Jahti galaksien näkymättömän massan kintereillä kiihtyy. Epäiltyjen hiukkasten listalle ovat nousseet neutraliino, gravitiino ja tekniwimp.Ne ovat olemassa ainakin teoriassa.

Teksti: Anne Liljeström

Jahti galaksien näkymättömän massan kintereillä kiihtyy. Epäiltyjen hiukkasten listalle ovat nousseet neutraliino, gravitiino ja tekniwimp.Ne ovat olemassa ainakin teoriassa.

Julkaistu Tiede -lehdessä 12/2010

Pimeän aineen metsästäminen on kuin etsisi mustaa eläintä pimeässä huoneessa, kuvailee tähtitieteilijä Chris Flynn Turun yliopiston Tuorlan observatoriosta. – Emme tiedä, onko siellä kissoja, laumoittain kärpäsiä vai elefantti, mutta olemme melkoisen varmoja, että jokin eläin siellä on!

Pimeä aine tuli löytyneeksi sattumalta, kun sveitsiläinen tähtitieteilijä Fritz Zwicky tutki Coman galaksijoukkoa vuonna 1933. Hän määritti galaksirypään massan mittaamalla yksittäisten galaksien liikkeet joukon reunoilla ja havaitsi jotain hämmentävää. Galaksijoukon massa oli noin 170 kertaa suurempi kuin joukon kirkkaus ja galaksien lukumäärä antoivat odottaa. Zwicky ehdotti, että galaksijoukossa oli jonkinlaista näkymätöntä ainetta, jonka painovoima piti joukon koossa ja selitti galaksien liikkeet.

Zwickyn havaintoja seuranneiden 80 vuoden aikana samantyyppisiä havaintoja on tehty lisää. Galaksit pyörivät kummallisesti, aivan kuin niitten reunamilla piileskelisi valtavia määriä näkymätöntä ainetta. Galaksijoukot taas taivuttavat takaansa tulevaa valoa aivan liian voimakkaasti, jotta näkyvät galaksit voisivat saada moisen aikaan.

Näkymätön massa vaikuttaa

Helsingin yliopiston hiukkastutkija Andrea Ferrantelli vertaa pimeän aineen hiukkasen etsimistä mustien aukkojen havaitsemiseen. – Mustaa aukkoakaan ei kykene havaitsemaan suoraan, koska se ei säteile, hän kuvailee. – Sen olemassaolon voi päätellä vain siitä, että sen ympärillä kiertää tähtiä ja kaasua valtavaa vauhtia. Mitään ei näy, mutta silti voidaan päätellä, että juuri sillä kohdalla on valtavan suuri massa.

Pimeän aineen olemassaolo näkyy myös kaikkialla avaruudessa vaikuttavassa kosmisessa taustasäteilyssä. WMAP-satelliitti, Wilkinson Microwave Anisotropy Probe, on mitannut maailmankaikkeuden ensimmäisten hetkien kaikuja koko 2000-luvun alun ajan. Tulokset vetävät alan tutkijan nöyräksi.

Kuvittelimme jo tuntevamme melko hyvin maailmankaikkeuden ja sen galaksit, kaasusumut ja tähdet. WMAP paljasti, että kaikki tämä niin sanottu baryoninen aine muodostaa vain 5 prosenttia kaikesta universumin massasta ja energiasta. Pimeää, ei-baryonista ainetta on noin 23 prosenttia – siis viisinkertaisesti tavallisen aineen määrä. Loput 72 prosenttia on tuntematonta pimeää energiaa, joka saa universumin laajenemaan kiihtyvällä nopeudella.

Mitä pimeä aine sitten oikeasti on, on kiihtyvän tutkimuksen kohteena. Käynnissä on useita äärimmäisen tarkkoja kokeita, joiden uskotaan tuovan viimeinkin valoa mysteeriin. Tähän mennessä on jo osoittautunut, että pimeää ainetta on montaa laatua.

Himmeät tähdet eivät riittäneet

Ensin ajateltiin, että pimeä aine olisi jotain tavanomaista ainetta, joka ei säteile havaittavissa määrin. Nykytekniikalla havaittavissa kun on vain viidennes normaalistakaan aineesta. Epäiltyjen penkillä oli pieniä ja himmeitä tähtiä, mustia aukkoja sekä ruskeita kääpiöitä, jotka ovat eräänlaisia epäonnistuneita tähtiä.

– Kesti noin kymmenen vuotta käydä läpi se mahdollisuus, että pimeä aine voisi selittyä näin, Flynn sanoo. Ilmeisesti hyvin pieni osa pimeästä aineesta todella on tällaista tavallista, heikosti säteilevää ainetta, kuten himmeitä tähtiä ja galaksienvälistä kaasua. Niitä ei kuitenkaan ole tarpeeksi. Pimeää ainetta tarvitaan valtavia määriä.

