Browsing by discipline "Teoreettinen fysiikka"
Now showing items 21-40 of 107
-
(2015)The presence of dislocations in metal crystals accounts for the plasticity of metals. These dislocations do not nucleate spontaneously, but require favorable conditions. These conditions include, but are not limited to, a high temperature, external stress, and an interface such as a grain boundary or a surface. The slip of dislocations leads to steps forming on the surface, as atomic planes are displaced along a line. If a void is placed very near a surface, the possibility of forming a dislocation platelet exists. The skip of the dislocation platelet would displace the surface atoms within a closed line. Repeating such a process may form a small protrusion on the surface. In this thesis, the mechanism with which a dislocations displace the surface atoms within a closed loop is studied by using molecular dynamics (MD) simulations of copper. A spherical void is placed within the lattice, and the lattice is then subjected to an external stress. The dislocation reactions which lead to the formation of the dislocation platelet after the initial dislocation nucleation on the void is studied by running MD simulations of a void with the radius of 3 nm under tensile stress. Since the dislocations are thermally activated, the simulation proceeded differently for each run. We describe the different ways the dislocations nucleate, and the dislocation reactions that occur when they intersect to form the platelet. The activation energy of this process was studied by simulating half of a much larger void, with a radius of 8 nm, in order to obtain a more realistic nucleation environment. Formulas connecting the observable and controllable simulation variables with the energies of the nucleation are derived. The activation energies are then calculated and compared with values from literature.
-
(2018)Since the inception of the AdS/CFT correspondence in 1997 there has been great interest in the holographic description of quantum gravity in terms of conformal field theory. Studying how classical gravity emerges in this framework helps us to understand the quantum foundations of general relativity. A fundamental concept is entanglement entropy which has a classical interpretation in terms of areas of minimal surfaces in general relativity, due to Ryu and Takayanagi. This thesis is a review on how Einstein's equations can be derived up to second order from the Ryu-Takayanagi formula in the context of AdS/CFT correspondence. It also serves as an introduction to entanglement entropy in quantum field theories and holography, while providing necessary mathematical ingredients to understand the derivation. We also review a related derivation, based on the entanglement equilibrium hypothesis, and discuss its extensions to higher order theories of gravity.
-
(2018)In this thesis the transport properties of the superconducting quantum wires are discussed. At first the general introduction to quasi-one-dimensional mesoscopic systems is given. Due to the spatial confinement of transported particles in directions vertical to their motion, there are possibly many discrete transverse modes along the wire. The number of these modes depends on the width of the wire. According to the familiar Ohm's law, the conductance along the wire has linear dependence on the width of the wire. However, when the size of the system is sufficiently small, there exist quantum corrections to this behaviour. The leading order quantum corrections to the Ohm's law are the weak localization and universal conductance fluctuations. These quantum corrections can be determined by calculating the first two conductance cumulants along the wire. In addition, there emerges terms in these cumulants, which depend nonanalytically on the wire length. In this thesis we calculate all these terms by using the diffusion type equation, Dorokhov-Mello-Pereyra-Kumar (DMPK) equation. We calculate also the analytical components of the first 15 current cumulants through the system.
-
(2013)Tässä tutkielmassa tarkastelemme kosmista inflaatiota, jolla tarkoitetaan lyhyttä kiihtyvän laajenemisen ajanjaksoa varhaisessa maailmankaikkeudessa. Inflaatiosta on viimeisen 20 vuoden aikana muodostunut vallitseva paradigma maailmankaikkeuden rakenteiden synnyn selittäjänä. Kosmisen inflaation uskotaan saaneen alkunsa ja myös päättyneen inflatoniksi nimetyn skalaarikentän energiatiheyden vaikutuksesta. Tarkastelemme tilannetta, jossa inflaation jälkeen inflatonikenttä hajosi säteilyksi tuottaen tilanteen, jossa kaksi ainekomponenttia, säteily ja inflaation aikana energiatiheydeltään pienenä pysytellyt toinen skalaarikenttä, kurvatoni, alkoivat kilpailla maailmankaikkeuden energiatiheysbudjetista. Kurvatonin kasvattaessa energiatiheyttään suhteessa säteilyyn syntyi tilanne, jossa aika-avaruuteen alkoi syntyä alati kasvavia kaarevuusperturbaatioita. Tämä johti maailmankaikkeuteen muodostuvien tiheyserojen kasvuun, jolloin aine romahti kasaan ja muodosti paikallisesti gravitaation sitoman systeemin. Näin perturbaatiot alkoivat synnyttää maailmankaikkeuden suuren skaalan rakennetta ja jättivät jälkensä myös aineen ja säteilyn irtikytkeytyessä syntyneeseen kosmiseen mikroaaltotaustasäteilyyn. Tässä tutkielmassa kuitenkin paneudumme inflaation aikana ja välittömästi sen jälkeen syntyneiden kaarevuusperturbaatioiden syntymekanismeihin pikemmin kuin niiden dynamiikkaan ja vaikutuksiin myöhemmässä maailmankaikkeudessa. Usein syntyneiden kaarevuusperturbaatioiden jakauma eroaa gaussisesta tapauksesta. Yksinkertaisimmassa