Hyppää pääsisältöön

Kvanttimekaaninen monopoli havaittiin ensimmäisen kerran

Taiteellinen kuva kvanttimekaanisesta monopolista
Taiteellinen kuva kvanttimekaanisesta monopolista. Heikka Valja. Taiteellinen kuva kvanttimekaanisesta monopolista Kuva: Mikko Möttönen kvanttimekaaninen monopoli

Monopoli löytyi suomalais-amerikkalaisena yhteistyönä ja Aalto-yliopiston dosentilla Mikko Möttösellä on hyvä syy hieroa käsiään tyytyväisenä. Möttönen on pitkään painiskellut monopolien parissa ja viime vuonna tuli ulos julkaisu synteettisestä magneettisesta monopolista. ”Ja nyt olemme tosiaan ensimmäisen kerran maailmassa havainneet kvanttimekaanisen monopolin."

Myös tutkijoiden ehkä kauimmin etsimä hiukkanen, luonnollinen magneettinen monopoli, on kvanttimekaaninen monopoli. Se on tosin oikea hiukkanen eikä näennäishiukkanen, joka nyt havaittiin. Löytö on kuitenkin erittäin tärkeä, koska se osoittaa, että kvanttimekaanisia monopoleja esiintyy luonnossa. Siksi se tukee myös magneettisen monopolin olemassaoloa.

Kvanttimekaanista monopolia ei arkielämässä tapaa eikä sitä ole koskaan aikaisemmin havaittu luonnossa. Sen paljastamiseen tarvitaan teknisesti viritetty huippulaitteisto, jollainen on Amherst Collegessa Yhdysvalloissa. Muutaman tunnin ajomatkan päässä New Yorkista Bostonin suuntaan sijaitsevan Amherst Collegen laitteisto onkin maailmassa ainoa, jossa kyseinen koe voidaan tehdä.

Monopoli saatiin esiin, kun linsseillä ja muilla optisilla välineillä varustetussa koelaitteistossa jäähdytettiin rubidiumin atomikaasua laser- ja haihdutusjäähdytyksellä hyvin alhaiseen lämpötilaan. Lähellä absoluuttista nollapistettä kaasumaiset rubidium-atomit alkavat käyttäytyä kuin kyseessä olisi vain yksi jättiläisatomi. Tällöin puhutaan Bosen-Einsteinin –kondensaatista.

Professori David Hall ja tohtori Michael Ray Amherst Collegesta USAsta laitteistonsa äärellä.
Professori David Hall vasemmalla ja tohtori Michael Ray Amherst Collegesta laitteistonsa äärellä. Professori David Hall ja tohtori Michael Ray Amherst Collegesta USAsta laitteistonsa äärellä. Kuva: Marcus DeMaio/Amherst College professori david hall (vasemmalla) ja tohtori michael ray amherst collegesta laitteistonsa äärellä..

Nyt löytyneen kvanttimekaanisen monopolin Mikko Möttönen kuvaa yksittäiseksi navaksi tai erityisasemassa olevaksi pisteeksi kondensaatissa. ”Tätä pistettä voidaan kokeen aikana liikutella paikasta toiseen mutta hävittää sitä ei voi. Jos se yritetään hävittää, se vain siirtyy toisaalle”, Möttönen kuvailee.

Dosentti Mikko Möttönen Aalto-yliopistosta.
Dosentti Mikko Möttönen on innostunut monopolista. Dosentti Mikko Möttönen Aalto-yliopistosta. Kuva: Heikki Jantunen/Unigrafia dosentti mikko möttönen aalto-yliopistosta.

Kokeen aikana noin miljoona kaasumaista rubidium-atomia majailee pienessä lasisessa laatikossa erittäin hyvässä tyhjössä. Ympärillä on magneettikeloja, joiden avulla laatikkoon tuodaan ulkoinen magneettikenttä. Kentän avulla säädellään laatikossa olevien rubidium-kaasuatomien magneettista järjestäytymistä.

Bosen-Einsteinin –kondensaatti avaa näkymän kvanttimekaniikkaan

Kondensaatissa yksittäinen kaasuatomi menettää merkityksensä ja kaikki atomit käyttäytyvät samalla tavalla. Tilannetta voisi verrata vaikkapa suureen ihmisjoukkoon, jonka kaikki jäsenet alkavat käyttäytyä saman kaavan mukaan.
”Jos atomeja esimerkiksi tönäistään, ne kaikki liikkuvat yhdessä vaiheessa samaan suuntaan ja samalla tavalla. Kun tässä kokeessa monopoli tuodaan kaasun ulkopuolelta kondensaatin sisälle, atomit kääntyvät siten, että monopolitila onkin jokaisen atomin tila. Voidaan myös sanoa, että monopoli on tietyssä paikassa mutta sen vaikutus näkyy koko kondensaatissa”.
Kvanttimekaaninen monopoli voidaan todentaa valokuvaamalla. Kuvausta varten monopoli päästetään ensin pois loukustaan, jolloin atomikaasu alkaa laajeta tyhjössä. Sen jälkeen siihen ammutaan lasersäde, jonka fotoneista osa absorboituu kaasuun, osa taas kulkee sen lävitse. Mitä isompi on kaasun tiheys kyseisessä kohdassa, sitä enemmän valoa siihen jää. Kondensaatin taakse muodostuu varjo, joka kuvataan digitaalikameraa muistuttavalla laitteella ja näin monopoli saadaan taltioiduksi.