– Tyypillisissä galakseissa on kymmenen kertaa enemmän pimeää kuin näkyvää ainetta. On myös löydetty galakseja, joissa pimeää ainetta on tuhatkertainen määrä. Jolleivät tavalliset alkuaineet kelpaa pi­meäksi aineeksi, niin mikä sitten? Nyt on tultu siihen tulokseen, että lopun puuttuvan massan löytymiseksi on tarkasteltava erilaisia massiivisia, eksoottisia hiukkasia. Fyysikot etsivät parhaillaan jotakin sellaista, tuntemattomia hiukkasia, jotka pystyvät kulkemaan vaikka Maan läpi, Flynn kertoo. – Ne voisi – toivottavasti – havaita herkillä instrumenteilla.

Kylmää ja kuumaa

Hiukkasfyysikot ovat järjestelleet erilaiset pimeän aineen hiukkaskandidaatit kylmään ja kuumaan aineeseen sen mukaan, miten nopeasti ne liikkuvat. Kuumat hiukkaset liikkuvat liki valon nopeudella, ja niiden täytyy siis olla hyvin kevyitä. Kylmä pimeä aine liikkuu hitaasti. Sen nopeus on alle kymmenen prosenttia valon nopeudesta, ja sen hiukkaset ovat raskaita.

Kuumaa pimeää ainetta on jo löydetty. Neutriinot ovat huikeaa vauhtia kiitäviä alkeishiukkasia. Ne ovat tavallisen aineen kanssa vuorovaikutuksessa yksinomaan gravitaa­tion välityksellä, joten niiden havaitseminen on hyvin vaikeaa. Jokaisen ihmisen läpi pyyhältää noin 50 biljoonaa neutriinoa sekunnissa.

Neutriinoita on maailmankaikkeudessa niin valtavasti, että niiden massan on oltava hyvin pieni. Elektronitkin ovat köykäisiä, mutta vaikka neutriino painaisi vain kymmenestuhannesosan siitä mitä elektroni, koko universumi luhistuisi niiden massan alla.

Neutriinojen tarkkaa massaa ei vielä tunneta, mutta nekään eivät yksin voi selittää kaikkea pimeää ainetta. Pimeää ainetta nimittäin tarvitaan selittämään ensimmäisten tähtien ja galaksien muodostuminen, ja neutriinot liikkuvat aivan liian vikkelään ehtiäkseen osallistua näihin talkoisiin.

Kun universumi jäähtyi alkuräjähdyksen jälkeen, siinä oli pieniä lämpötilaeroja, joita WMAP mittasi kosmisesta taustasäteilystä. Kylmemmät alueet olivat tiheämpiä kuin kuumat, ja ne alkoivat imeä itseensä lisää vetyä, heliumia ja pimeää ainetta. Pimeä aine nopeutti tätä tiivistymistä, niin että ensimmäiset tähdet ja galaksit pääsivät muodostumaan.

Noin 90 prosenttia kaikesta pimeästä aineesta näyttää olevan tällaista kylmää ainetta: hitaasti liikkuvia, massiivisia hiukkasia, jotka vuorovaikuttavat heikosti ympäristönsä kanssa. Hiukkasfyysikot kutsuvat näitä hiukkasia nimellä wimp, weakly interacting massive particle. Vielä ei tiedetä, mikä hiukkanen sopisi tähän rooliin. On mahdollista, että kylmän pimeän aineen hiukkasiakin on useampaa kuin yhtä sorttia.

Vaka vanha malli

Wimpejä eli kylmää pimeää ainetta on etsittävä ensin teoreettisen hiukkasfysiikan puolelta. Jyvälle pääsemiseksi kannattaa kerrata hiukan hiukkasfysiikan alkeita.

Atomit koostuvat niiden ytimessä piileskelevistä neutroneista ja protoneista sekä ydintä kiertävistä elektroneista. Sekä protonit että neutronit koostuvat kolmesta kvarkista, elek­tronia taas ei voi jakaa pienempiin osiin.

Kvarkit ja elektronit ovat alkeishiukkasia. Ne kuuluvat jo 40 vuotta vanhaan ja hyvin palvelleeseen hiukkasfysiikan standardimalliin. Malliin sisältyy muutama muukin alkeishiukkanen, kuten kolme erilaista neutriinoa. Nämä hiukkaset ovat niitä rakennuspalikoita, joista kaikki aine rakentuu.