tapauksessa epägaussista jakaumaa karakterisoidaan ensimmäisen ja toisen kertaluvun epälineaarisuusparametrein, joilla saattaa olla näkyvät seurauksensa paitsi kosmisessa mikroaaltotaustasäteilyssä havaittavissa lämpötilavaihteluissa, myös suuren skaalan rakenteessa. Eri inflaatiomallien kannalta syntyvän epägaussisuuden määrä on olennainen malleja erottava tekijä. Laajennamme tarkastelumme toiseen kertalukuun, sillä tietyn tyyppisessä kurvatonimallissa tämä voi karakterisoida syntyvän epägaussisuuden määrää paremmin kuin ensimmäisen asteen epägaussisuus. Tutkielmassa käymme läpi inflaatioskenaarion teoreettisen perustan, esittelemme kurvatonimallin ja sen päätulokset kosmologista perturbaatioteoriaa käyttäen, tarkastelemme yksityiskohtaisesti gaussisuutta ja epägaussisuutta, johdamme delta-N-formalismia hyväksikäyttäen yhtälöt kaarevuusperturbaation lausekkeessa esiintyville ensimmäisen ja toisen kertaluvun epälineaarisuusparametreille, sekä tarkastelemme kurvatonimallin tuottamaa ensimmäisen ja toisen asteen epägaussisuutta tapauksessa, jossa kurvatonikentän potentiaali ei ole pelkästään kvadraattista muotoa, vaan sisältää myös pieniä itseisvuorovaikutuksia.
-
(2019)Modern high energy physics describes natural phenomena in terms of quantum field theories (QFTs). The relevant calculations in QFTs aim at the evaluation of physical quantities, which often leads to the application of perturbation theory. In non-thermal theories these quantities emerge from, for example, scattering amplitudes. In high-temperature theories thermodynamical quantities, such as pressure, arise from the free energy of the system. The actual computations are often performed with Feynman diagrams, which visually illustrate multi-dimensional momentum (or coordinate) space integrals. In essence, master integrals are integral structures (within these diagrams) that can not be reduced to more concise or simpler integral representations. They are crucial in performing perturbative corrections to any system described by (any) QFT, as the diagrammatic structures reduce to linear combinations of master integrals. Traditional zero-temperature QFT relates the corresponding master integrals to multi-loop vacuum diagrams, which leads in practice to the evaluation of $d$-dimensional regularized momentum integrals. Upon transitioning to thermal field theory (TFT), the corresponding master integrals become multi-loop sum-integrals. Both the thermal and non-thermal master integral structures are explored at length, using $\overline{MS}$-scheme (Modified Minimal Subtraction) in the calculations. Throughout this thesis, a self-consistent methodology is presented for the evaluation of both types of master integrals, while limiting the calculations to one- and two-loop diagrams. However, the methods are easily generalized to more complex systems. The physical background of master integrals is introduced through a derivation of Feynman rules and diagrams for $\phi^4$ scalar field theory. Afterwards, the traditional $d$-dimensional master integral structures are considered, up to general two-loop structures with massive propagators. The evaluation strategies involve e.g. the Feynman parametrization and the Mellin-Barnes transform. The application of these results is demonstrated through the evaluation of three different diagrams appearing in the two-loop effective potential of the dimensionally reduced variant of the Standard model. The relevant thermal one-loop integral structures are introduced through the high-temperature expansion of a massive one-loop sum-integral (with a single massive propagator). The thermal multi-loop computations are predominantly considered with a methodology that decomposes the integrals into finite and infinite elements. Specifically, we demonstrate the removal of both the ultraviolet and infrared (UV and IR) divergences, and evaluate the remaining finite integral using the Fourier transform from momentum space back to coordinate space. The strategies are applied to multiple non-trivial diagrammatic structures arising from the Standard model.
-
(2016)In this thesis we consider an extension of the Standard Model (SM) with a SU(2) symmetric Dark Sector, and study its viability as a dark matter (DM) model. In the dark sector, a hidden Higgs mechanism generates three massive gauge bosons, which are the DM candidates of the model. We allow a small coupling between the SM Higgs and the scalar of the dark sector, such that there is a scalar mixing. We study the new interactions in the model and analyse the consequences of the scalar mixing: new possible decays of the Higgs into DM, Higgs decay rates and production cross sections different from SM predictions, and possible interactions between DM and normal matter. We study the evolution of the DM abundance from the early universe to the present and compare the relic densities that the model yields with the experimental value measured by the Planck satellite. We compute the decay rates for the Higgs in the model and test if they are consistent with the experimental data from Atlas, CMS and Tevatron. We calculate the cross section for the interaction between DM and normal matter and compare it with the data from the latest direct detection experiments LUX and XENON100. We discuss the impact of the experimental constraints on the parameter space of the model, and find the regions that give the best fit to the experimental data. In this work we show that the agreement with the experiments is optimal when both the DM candidates and the dark scalar are heavier than the Higgs boson.
