittu tietokonesimulaatioilla, joissa plasmaa on mallinnettu käyttämällä virtausmekaniikan työkaluja. Yleensä näissä simulaatioissa alkutilana on käytetty tiheysprofiilia, joka on saatu monen törmäyksen keskiarvona. Väitöskirjatutkimuksessaan Holopainen on kehittänyt simulaatiota niin, että on mahdollista tutkia yhtä törmäystä kerrallaan. Tällöin on mahdollista tutkia tapausta, jossa alkutilan tiheysprofiili fluktuoi törmäyksestä toiseen.

– Viime vuosina ydintörmäyksissä muodostuneen alkutilan tiheysfluktuaatiot on todettu tärkeiksi. Väitöskirjassa tehdyt simulaatiot ovat valaisseet sitä, miten fluktuaatiot muuttavat mitattavia hiukkasjakaumia. Fluktuaatioiden ymmärtäminen on hyvin olennaista ennen kuin esimerkiksi aineen viskositeetin arvoa yritetään päätellä mitatuista jakaumista, Holopainen kertoo.

Väitöskirjassa on tarkasteltu myös fotonien tuottoa kvarkki-gluoniplasmasta. Fotonit pääsevät ulos systeemistä vuorovaikuttamatta plasman kanssa lähes lainkaan. Koska fotoneita tuottuu virtaavasta kvarkki-gluoniplasmasta, voidaan virtauksen vaikutukset nähdä myös mitatuissa fotonijakaumissa. Tutkimuksessa laskuja verrattiin RHIC-kiihdyttimellä tehtyihin mittauksiin ja näiden pohjalta laadittiin ennuste LHC-kiihdyttimellä tehtäville törmäyksille.

Lisätietoja:
Hannu Holopainen, puh. 040 761 1602, hannu.l.holopainen@jyu.fi.

Tutkimus valmistui professori Kari J. Eskolan tutkimusryhmässä kansainvälisenä yhteistyönä. Tutkimusta ovat rahoittaneet Hiukkas- ja ydinfysiikan tutkijakoulu (GRASPANP), Jyväskylän yliopiston rehtori ja Fysiikan tutkimuslaitos (HIP). Tutkimuksessa on käytetty Tieteen tietotekniikan keskuksen (CSC) laskentaresursseja.

CSC - Tieteen tietotekniikan keskus Oy on voittoa tavoittelematon opetus- ja kulttuuriministeriön hallinnoima osakeyhtiö, joka tarjoaa korkeakouluille ja tutkimuslaitoksille tietoteknistä tukea ja resursseja: mallinnus-, laskenta- ja tietopalveluja. Tutkijat voivat käyttää Suomen laajinta tieteellisten ohjelmistojen ja tieteen tietokantojen valikoimaa sekä Suomen tehokkaimpia supertietokoneita Funet-tietoliikenneyhteyksien kautta.