Näiden lisäksi malliin kuuluu välittäjähiukkasia, joista meille kaikkein tutuin on valohiukkanen eli fotoni. Standardimallin kaikki muut hiukkaset on jo löydetty, mutta superjulkkis Higgsin bosoni puuttuu vielä. Higgs on välittäjähiukkanen, jonka uskotaan antavan kaikille muille hiukkasille niiden massan. Sitä metsästetään Euroopan hiukkastutkimuskeskuksen Cernin uudella LHC-kiihdyttimellä, ja tuloksia odotetaan vuoden 2011 loppuun mennessä.

Kaksi tunnettua pimeän aineen komponenttia, tavallinen aine ja kuumat neutriinot, kuuluvat standardimalliin. Standardimalli voi myös tarjota yhden ehdokkaan kylmäksi pimeäksi aineeksi. Voisi nimittäin olla olemassa neljäs neutriino. Sellaisesta on juuri saatu vihiä Fermilabin hiukkas­ilmaisimessa, mutta löytö on vielä vahvistamatta. Neljännen neutriinon löytäminen on ollut vaikeaa, sillä se vuorovaikuttaa ympäristönsä kanssa ainoastaan gravitaation kautta.

Superpartnerit solmussa

Standardimalli ei ole täydellinen hiukkasmalli. Se ei nimittäin selitä gravitaatiota. Maailmankaikkeuden kaikkien perusvuorovaikutusten selittämiseen tarvitaan lisää teoriaa.

Yksi yritys yhdistää vuorovaikutukset on teoria supersymmetriasta. Se tarjoaa myös kandidaatteja pimeäksi aineeksi. Supersymmetria ennustaa, että jokaisella standardimallin hiukkasella on massiivinen hiukkastoveri, superpartneri. Fotonin raskas kaveri olisi nimeltään fotiino, Higgsin bosonilla olisi toverinaan higgsiino.

Suosikkiehdokkaat pimeän aineen rooliin ovat supersymmetriset hiukkaset gravitiino ja neutraliino, mallin mahdollisesti keveimmät hidut. Keveimmät eivät enää hajoa pienemmiksi ja olisivat siis riittävän vakaita täyttämään pimeän aineen tehtävät maailmankaikkeudessa.

Neutraliino on monimutkainen cocktail, joka syntyy, kun Higgsin bosonin, fotonin ja parin muun hiukkasen superpartnerit menevät kvanttimekaanisesti solmuun.

Gravitiino on gravitonin superpartneri. Gravitoni puolestaan on supersymmetriateoriassa samanlainen välittäjähiukkanen gravitaatiolle kuin fotoni on sähkömagnetismille.

– Gravitiino voisi olla hyvä wimp, jos se osoittautuu tämän mallin keveimmäksi hiukkaseksi, kuvailee Andrea Ferrantelli, joka tutkii gravitiinoja Helsingin yliopistossa. Gravitiino vuorovaikuttaa ainoastaan gravitaation välityksellä, joten sitä on hyvin vaikeaa havaita. – Se on siinä mielessä puhdas pimeän aineen hiukkanen, Ferrantelli kertoo. 

Hiukkasfyysikko Kimmo Kainulainen Jyväskylän yliopistosta korostaa, että hyvään kylmän pimeän aineen hiukkasen teoriaan vaaditaan tukeva pohja. – Hyvin perusteltu hiukkanen on aina osa suurempaa viitekehystä, hän sanoo. Tämä on juuri se syy, miksi supersymmetrian keveintä hiukkasta pidetään johtavana kandidaattina. Supersymmetriaahan ei keksitty pimeän aineen takia, vaan selittämään hiukkasfysiikan muita ongelmia.

Jos Higgsin bosonia ei löydy, ovat standardimalli ja supersymmetria vaikeuksissa. Moni uskoo Higgsin lopulta löytyvän, mutta koska kaikkeen halutaan varautua, painii joukko fyysikkoja jo erilaisten higgsittömien vaihtoehtojen kimpussa.

Yksi näistä malleista on Kainulaisenkin kehittelemä ”tekniväriteoria”. Se saa nimensä myös värivoimaksi kutsutusta vahvasta vuorovaikutuksesta. Tämän teorian mukaan Higgsin bosoni onkin yhdistelmä aiemmin tuntemattomia muita hiukkasia. Tekniväriteo­rian laajennus, kävelevä tekniväriteoria, ennustaa oman pimeän aineen hiukkasensa, tekniwimpin.

Katoava energia kielii wimpistä

Supersymmetrian wimp-ehdokkaat, neutraliino ja gravitiino, voitaisiin havaita LHC-kiihdyttimen törmäytyksissä. Käytännössä ne voidaan löytää siten, että törmäytettä­vien hiukkasten sekä törmäyksestä jälkeen jäävien­ hiukkasten liikemäärää ja energiaa verrataan toisiinsa.