-
(Helsingin yliopistoUniversity of HelsinkiHelsingfors universitet, 2001)
-
(2013)Geomagnetic storms and auroral substorms are manifestations of space weather. They are disturbances in the geomagnetic field caused by solar activity that consists of flare eruptions, coronal mass ejections, high-speed streams, corotating interaction regions and other disturbances within the solar wind. The occurrence rate and properties of these events vary greatly within the solar cycle some maximizing during the solar maximum and others during the declining phase of the solar cycle. Any solar activity measure can be used to define the solar cycle though traditionally the sunspot number has been used. In addition to the sunspot number we have examined e.g. sunspot area, solar radio flux and solar X-ray flux. The solar cycle itself can be divided into four distinct phases: ascending, maximum, declining and minimum phases. Their properties depend on the solar activity measure they are based on. Occurrence rates of geomagnetic storms, substorms and events of solar origin along with geomagnetic indices show that the most recent solar cycle, number 23, had its most disturbed time interval in 2003 in its declining phase. Though solar flares and CMEs were found to maximize in the solar maximum as expected, the slow CMEs and coronal hole originated structures like high-speed streams were found to maximize during the declining phase of the solar cycle. The same conclusion was confirmed studying the geomagnetic storm indices and the ultra-low frequency (ULF) fluctuations within solar wind and the magnetosphere, identified with the method of power spectra. Ground-based Pc5 pulsations from three magnetic stations (KEV, OUJ and KIL) were identified and two maxima were found: the largest one in the declining phase of the solar cycle and the other one during the solar maximum. The ground Pc5 pulsations during the solar cycle 23 follow nicely the ULFs identified based on the ACE satellite measurements at the L1. Records of storm indices show that the declining phase has been the most disturbed time interval in majority of the solar cycles during the modern solar maximum, not only during solar cycle 23.
-
(2014)Nanofluids are a new class of colloids that is generally classified as solid particle suspensions such that the particle diameter is less than 100 nm. In the last decade they have exhibited anomalously high thermal conductivity compared to classical models. Additionally, nanoscale emulsions have shown similar behavior but have gathered less attention than solid particle nanofluids. The optimal preparation of nanoemulsions is not straightforward. Multiple factors have an effect on the final size distribution and therefore optimization is required. Models for the anomalous behavior include effects of the Brownian motion, formation of particle clusters and ordering of liquid into a layer of high conductivity around the particles. In our measurements for nanoscale emulsions, we however observed no significant deviation from the classical models. Besides conduction, nanofluids could also be utilized in convective heat transfer applications. The research on this field is more limited but indicates that increases in heat transfer exist also in convective transport. We perform heat transfer experiments on several n-decane in water nanoemulsions and nanoscale micelle colloids in the transition and turbulent flow regime. Our results indicate that while the thermal properties of the samples were usually worse for convective applications than the reference, the heat transfer properties were similar or better especially at high Reynolds numbers.
-
(2018)We study the non-minimally coupled Higgs inflation scenario in the framework of teleparallel gravity. In the first part of the thesis we introduce teleparallel gravity. We present the tetrad formalism and discuss the connections and the relevant tensors used in teleparallel gravity. We then present the equations of motion in teleparallel gravity, as well as the action and the field equations of the teleparallel equivalent of general relativity and compare them to their counterparts in general relativity. We also discuss the role of the spin connection in extended teleparallel theories of gravity. In the second part we introduce the non-minimally coupled Higgs inflation model. We calculate cosmological observables for the model in the Einstein and Jordan frames, first in the metric formulation of general relativity and then in teleparallel gravity. In the case of general relativity we recover the already known results that are in excellent agreement with observational data. In the case of teleparallel gravity we show that the teleparallel scalar perturbation equations contain terms that prevent us from finding analytical solutions. We also show that the teleparallel gravitational tensor modes are the same as those in general relativity.