Bosen-Einsteinin kondensaatti jossa on monopoli vasemmalla
Kokeellisesti luotu Bosen-Einsteinin kondensaatti, jossa monopoli on vasemmalla ja vastaava teoreettinen ennustus oikealla. Bosen-Einsteinin kondensaatti jossa on monopoli vasemmalla Kuva: Mikko Möttönen bosen-einsteinin kondensaattikuva jossa monopoli vasemmalla.

Alhaisen lämpötilan fysiikkaa edustava koe on kaikkineen varsin vaativa. ”Koe vaatii todella paljon suunnittelua ja taitoa mutta on helppoa sitten kun sen osaa”, Möttönen naurahtaa. Yhdysvaltalaiset kollegat sen osaavat, ja niinpä monopoli onnistuttiin tekemään Amherstissa toistuvasti, kymmeniä, kenties jopa satoja kertoja.

Miksi tutkijat ovat innostuneita monopolilöydöstä, joka on juuri julkaistu arvostetussa Science-lehdessä? ”Vuosikymmenien ajan on pohdittu, esiintyykö monopoleja kvanttikentissä ja nyt olemme näyttäneet ensimmäisen kerran että kyllä, niitä esiintyy!” Möttösen laboratoriossa työskentelevät Emmi Ruokokoski ja Konstantin Tiurev ovat onnistuneet simuloimaan kokeita tietokoneella syöttäen ratkaisijaansa vain entuudestaan tunnettuja parametrien arvoja kuten magneettikenttien voimakkuuksia. Heidän tietokoneohjelmansa ennustaa ällistyttävän tarkasti kokeissa havaitun monopolin rakenteen ja siksi tutkijat ovat täysin varmoja johtopäätöksistään. Möttönen ei tarvinnut monopolin keksimiseen edes tietokonetta. Hän seurasi intuitiotaan ja varmisti ideansa kynällä ja paperilla.

Aalto-yliopiston tutkijat Konstantin Tiurev ja Emmi Ruokokoski simuloivat tietokoneessa.
Konstantin Tiurev ja Emmi Ruokokoski tekevät tietokonesimulaatioita kvanttimekaanisesta monopolista. Aalto-yliopiston tutkijat Konstantin Tiurev ja Emmi Ruokokoski simuloivat tietokoneessa. Kuva: Heikki Jantunen/Unigrafia aalto-yliopiston tutkijat konstantin tiurev ja emmi ruokokoski simuloivat tietokoneessa.

Möttönen uskoo löydön antavan suuntaa jatkotutkimuksille. ”Tutkijat näkevät, että monopoleja voi todella olla olemassa ja innostuvat hakemaan niitä lisää”. Monopoleja uskotaan olevan monenlaisia ja itse asiassa tuttu elektronikin voidaan käsittää sähkökentän monopoliksi.
”Magneettinen monopoli olisi erittäin suuri löytö”, Möttönen vihjaa. Magneettinen monopoli esiintyy niin sanotuissa suurissa yhtenäiskenttäteorioissa, joissa se edustaa magneettikentän lähdettä samaan tapaan kuin elektroni on sähkökentän lähde.

Magneettista monopolia on etsitty etelänavalla IceCube –nimisessä pääasiassa neutriinojen jäljittämiseen suunnitellussa tutkimushankkeessa. IceCube on valtavan suuri, kilometrin kanttiinsa oleva jääkuutio.
”Jos magneettinen monopoli sattuisi kulkemaan jääkuution läpi, se voitaisiin todennäköisesti havaita, mutta toistaiseksi näin ei ole käynyt”, Möttönen kertoo.
Myös CERNin LHC-kokeen tavoitteisiin kuuluu etsiä magneettista monopolia. Tällä hetkellä ei kuitenkaan edes tiedetä, miltä massa-alueelta sitä kannattaa etsiä, koska eri teoriat antavat sille erilaisen massan. ”Superraskaan magneettisen monopolin löytyminen lienee varsin haastavaa, mutta olisi toki hienoa, jos jokin kevyempi magneettinen monopoli löytyisi CERNin kokeissa”, Möttönen pohtii.
Mikko Möttönen on haastateltavana Yle Radio 1:n Tiedeykkösessä 8.5. klo 12.10.

Lue myös - yle.fi:stä poimittua

Tiede

  • Cassinin viimeinen syöksy Saturnukseen tehdään elämän vuoksi

    NASA haluaa suojella Saturnuksen jäisiä kuita.

    Cassini-luotaimen 20-vuotinen tutkimusmatka Saturnuksen ja sen kuiden ympärillä saa tänään eeppisen päätöksen, kun se palaa Saturnuksen kaasukehässä kuin meteoroidi. Cassini uhrataan, jotta voisimme löytää elämää Saturnuksen jäisistä kuista. - Suojelemme Enceladus- ja Titan-kuuta.