Jos liikemäärää ja energiaa katoaa törmäyk­sessä jonnekin, voidaan päätellä, että sen on vienyt mukanaan törmäyksessä syntynyt, heikosti vuorovaikuttava hiukkanen. Se ei jää ilmaisimen haaviin vaan kulkee siitä läpi kuin Auringosta tulevat neutriinot ihmisestä.

Myös Higgsin bosonin pitäisi löytyä vuoden 2011 loppuun mennessä, kertoo Ferrantelli. Se sulkisi pelistä higgsittömät mallit ja samalla tekniwimpin.

Välähdystä etsimässä

Käynnissä on myös kokeita, joissa pyritään havaitsemaan merkkejä wimpien törmäyksistä tavalliseen aineeseen. Yksi tällainen koe on Italian Gran Sassossa käynnissä oleva Xenon. Kokeissa käytetään suuria määriä jotain hyvin puhdasta ja muilta ominaisuuksiltaan sopivaa alkuainetta, kuten ksenon-jalokaasua. Jos wimp sattuu törmäämään suoraan johonkin tämän aineen atomiytimeen, se voidaan havaita joko valontuikahduksena tai pikkuruisena tärähdyksenä. Mitä suurempia määriä ilmaisinainetta on käytössä, sitä todennäköisemmin törmäys voidaan havaita.Minnesotassa käynnissä oleva CDMS II -koe (Cryogenic Dark Matter Search) näytti jo havainneen pimeän aineen hiukkasen viime joulukuussa. Maanalaisen koetankin germaniumkiteeseen tärähti kahdesti jokin tuntematon hiukkanen, joka sopisi ominaisuuksiltaan pimeän aineen hiukkaseksi. Tuloksia ei ole kyetty vielä varmistamaan, mutta molemmille kokeille on tulossa jatkoa jo lähivuosina.– Uusien kokeiden herkkyys tulee olemaan kertaluokkia parempi, Kimmo Kainulainen kuvailee. – Ne kykenevät joko vahvistamaan tai lähes sulkemaan pois sen mahdollisuuden, että kevein supersymmetrinen tai teknivärihiukkanen on kylmää pimeää ainetta.Kaksi pimeän aineen komponenttia on siis jo löydetty: neutriinot sekä tavallisesta aineesta koostuvat himmeät tähdet ja galaksienvälinen kaasu. Kylmän pimeän aineen metsästys jatkuu, ja kiikarissa on heikosti vuorovaikuttava, massiivinen hiukkanen. Ehdokkaita on monta.– On liian aikaista laittaa rahat yhdellekään tietylle hevoselle, Kainulainen tuumaa.

Anne Liljeström on vapaa tiedetoimittaja.

Tästä kysymys:

Maailmankaikkeudessa on valtavasti massaa, jota emme ole toistaiseksi pystyneet havaitsemaan muuten kuin sen aiheuttaman painovoiman eli gravitaation kautta. Sitä on alettu kutsua pimeäksi aineeksi.

TEORIAT TARJOAVAT EHDOKKAITA

HIUKKASFYSIIKAN STANDARDIMALLI yhdistää tunnetut alkeishiukkaset ja vuorovaikutukset lukuun ottamatta gravitaatiota. Malliin kuuluvat keveät, nopeat neutriinot ovat kuumaa pimeää ainetta. Neljäs neutriino voisi sopia kylmäksi pi­meäksi aineeksi, jonka täytyy koostua hitaista massiivisista hiukkasista.

SUPERSYMMETRIATEORIA ennustaa, että jokaisella standardimallin hiukkasella on olemassa supersymmetrinen pari. Niistä neutraliino ja gravitiino ovat ehdolla kylmäksi pimäksi aineeksi.

TEKNIVÄRITEORIA yrittää selittää hiukkasten massat ilman Higgsin bosonia. Teoria väittää, että uusi vuorovaikutus, teknivärivoima, sitoo uudenlaisia hiukkasia, teknikvarkkeja. Se ennustaa oman tekniwimpin eli kylmän pimeän aineen hiukkasen.

Venäjän MM-kisojen virallinen ottelupallo on Telstar18. Adidas on valmistanut kisapallot vuodesta 1970. Kuva: Wikimedia Commons

Tulevaisuuden huippufutarin peliasuun kuuluu älysiruja ja antureita, jotka rekisteröivät joka liikkeen, ja älypallo raportoi maalit ilman tuomaria.

Mistä tulevaisuudessa keskustellaan, jos jalkapallo-ottelun tuomitsemisestakin poistetaan inhimilliset erehdykset? miettii moni penkkiurheilijaveteraani. Viime vuonna kansainvälinen jalkapalloliitto Fifa nimittäin hämmästytti maailmaa ryhtymällä kokeilemaan älysirutekniikkaa tuomitsemisen apuna.

Teknisen avun mahdollisuus ei ole uusi asia mutta valmius sen hyväksymiseen on.