-
(2019)The first two chapters are meant as a background for the discussion to follow. In the first chapter we start by reviewing some basic tools from cosmology to handle inflation. The scalar field equation in an expanding space is derived. We also review the Friedmann-Robertson-Walker metric and the equations that follow. From then on, our focus is on inflation. We recall the slow-roll model of inflation and consider a special case that will be useful in the later analysis. We also introduce the metastable vacuum problem resulting from the measured Higgs mass. Avoiding the possible instability of the vacuum during inflation and preheating will then be the main focus of the later chapters. The second chapter reviews how to handle the differential equations that will be presented later. The equations in question will be of the form described by the Floquet theory. We start by considering these very general differential equations and their solutions, leading to the division between stable and unstable solutions that will be manifest later on in the Higgs evolution. Using the Floquet theory we can also consider more specific equations, such as the Hill equation. In particular, we focus on two special cases of the Hill equation: the Mathieu equation and the Whittaker-Hill equation. These equations and their solutions are discussed in more detail to lay the background for the later analysis. The following chapters focus on the Higgs field and its evolution during the inflationary and preheating epochs. By introducing a Higgs-inflaton coupling, our first aim is to stabilize the Higgs field during inflation, where it could be destabilized by quantum fluctuations. We see that a quartic coupling term is enough to induce an effective mass term that stabilizes the Higgs field. After this, a larger emphasis is placed on the time after inflation. We introduce a trilinear coupling term between the Higgs and inflaton fields. While stabilizing the Higgs field during inflation, the Higgs-inflaton coupling also causes resonance effects once the inflaton field starts to oscillate around its minimum. These resonance effects could lead to destabilization during the preheating epoch. We derive some basic results describing the resonance and the possible destabilization effects. Next we introduce a non-minimal Higgs-gravity coupling and investigate how it affects the Higgs field during inflation and preheating. We derive the equations of motion using canonical normalization. We review the Higgs stability during the inflationary epoch in terms of the new equations. Then, we consider the equations in the preheating epoch. With some approximations, the resulting equations that describe the Higgs field during preheating will be those discussed before, the Mathieu equation and the Whittaker-Hill equation. We give coupling parameter bounds that ensure vacuum stability using lattice simulation results.
-
(2015)Pro gradu –tutkielmassa tarkastellaan pääasiassa hiukkasfysiikan standardimallin mukaisen Higgsin skalaarikentän stokastista käyttäytymistä inflaation aikana. Tavoitteena on tutkia inflaation aikana kenttään syntyneiden, kvanttimekaanista alkuperää olevien perturbaatioiden vaikutusta kentän inflaation aikaiseen kehitykseen. Koska Higgsin kentän potentiaali tunnetaan standardimallin puitteissa hyvin, on kentän inflaation aikainen kehitys mahdollista selvittää. Perusongelma on, että potentiaaliin syntyy mahdollinen epästabiilisuusalue, jossa sen arvo laskee jyrkästi kaukana kentän nykyisestä arvosta. Tämä alue on inflaation aikana saavutettavissa helposti perturbaatioiden myötä. Haluttaisiin, että todennäköisyys universumille olla nykyisessä tilassaan ei kuitenkaan olisi herkkä inflaation asettamille alkuehdoille. Tämä vaatii, etteivät syntyneet Higgsin kentän perturbaatiot aja kenttää potentiaalin epästabiilisuusalueelle, josta sen on mahdotonta palata takaisin. Kun Higgsin kenttään inflaation aikana syntyneet perturbaatiot ovat tarpeeksi suuria, tulee kentän kehitystä tarkastella statistisesti paikan suhteen. Tähän liittyen tutkielmassa johdetaan stokastisen lähestymistavan mukaiset liikeyhtälöt sekä keskimääräiselle Higgsin kentälle yhdessä horisonttialueessa että kentän todennäköisyystiheydelle eri horisonttialueiden ensemblen suhteen. Stokastista lähestymistapaa hyödyntäen todetaan Higgsin kentän olevan inflaation aikana kevyt. Tällöin nähdään kentän perturbaatioiden suuruuden olevan suoraan verrannollinen inflaation energiaskaalaan. Lisäksi formalismia sovelletaan arvioitaessa kentän päätymistä potentiaalihuipulta nykyiseen minimiinsä sekä käsiteltäessä mahdollisesti syntyneiden epästabiilisuusalueiden kehitystä. Pienten perturbaatioiden rajalla tutkielmassa tarkasteltiin myös tunneloitumista vaihtoehtoisena tapana päätyä potentiaalin epästabiilisuusalueelle. Tunneloitumistodennäköisyys lasketaan Colemanin ja de Luccian semiklassissessa approksimaatiossa. Tunneloitumista tarkastellaan niin Minkowskin avaruudessa kuin myös yleistäen Minkowskin avaruuden tulokset inflaation aikaisen de Sitter -avaruuden tapaukseen. Syntyneiden potentiaalin epästabiilisuusalueiden havaitaan vastaavan geometrialtaan anti de Sitter-avaruutta. Tutkielmassa tarkastellaan myös näiden alueiden kehitystä inflaation jälkeen. Kaikkiaan tutkielma luo katsauksen tämän hetkiseen tutkimukseen Higgsin kentän tilasta inflaation aikana. Potentiaalin lisäksi kehityksen määrää inflaation energiaskaala, jonka suuruutta ei ole kokeellisesti pystytty vielä mittaamaan. Koska suurten perturbaatioiden rajalla Higgsin kentän päätyminen nykyiseen potentiaaliminimiinsä ei ole todennäköistä inflaation jälkeen, näyttäisi nykyisten standardimallin parametrien mittausten perusteella uuden fysiikan ilmeneminen välttämättömältä potentiaalin stabilisoimiseksi.