Aiemmin tuomarin näköaistin avittamiseen on suhtauduttu nihkeästi. Kun televisiokamerat ilmestyivät kentän laidalle 1950-luvulla, tulivat pian myös nauhoitetut ja hidastetut otokset. Äkkiä kävi mahdolliseksi tutkia rauhassa, menikö pallo todella maaliin ja tuomitsiko tuomari oikein. Fifa reagoi päättämällä, että nauhoitukset jätetään huomiotta. Tuomarin sana on laki, näkyi filmillä mitä tahansa.

Yksi seuraus päätöksestä on ollut ikuinen kiista siitä, oliko Englannin joukkueen hyökkääjän Geoff Hurstin kolmas maali MM-finaalin jatkoajalla vuonna 1966 oikea maali vai ei. Hurstin laukaus osui poikkipuuhun ja kimposi alas, mutta minne? Tuomari, joka näki tilanteen heikosti, päätti, että pallo oli maalissa, mutta moni on tuomiosta edelleen eri mieltä.

Nyt linja on muuttumassa jalkapallomaailmassa. Testattavassa seurantajärjestelmässä pallo ilmoittaa sijaintinsa tietojärjestelmään. Tuomari kantaa ranteessaan älyrengasta, joka piippaa, kun tulee maali.

Paikannusanturit palloon ja sääriin

Jalkapallon seurantalaitteisto on kehitetty saksalaisessa tutkimuslaitoksessa Fraunhofer-instituutissa, ja sen on valmistanut saksalainen yritys Cairos Technologies AG. Saksalaiset toivoivat, että älypalloa olisi potkittu jo tämän kesän ottelussa. Näin MM-kisojen isäntämaa olisi päässyt esittelemään tekniikkaansa oikein leveällä rintamalla.

Kehitystyö osoittautui kuitenkin odotettua työläämmäksi ja hitaammaksi. Fifa testasi älypalloa nuoriso-otteluissa viime syksynä. Seurantajärjestelmä havaitsikin kaikki maalit 32 ottelun sarjassa. Valitettavasti tietokone kirjasi maaleiksi myös joitakin ohi menneitä laukauksia. Siksi Fifa heitti älypallon takaisin insinööreille luotettavuuden parantamista varten.

Ensimmäinen yritys oli ehkä hiukan ahne. Heti alussa yritettiin luoda laitteisto, joka kerää valtavasti tietoa.

Cairoksen seurantajärjestelmässä pallon mikrosiru lähettää 2 000 kertaa sekunnissa paikannustietoja antenneihin, jotka sijaitsevat kentän laidalla. Yhtiön mukaan pallon sijainti pystytään määrittämään puolentoista sentin tarkkuudella. Mahdollista on mitata myös pallon nopeus, kiihtyvyys, lämpötila ja paine.

Myös pelaajalla on älysiru kumpaankin säärisuojukseen piilotettuna. Älysiru kertoo hänen sijaintinsa, nopeutensa ja kiihtyvyytensä. Hänen potkaistessaan palloa pystytään mittaamaan laukaisun nopeus. Mittaustuloksista saadaan selville myös askeltiheys ja askelten pituus.

Kilpailijat ovat huomanneet Cairoksen hankkeen vaikeudet. Tanskassa Goalref-niminen yritys on kehittänyt seurantalaitteistoa, joka toteaa vain maalit. Tanskalaiset toivovat näin pääsevänsä suurempaan luotettavuuteen.

Älysirutekniikka ottaa ensi askeliaan, mutta suunta on selvä ja heijastaa tekniikan yleistä kehitystä. Sirut ja sensorit tulevat kaikkialle, ja esineet ja ihmiset muuttuvat tietoverkkojen silmuiksi. 

Värinätyynyillä vinkkejä lihaksille

Vielä villimpää on odotettavissa hieman kaukaisemmassa tulevaisuudessa. Ensin tekniikka seuraa pelaajaa etäältä mutta sitten alkaa myös kulkea hänen mukanaan. Taustalla on nouseva tieteenhaara haptiikka, joka tutkii viestin lähettämistä ja vastaanottamista kosketuksen avulla.

Haptiikan tutkija Hendrik-Jan van Veen hollantilaisesta tutkimuslaitoksesta TNO:sta, joka vastaa Suomen VTT:tä, on työtovereineen ideoinut opastavaa peliasua. Urheilijoiden vaatteisiin upotetaan sensoreita, joka mittaavat lihasten toimintaa. Tietokone käsittelee mittaustulokset ja antaa palautetta kosketuksen avulla. Pienet värähtelevät tyynyt kertovat urheilijalle, mitä lihaksia hänen pitäisi käyttää enemmän. Värinä nilkassa voi viestittää, että nyt vauhtia kinttuihin.