-
(2016)The localized, crustal magnetic fields on the Moon show complex interactions with the impinging solar wind. Understanding these interactions aid in characterizing the lunar plasma and dust environment, in developing advanced remote imaging techniques for airless bodies such as the Moon and Mercury, and in comprehending the basic plasma processes of plasma environments and phenomena on the Hall physics scale. In this work a lunar magnetic anomaly is modeled in the mesoscale of hundreds of kilometers with 100 nT surface field anomaly. A numerical hybrid plasma model is employed, in which ions are treated as fully kinetic macroparticles, with electrons providing a massless, charge-neutralizing fluid. The effects of electron currents in these environments are discussed, and results of the effect of the interplanetary magnetic field conditions on the minimagnetosphere are presented in three cases: Open, closed, nominal. Results for three different impinging solar wind velocities in the nominal case are presented. The results are compared with satellite observations and are found to reproduce observations of proton deceleration and reflection by anti-moonward electric field. The model is shown to reproduce observed ENA emission from the lunar surface, with predictions on solar wind-depentant features. Model development by the author is presented with regards to the convergence and stability of the numerical scheme, especially in terms of dealing with a fast whistler mode. Considerations on the validity of the results are presented, with the conclusion of reasonable confidence in the results, with suggested improvements to the model brought forwards.
-
(2015)Tässä työssä esitellään kosmisen mikroaaltotaustan analysointiin liittyviä menetelmiä ja erityisesti sitä, miten nämä menetelmät huomioivat instrumenttikohinan vaikutuksia. Päähuomio on Euroopan avaruusjärjestön 2009 laukaiseman Planck-satelliitin data-analyysissä tarvittavissa menetelmissä. Noin 380 000 vuoden ikäisesssä maailmankaikkeudessa syntynyt kosminen mikroaaltotausta on tärkein yksittäinen kosmologinen havaintoaineisto. Tämä säteily on suorin ikkuna hyvin varhaiseen maailmankaikkeuteen ja sen merkitys maailmankaikkeuden historian ja ominaisuuksien kartoittamisessa on ollut valtava siitä lähtien, kun se 1960-luvulla ensi kerran havaittiin. Tämän merkityksen korostamiseksi tutkielman alussa käydään läpi kosmologian teoreettista perustaa. Planck-satelliitin tuottama valtava datamäärä ja mittaustarkkuus muodostaa huomattavan haasteen datan käsittelylle. Rajallisten laskentaresurrsien vuoksi on kehitettävä tehokas, mutta samaan aikaan informaatiota mahdollisimman vähän hukkaava analyysiketju. Tärkeä huomioon otettava tekijä tässä kehitystyössä on mittalaitteissa esiintyvä kohina. Tämä kohina on luontevaa käsitellä samalla kun taustasäteilymittauksista muodostetaan säteilyä kuvaavia taivaankarttoja. Kohinan poistoon on kehitetty monia tehokkaita algoritmeja. Tästä huolimatta osa siitä jää väistämättä karttoihin ja tämän odotettavissa oleva vaikutus on otettava jatkoanalyysissä huomioon tieteellisten tulosten luotettavuuden varmistamiseksi. Tässä tutkielmassa käsitellään yksityiskohtaisesti sekä kohinan poiston että karttoihin jäävän kohinan kuvaamisen kannalta oleellisia seikkoja. Karttoihin jäävän residuaalikohinan kuvaamisessa tärkein työkälu ovat niin sanotut kohinan kovarianssimatriisit. Tätä tutkielmaa varten tuotettiin esimerkkejä näistä matriiseista ja tutkittiin näiden onnistumista kohinan kuvaamisessa numeeristen simulaatoiden avulla. Tässä havaittiin, että kovarianssimatriisien laatuun voidaan vaikuttaa merkittävästi valitsemalla näiden numeeriseen laskemiseen vaikuttavat parametrit oikein. Lopuksi tutkielmassa esitellään kohinan kovarianssimatriisien merkitystä taustasäteilyhavaintojen ja teoreettisten ennusteiden vertailussa. Ne kuvaavat kuinka suuren epävarmuustekijän instrumenttikohina tuo tähän vertailuun ja tämä osaltaan parantaa arviota siitä kuinka luotettavasti erilaiset teoreettiset mallit ovat mahdollisia tai pois suljettuja.
-
(2014)Jupiter on aurinkokuntamme viides planeetta Auringosta lukien. Se on suurin aurinkokunnan neljästä jättiläisplaneetasta ja on massaltaan yli kaksi kertaa aurinkokunnan muiden planeettojen yhteenlaskettua massaa suurempi. Myös Jupiterin magneettikenttä on voimakkain kaikista aurinkokunnan planeettojen magneettikentistä. Alue, jossa Jupiterin magneettikenttä hallitsee varautuneiden hiukkasten liikettä aurinkotuuleen nähden, on myös suurin tunnettu planeetan magnetosfääri. Galilein löytämät Jupiterin kuut Io, Europa, Ganymedes ja Kallisto ovat sen suurimmat kuut. Ensimmäiset havainnot Jupiterin magnetosfäärin ilmiöistä tehtiin Maasta käsin, kun havaittiin magnetosfäärissä liikkuvien varautuneiden hiukkasten lähettämiä radiosignaaleja. Radiohavaintojen jälkeen kaukoputkilla havaittiin Maasta käsin neutraaleja natrium- ja kalium-atomeja, sekä rikki-ioneja, Ion lähellä. Näitä havaintoja seurasi Yhdysvaltain ilmailu- ja avaruushallinnon, NASA:n eri avaruusluotainten tekemät mittaukset Jupiterin ohilentojen aikana vuosien 1972 ja 2007 välillä. Jupiterin magnetosfääri onkin parhaiten tunnettu magnetosfääri Aurinkokunnassa Maan magnetosfäärin jälkeen. Jupiterin magnetosfäärin vuorovaikutus Galilein kuiden kanssa on laaja tutkimuskohde. Siihen liittyy planeettojen ja kuiden synnyn ja kehityksen selvittäminen, miten sekä kaasujättiläisten että kiviplaneettojen magneettikentät syntyvät ja magnetosfäärin sisällä oleva plasman alkuperän ja liikkeen selvittäminen. Galilein kuista erityisesti Io vaikuttaa Jupiterin magnetosfääriin. Tulivuoritoiminnaltaan hyvin aktiivinen Io tuottaa massaltaan pääosan plasmasta, sekä neutraaleista atomeista ja molekyyleistä, Jupiterin magnetosfäärin sisällä. Koska Iosta peräisin oleva plasma muodostuu aurinkotuulen plasman protoneja raskaammista ioneista, on sen suurentava vaikutus Jupiterin magnetosfäärin kokoon voimakas. Myös Europasta, Ganymedeksestä ja Kallistosta irtoaa kuiden jääpintaan osuvan säteilyn ja hiukkastörmäysten irroittamia atomeja ja molekyylejä Jupiterin magnetosfääriin. Lisäksi näillä kolmella jääkuorisella Galilein kuulla on havaittu indusoituneiden sähkövirtojen synnyttämät heikot magneettikentät. Ganymedeksellä on myös oma magneettikenttä, ainoana kuuna Aurinkokunnassa. Jupiterin magnetosfääri onkin Aurinkokunnan kaltainen sen sisältämän Ganymedeen magnetosfäärin vuoksi. Ion ja muiden plasmanlähteiden hiukkastuotannon vastapainona plasman on myös poistuttava Jupiterin magnetosfääristä. Tämä tapahtuu plasman siirtyessä ensin Ion plasmatorukseen Jupiterin ympärillä, sitten plasmalevyyn sisemmässä magnetosfäärissä ja plasmalevystä ulommas Jupiterin magnetosfäärin pyrstöön. Galileo-luotain havaitsi Jupiterin magnetosfäärissä plasman irtoamisen kohti pyrstöä, kun etäisyys Jupiteriin oli noin sata Jupiterin sädettä. Ennen New Horizons -luotainta Jupiterin pyrstöä ei oltu tutkittu tätä Galileon havaintoa kauempana. New Horizons teki mittauksia matalaenergisistä ioneista etäisyyksien 200 ja 2500 Jupiterin sädettä välillä ja tutki magnetosfäärin pyrstössä liikkuvaa plasmaa. Jupiteria tutkimaan on lähetetty Juno-luotain, ja Euroopan avaruustutkimus järjestö suunnittelee JUICE-luotainta pääasiassa jäisten Galilein kuiden tutkimiseen.