Toistaiseksi tekniikkaa ovat testanneet melojat laboratoriossa, mutta tutkijat suunnittelevat asuja myös jalkapallovalmennusta varten.

On helppo kuvitella, miten monipuolisia mahdollisuuksia haptiikka avaa jalkapallossa. Miksei värisijän voi upottaa vaikka pelihousuihin, jolloin haluttaessa saataisiin myös katsojien ja pelaajien välille uudenlaista viestintää. Kannustushuutojen lisäksi suosikkipelaajille voi tulevaisuudessa antaa hellän etäpotkun takapuoleen: Älkää nukkuko! Tsemppiä!

Kun haptiikkaan yhdistetään älykkäät sensoriverkot, syntyy jotain vielä mielikuvituksellisempaa. Joskus verkko pystyy laskemaan optimaalisia syöttöketjuja, ja haptinen värisijä viestittää, mihin suuntaan pitää potkaista. Silloin pelaajilla on jaloissaan todelliset taikakengät.

Video mullisti pelianalyysin

Älysirut ovat vasta tulossa, mutta jalkapallo on teknistynyt ja tieteellistynyt paljon aikaisemmin.

Valmennuksessa video otettiin käyttöön heti, kun kamerat kehittyivät tarpeeksi pieniksi, eli 1970- ja 1980-luvun vaihteessa. Sitä ennen valmentajat ja heidän apulaisensa olivat tarkkailleet peliä kentän laidalta ja tehneet muistiinpanoja kynällä ja paperilla.

Kun kameraan yhdistettiin tietokone, kuvamateriaalista pystyttiin jalostamaan kaikkea mahdollista tietoa kentän tapahtumista. Pelaajat ja valmentaja saattoivat nyt katsoa kuvaruudulta, mitä pelissä todella oli tapahtunut. Pallon ja pelaajien liikkeet, syötöt, laukaisut, haltuunotot ja muut tapahtumat voitiin kirjata tarkasti ja objektiivisesti. Syntyi uusi tieteenhaara, pelianalyysi.

Pelaajan vointia voi valvoa yötä päivää

Mikä sitten on ollut pelianalyysin ja muun jalkapallotutkimuksen arvokkainta antia? Vastaus voi ensi alkuun tuntua yllättävältä.

– Yksilöllisyyden vahvistuminen on ollut tärkein kehitystrendi valmennuksessa ainakin jo 1990-luvulta asti, sanoo biomekaniikan dosentti, ”jalkapalloprofessori” Pekka Luhtanen, joka työskentelee Kilpa- ja huippu-urheilun tutkimuskeskuksessa Kihussa. Luhtanen on tutkinut Suomessa jalkapalloa ehkä syvällisemmin kuin kukaan muu ja on kansainvälisesti tunnettu pelianalyysin kehittäjä.

Miten niin yksilöllisyys? Jalkapalloahan esitellään malliesimerkkinä tiimityöstä. Tarkemmin katsottuna ristiriitaa ei kuitenkaan ole. Mitä taitavammin jokainen pelaaja hoitaa oman tehtävänsä, sitä hienompaan kokonaistulokseen päästään. Joukkue on sitä parempi, mitä onnistuneemmin osataan sijoittaa oikeat pelaajat oikeille paikoille.

Tekniikka on mahdollistanut entistä paljon yksilöllisemmän valmennuksen. Videolta valmentaja voi tutkia esimerkiksi askelten pituuksia ja tiheyksiä, hetkellisiä asentoja ja nivelten liikelaajuuksia.

Sykemittarilla, joka tuli samoihin aikoihin kuin video eli 1980-luvun alussa, pystytään seuraamaan kuormitusta ja voimavarojen palautumista vaikka vuorokauden läpi.

Mittausten ansiosta pelaaja saa valtavan määrän tietoa itsestään. Vähitellen hän oppii kuuntelemaan kehonsa signaaleja, jolloin laitteita tarvitaan vähemmän. Tekniikka osaltaan auttaa häntä kehittymään ”24 tunnin pelaajaksi”, jota myös lepo, palautuminen ja vapaa-aika auttavat pääsemään parhaaseen mahdolliseen suoritukseen.

Vahvoissa seuroissa, kuten Ajaxissa, valmennus on yksilöllistetty pitkälle. Eri ikäluokkia ja pelin osa-alueita varten on erikoistuneita valmentajiaan. Pelaajat harjoittelevat hyvinkin pienissä ryhmissä.

Pelaajat ovat sekä fyysisesti että psyykkisesti erilaisia. Jotkut ovat perusluonteeltaan hyökkääviä, toiset puolustavia, kolmannet rakentavia. Tarkka tieto pelaajien yksilöllisistä ominaisuuksista auttaa sijoittamaan heidät sopivimmille pelipaikoille. 