-
(2013)Supranesteiden turbulenssia, eli kvanttiturbulenssia, on tutkittu jo useiden vuosikymmenien ajan. Toiveena on, että joiltain osin yksinkertaisemman kvanttiturbulenssin ymmärtäminen auttaisi paremmin ymmärtämään klassista turbulenssia. Supranesteissä sirkulaatio kvantittuu ja pyörteet ovat mahdollisia vain kvantittuneiden vorteksien eli viivamaisten topologisten defektien muodossa. Supranesteiden turbulenssissa on kyse näiden viivapyörteiden kaoottisesta liikkeestä. Toisin kuin klassisissa fluideissa, joissa pyörteet voivat olla monen kokoisia ja eri voimakkuuksisia, niin supranesteissä kaikki vorteksit kantavat yleensä yhtä sirkulaation kvanttia. Klassisen turbulenssin keskeinen ajatus on energian kaskadi suurilta pituusskaaloilta pienemmille. Systeemiin syötetään energiaa jollakin suurella skaalalla ja energia dissipoituu viskositeetin kautta pienellä pituusskaalalla. Kolmogorovin menestyksekäs teoria perustuu tähän. Koska supranesteissä ei ole viskositeettia, herää kysymys voiko klassisen kaltainen turbulenssi ylipäätään olla mahdollista niissä. Lukuisat kokeet ovat osoittaneet, että Kolmogorovin tyyppinen turbulenssi on mahdollista supranesteissä, jopa äärimmäisen kylmissä lämpötiloissa. Vorteksit voivat järjestyä lokaalisti niin, että vorteksikimput muistuttavat makroskooppisia klassisia pyörteitä, jolloin virtaus voi muistuttaa klassista virtausta. Äärellisissä lämpötiloissa supranesteen normaalikomponentin osuus on nollasta poikkeava. Tällöin dissipaatio on mahdollista supraneste- ja normaalinestekomponenttien välisen keskinäiskitkan kautta. Kvanttiturbulenssin uskotaan kuitenkin olevan mahdollista myös nollalämpötilan rajalla. Ainoa mahdollinen dissipaatiomekanismi on tällöin vorteksien suuritaajuuksisten värähtelyjen, kelvinaaltojen, säteilemät fononit. Energian kaskadi suurilla pituusskaaloilla muistuttaa klassista Kolmogorovin kaskadia. Tätä jatkuu vorteksien keskimääräisen etäisyyden pituuskaalaan asti. Vorteksien väliset rekonnektiot synnyttävät kelvin\-aaltoja. Epälineaaristen vuorovaikutusten kautta energia siirtyy suuritaajuuksisille kelvinaalloille niin sanotussa kelvinaaltokaskadissa, kunnes dissipaatio fononeiksi on mahdollista. Tässä työssä käydään läpi kelvinaaltokaskadiin liittyvää kirjallisuutta. Toistaiseksi kaksi erilaista skenaariota on esitetty kaskadiin liittyen. Monet numeeriset simulaatiot ovat pyrkineet selvittämään kumpi skenaario on oikea. Kelvinaaltokaskadin numeerinen mallintaminen on kuitenkin hyvin hankalaa, eivätkä tulokset ole voineet vahvistaa kumpaakaan skenaariota. Jo pelkkä kelvinaaltojen identifiointi vorteksivyyhdistä osoittautuu haastavaksi ongelmaksi. Kelvinaaltokaskadin tunnusmerkkeinä on pidetty vorteksivyyhdin kaarevuuden jakauman siirtymistä suurempia arvoja kohti ja yksittäisen vorteksin tavallista suurempaa fraktaalidimensiota. Myös kaarevan vorteksin amplitudispektrin uskotaan kertovan jotain todellisesta kelvinspektristä. Suorittamiemme laskujen perusteella ei mikään edellä mainituista tavoista kuitenkaan riitä paljastamaan kelvinspektriä. Lisäksi äärellinen määrä laskentapisteitä rajoittaa mahdollisia kelvinaaltojen vuorovaikutuksia. Yleisesti käytettyyn algoritmiin sisältyy lokaalin induktion approksimaatio, joka vääristää tuloksia sallimalla joitakin kelvinaaltojen vuorovaikutuksia, jotka eivät kuitenkaan ole teorian ennustamaa kaskadia.
-
(2017)Korkean entropian metalliseokset ovat materiaalifysiikan tärkeä uusi osa-alue. Ne voivat mahdollisesti olla materiaalikehityksen tulevaisuus, ja niillä on havaittu perinteisiin metalliseoksiin verrattuna selvästi poikkeavia ominaisuuksia. Usean eri alkuaineen muodostamat seokset omaavat perinteisiä metalliseoksia huomattavasti korkeamman konfiguraatioentropian. Korkealla entropialla on merkittävä vaikutus metalliseoksen ominaisuuksiin. Tutkimuksessa käsitellään korkean entropian muodostumista ideaalisten hiukkasten satunnaisesti täyttämissä kuutioissa. Kuution täyttävät hiukkaset ovat ideaalisia palloja, joiden ainut ominaisuus on hiukkastyyppi. Hiukkaskuution entropian odotusarvo määritetään Monte Carlo -simulaation tuottamasta statistiikasta. Statistiikka kerätään tarkoitusta varten kirjoitetulla Pythonohjelmalla. Entropian muodostuminen eri hiukkastyyppimäärillä esitetään muodostamalla kuvaajat Matlab-ohjelmistolla, ja taulukoimalla tärkeimmät tulokset. Entropian kuvaajan muoto pysyy samanlaisena riippumatta hiukkaskuution koosta. Entropian kasvu hidastuu tasaisesti, kun kuution sisältämien hiukkastyyppien määrää kasvatetaan. Entropian kasvu näyttäisi lopulta lähes pysähtyvän noin 8 – 10 eri hiukkastyypin kohdalla. Tämän jälkeen hiukkastyyppien lisääminen ei enää merkittävästi kasvata kuution konfiguraatioentropiaa. Hiukkastyyppimäärän kasvaessa kuution entropiajakauma muuttuu eksponentiaalisesta jakaumasta nopeasti kohti normaalijakauman tyylistä jakaumaa.
-
(Helsingin yliopistoUniversity of HelsinkiHelsingfors universitet, 2001)
-
(2018)In mitochondria and many bacteria, the electron transport chain produces energy from foodstuff as a part of cell respiration. Complex IV, also known as Cytochrome c Oxidase, is the last protein complex in the electron transport chain. It couples electron transport with the transfer of protons across the inner mitochondrial membrane (or the cell membrane in bacteria). The pumped protons produce a proton-motive force, which drives adenosine triphosphate synthase to generate adenosine triphosphate molecules used as energy currency in many cellular functions. Dysfunction of complex IV may cause myopathies and other mitochondrial malfunctions, and therefore it is important to understand how this enzyme functions and is regulated. The work performed in this Thesis provides novel insights into the intricate function of the enzyme and reveals the importance of lipid-protein interactions that turn out to be critical in the enzyme function. These insights provide new ways to better understand how cardiolipin as a key lipid in mitochondrial membranes participates in proton uptake pathways, and whether cardiolipin also has an important role in complex IV dimerization. Six large-scale atomistic molecular dynamics simulations of complex IV were performed, including simulations of the dimeric as well as the monomeric complex IV. In each simulation, the membrane consisted of three kinds of primary lipids found in the inner mitochondrial membrane. All the simulations were two to three microseconds long, therefore representing the current state-of-the-art in membrane-protein simulations in this context. The simulation data show that the dimeric complex IV is stable. The data also reveal that there are fewer protein-protein ion pairs between complex IV monomers in the presence of cardiolipins at the interface, however cardiolipin could also function as glue forming charge-charge interactions with both of the monomers. Cardiolipin-complex IV interactions seem to have more significance compared to other lipid-complex IV interactions, favoring the earlier proposals that cardiolipins are possibly involved in proton uptake. The monomeric complex IV was observed to tilt 5-10 degrees with respect to the initial position of the protein and membrane normal, while for the dimeric complex IV no tilt was observed. The difference in tilt might work as a free energy barrier in dimerization. It is also suggested that cardiolipins between the monomers could reduce the possible free energy barrier in dimerization. Understanding of these microscopic aspects by means of molecular dynamics simulations may open up new avenues to target mitochondrial dysfunctions.
-
(2012)Tässä työssä tutkitaan geomagneettisen aktiivisuuden ja eri magneettisten myrskyjen ajajien välistä yhteyttä. Tarkastellut myrskyn ajajat ovat Maan magnetosfääriin osuneet magneettiset pilvet vuosien 2003-2006 aikana, niihin liittyvät sheath-alueet ja pilven jälkeinen alue. Ajanjakso kuuluu auringonpilkkujakson laskevaan vaiheeseen. Eri ajajien vaikutukset haluttiin erotella toisistaan. Dst-indeksi on yksi käytetyimmistä geomagneettisista indekseistä, joka kertoo magneettisen myrskyn etenemisestä ja voimakkuudesta. Se on kuitenkin melko hitaasti reagoiva, joten eri ajajien vaikutuksen erottelun parantamiseksi tutkittiin rengasvirtojen kuluttamaa tehoa. Se riippuu Dst-indeksin muutosnopeudesta ja ottaa myös huomioon virrankuljettajien vähenemisen. Korkean latitudin aktiivisuutta tarkasteltiin AL-indeksin avulla. Sisäisen magnetosfäärin energian kulutus voidaan kuvata AL- ja Dst-indeksien avulla, joten eri ajajien vaikutusta tutkittiin energiankulutuksella ionosfääriin ja rengasvirtaan. Energiankulutusten suhteelliset osuudet koko tarkastelujaksolta olivat sheath-alueille, pilville ja pilven jälkeisille alueille: 19 %, 52 % ja 29 %. Vastaavat keskitehot alueittain olivat suhteessa 30 %, 41 % ja 29 %. Tapauskohtaiset erot olivat suuria. Eri ajajien aikana energia jakautui eri suhteissa energianieluihin. Energia jakautuu lineaarisessa sovituksessa rengasvirran ja ionosfäärin kesken sheath-alueen aikana suhteessa 0,27:1, pilvien aikana suhteessa 0,44:1 ja pilven jälkeisellä alueella suhteessa 0,24:1. Kokonaisenergioita verrattiin integroituihin epsilon-parametreihin. Arvioitujen energioiden suhde integroituihin epsilon-parametreihin oli suurempi pilven jälkeisellä alueella kuin sheath-alueella ja pilven alueella. Sheath-alueella tapauskohtaiset erot olivat suurimmat. Suurimmissa myrskyissä epsilon-parametri kasvoi eri kertaluokkaan arvioituun energiankulutukseen nähden ajajasta riippumatta. Myrskyjä verrattiin nousevan auringonpilkkuvaiheen aikaiseen tutkimukseen. Tässä työssä sheath-alueen merkitys oli pienempi, myrskyt olivat keskimäärin voimakkaampia ja pilven jälkeisen alueen merkitys korostui. Syynä eroihin on luultavasti Auringon magneettisen jakson vaiheen vaikutus pilvien polarisaatioon.
Now showing items 21-40 of 107