Joskus kielteinen tunne onkin hyväksi

Pelaajien fyysisen kunnon ja pelitekniikan lisäksi valmentajien pitää virittää heidän mieltään. Fyysisesti tasavahvojen ja älyllisesti yhtä taitavien joukkueiden ottelussa tuloksen ratkaisevat tunteet. 

Liikuntatieteiden tohtori Pasi Syrjä Jyväskylän yliopistosta on tutkinut, miten huippujalkapalloilijan tunteet vaikuttavat hänen pelituloksiinsa. Tulokset rikkovat tavanomaisia myyttejä.

Olemme tottuneet pitämään itsestään selvänä, että urheilussa ja muuallakin myönteiset tunteet parantavat suoritusta ja kielteiset vahingoittavat. ”Ajattele positiivisesti”, neuvovat konsultitkin.

Tutkijat ajattelivat samalla tavoin aina 1990-luvulle saakka. Tunteiden tutkimus lähti liikkeelle sotilaspsykologiasta. Psykologit tutkivat toisen maailmansodan aikana sotilaan ahdistusta taistelukentällä. Ahdistusta totuttiin pitämään häiriönä ja yksinomaan kielteisenä tunteena.

Uudempi tutkimus on osoittanut, että myös kielteiset tunteet voivat olla hyödyllisiä ja myönteiset haitallisia. Kielteinen ja epämiellyttävä tunne on joskus tehokas ja stimuloiva. Myönteinen tunne voi olla myös lamaannuttava.

Joitakin auttaa jopa pelokkuus

Syrjän väitöskirjatutkimuksessa pelaajat kuvasivat tunteitaan useilla kymmenillä adjektiiveilla.

Tuskin on yllättävää, että ”latautunut”, ”motivoitunut” tai ”sähäkkä” tunne yhdistyi onnistumisen kokemukseen. Yhtä odotettavissa on, että jos on "väsynyt", "haluton" tai "veltto" olo, tuloksia syntyy huonosti.

Mielenkiintoista sen sijaan on, että löytyi positiivisia mutta haitallisia tunteita. Vahingollisia positiivisia tunteita pelaajat luonnehtivat useimmiten sanoilla "huoleton", "tyytyväinen" ja "tyyni".

Kielteisiä mutta hyödyllisiä tunteita kuvasivat esimerkiksi adjektiivit "jännittynyt", "tyytymätön" ja "hyökkäävä".

Mutta tässä ei ollut vielä kaikki. Hyödyllisten ja haitallisten tunteiden valikoima vaihteli pelaajasta pelaajaan. Esimerkiksi "huoleton" tunne vaikuttaa moniin pelaajiin haitallisesti mutta joihinkin myönteisesti. "Pelokas" tunne on useimmille haitaksi mutta joillekin hyödyksi.

Tieto omasta tunneprofiilista auttaa pelaajaa vahvistamaan juuri niitä tunteita, jotka auttavat häntä saavuttamaan parhaat tulokset. Näin valmentaja pystyy yksilöllistämään valmennusta myös tunnepuolella.

Kalevi Rantanen on teknistä luovuutta tutkiva diplomi-insinööri, tietokirjoittaja ja Tiede-lehden vakituinen avustaja.

Julkaistu Tiede-lehdessä 4/2006

Jalkapallon pieni historia

1863 yksitoista englantilaista seuraa sopivat jalkapallon säännöistä.

1800-luvun loppupuoliskolla tasaisen pyöreä kumikalvo alkaa korvata epäsäännöllisen muotoisen sianrakon jalkapalloissa. Pallon lujittamiseksi uloin kerros ommellaan nahasta. Jalkapallokengät ovat nilkkapituisia ja nappulat metallisia.

1904 perustetaan Kansainvälinen jalkapalloliitto Fifa.

1909 kenkien metallinappulat kielletään vaarallisina ja siirrytään nahkaisiin.

1920-luvulla kehitetään ruuvattavat, vaihdettavat nappulat.

1930 ensimmäiset MM-kisat järjestetään Uruguayssa.

1954 MM-kisat televisioidaan ensimmäisen kerran. Fifa päättää, ettei nauhoituksia käytetä tuomareiden apuna.

1962 tanskalainen Select Sport esittelee 32:sta kuusikulmiosta ommellun pallon. Vuosikymmenen edetessä siirrytään mataliin, ketteriin kenkiin ja kehitetään ensimmäiset täysin synteettiset pallot.

1970 saksalainen Adidas valmistaa ensimmäisen Telstar-kisapallon. Se saa nimensä 1960-luvun Telstar-satelliitista.

1980-luvulla synteettiset pallot syrjäyttävät nahkaiset pallot. Kenkiä parannellaan biomekaanisten mittausten turvin. Valmennuksessa otetaan käyttöön videointiin perustuva pelianalyysi ja sykemittariseuranta.

1990-luvulla palloihin aletaan lisätä polymeerivaahdoista valmistettu sisäkerros, joka nopeuttaa pomppua ja parantaa vesitiiviyttä.

1991 pelataan ensimmäinen MM-ottelu naisten jalkapallossa.

2000-luvulla uudet polymeerimateriaalit vahvistavat ja keventävät kenkiä.

2005 Fifa testaa sijaintinsa ilmoittavaa älypalloa nuorten turnauksessa Perussa. Tekniikka lähetetään jatkokehittelyyn.

2012 Maaliviivakamerat seuraavat maalin syntyä MM-kisoissa Brasiliassa.

2017 Fifa testaa videotuomarointia, Video Assistant Referee -järjestelmää, MM-kisojen esiturnauksessa Confederations Cupissa Venäjällä.

2018 Videotuomarointi, lyhyesti Var, otetaan käyttöön MM-kisoissa Venäjällä. Seurantakamerat paikantavat pelaajat kentällä. Katsomosta saa erityissovelluksella yhteyden vaihtopenkille, ja virallinen kisapallo tarjoaa omistajalleen nfc-sirun välityksellä oheispalveluja.

Aikajana päivitetty 13.6.2018

Keskiaika toi viinamarjat, perunat ja plomut.

Kesäkuumalla tekee mieli syödä mehukkaita hedelmiä. Globaalien markkinoiden ansiosta niitä on nykyään tarjolla ympäri vuoden, mutta kesäntuoreina ne maistuvat aivan erikoisen hyviltä.

Suomessa ei kasva yhtään kotoperäistä hedelmälajia. Kaikki ovat alkuaan muualta tuotuja.

Vanhimmasta päästä on omena, jonka nimityksellä on vastine muutamissa lähisukukielissä. Sanaa on arveltu vanhaksi iranilaiseksi lainaksi, mutta sen esihistorialliset kulkureitit ovat hämärän peitossa. Vanhoina aikoina kauppaa käytiin etenkin ylellisyystuotteilla, koska jokapäiväisessä elämässä tarvittavat perushyödykkeet tuotettiin itse.

Keskiajan Turun arkeologisissa kaivauksissa on löydetty viinirypäleiden ja viikunoiden jäänteitä, ja ilmeisesti myös niihin viittaavat sanat ovat olleet kaupunkilaisille tuttuja. Muualla Suomessa fiikunat ja viinamarjat opittiin tuntemaan viimeistään 1500-luvun puolimaissa, kun Mikael Agricola kertoi niistä suomenkielisissä teoksissaan.

Viini oli tärkeä tuontituote jo keskiajalla, ja siitä käytettiin vanhaa germaanista lainanimitystä viina 1800-luvun alkuun asti. Viikunan alkujuuret ovat latinassa, jossa ficus tarkoittaa sekä viikunahedelmää että viikunapuuta.

Agricola mainitsee myös perunan, jolla hän tarkoittaa päärynää, latinaksi pirum. Niitä kasvatettiin hänen aikanaan jo Suomenlahden eteläpuolella. Päärynä-sana on kuitenkin lainattu ruotsista, jossa latinan sanaa on muokattu omaan kieleen sopivaksi ottamalla mallia marjaa tarkoittavasta bär-sanasta.

Luumutkin olivat Itämeren alueen vanhaa kauppatavaraa, ja niitä saatettiin jopa viljellä Naantalin luostarissa 1400-luvulla. Luumu-sana on tullut ruotsista, ensi alkuun asussa plomu tai plumo.

Murteissa ja vanhassa kirjakielessä luumuja on nimitetty myös väskynäksi. Se on lainaa varhaisuusruotsin sanasta swetzkon, joka puolestaan perustuu uusyläsaksan sanaan Zwetschge. Se on alkuaan mukaeltu loppuosa latinan sanasta damascena ja kertoo, että luumut tulivat alun perin Damaskoksen suunnalta.

Tavallisten suomalaisten ruokavalioon metsämarjat ovat kuuluneet esihistoriallisista ajoista lähtien, mutta tuoreiden tuontihedelmien syöntiä on alettu opetella vasta 1800-loppupuolella. Sanomalehti Suometar raportoi huhtikuussa 1856, kuinka kauppalaiva täynnä ”appelsiinia, sitronia ja mandelia” oli saapunut Tallinnan satamaan. Muutaman vuoden kuluttua sama onni kohtasi myös helsinkiläisiä.

Kaisa Häkkinen on suomen kielen emeritaprofessori Turun yliopistossa.

Julkaistu Tiede-lehdessä 7/2018