CERNin LHC-kiihdytin, jonka etuosan sisusta on otettu näkyviin

CERN-tutkimuskeskuksessa kiihdytettiin kokonaisia atomeita – tulevaisuudessa siintää "gammasädetehdas"

Euroopan hiukkastutkimuskeskuksessa CERNissä pohditaan erilaisia uusia tapoja tuottaa hiuikkastörmäyksiä, jotka kertovat aineen perusolemuksesta. Yksi tällainen on "gammasädetehdas", joka vaatisi sen, että suuressa LHC-hiukkaskiihdyttimessä pyöritettäisiin protonien sijaan atomeita.

Geneven luona oleva CERN:in 27 kilometriä halkaisijaltaan oleva suuri LHC-hiukkaskiihdytin toimii normaalisti siten, että siihen ohjataan pienemmistä kiihdyttimistä protoneita sisältäviä hiukkassuihkuja, jotka laitetaan pyörimään kiihdyttimen sisällä päinvastaisiin suuntiin ja lopulta ohjataan törmäämään toisiinsa.

Tyypillisesti ennen talven huoltotaukoa protonien sijaan kiihdytetään myös atomiytimiä, jolloin saadaan aikaan erilaisia törmäyksiä.

Aina silloin tällöin kiihdyttimellä tehdään myös erilaisia kokeiluita, kuten viime keskiviikkona, 25. heinäkuuta. Silloin LHC pyöritti ensimmäistä kertaa atomeita.


Juttu jatkuu mainoksen jälkeen

Atomeissa on ydin ja sitä kiertäviä elektroneja. Ytimessä on puolestaan yleensä protoneita ja neutroneita. Elektronit ovat sähkövaraukseltaan negatiivisia ja protonit positiivisia, ja neutronit puolestaan nimensä mukaisesti neutraaleita.

Koska LHC on viritetty toimimaan protoneilla, piti käytettyjen atomiydintenkin olla varaukseltaan positiivisia, joten niissä oli tavallista vähemmän elektroneja. Itse asiassa aika paljon vähemmän, sillä atomeina kokeessa käytettiin lyijyatomeita, joissa oli vain yksi ainoa elektroni.

Ongelmana on LHC:n säätämisen lisäksi se, että lyijy menettää ainokaisen elektroninsa hyvin helposti, jolloin kiihdyttimen tarkasti hiukkasten kanssa synkronoidut magneetit eivät saa siitä enää otetta, vaan atomi törmää kiihdyttimen pienen tyhjiöputken seinään.

Ensimmäisessä kokeessa kiihdyttimeen ohjattiin 24 atomeista koostunutta rypästä ja niitä pyöritettiin hyvin hitaasti suuressa kiihdytinrenkaassa noin tunnin ajan. Sitten tehoa lisättiin ja atomien nopeus kasvoi. Atomeita onnistuttiin pitämään noin kaksi minuuttia kiihdyttimessä, ennen kuin ne ohjautuivat siitä pois. Kiihdytin on tehty siten, että kun hiukkassuihku – tai atomisuihku – ei ole stabiili, se ohjataan pois kohtioon, mihin atomit törmäävät turvallisesti jälkiä jättämättä.

Sen jälkeen LHC resetoitiin ja sen sisälle ohjattiin vain kuusi atomirypästä. Niiden kanssa kaikki toimi paremmin, ja suihku onnistuttiin pitämään kahden tunnin ajan pyörimässä kiihdyttimessä suurella teholla, ennen kuin se tarkoituksella ohjattiin ulos renkaasta.

Tutkijat ennustivat, että teoreettisesti LHC voisi pitää tällaisen omituisen hiukkassuihkun sisällään 15 tunnin ajan, mutta nyt tehdyn kokeen perusteella se voisikin toimia jopa 40 tunnin ajan.

Koe liittyy CERN:in uusien, mahdollisten koelaitteiden testaamisohjelmaan, missä eräs mahdollisista tulevaisuuden laitteista on niin sanottu gammatehdas.

Gammatehtaassa (englanniksi Gamma Factory) kiihdyttimessä kiertävään suurienergiseen atomisuihkuun ammutaan laservaloa, jolloin atomien elektronit hyppäävät korkeammalle energiatasolle ja palaavat sitten sieltä takaisin. Normaalisti energiatasolta alemmalle putoava elektroni vapauttaa tavallista valoa, mutta kun atomit liikkuvat kiihdyttimessä hyvin lähellä valon nopeutta, olisi syntyvä valo hyvin lyhytaallonpituuksista, eli osuisi gamma-aaltojen alueelle.

Gammasäteet puolestaan olisivat niin voimakkaita, että ne voisivat tuottaa tavallisen aineen hiukkasia, mutta myös raskaampia alkeishiukkasia sekä mahdollisesti eksoottisia aineen muotoja, kuten omituista pimeää ainetta.

Tuloksena voisi olla myös myonisäteitä, aivan uudenlainen hiukkassuihku, jonka käyttäminen avaisi uusia mahdollisuuksia hiukkastutkimuksessa. Myonit ovat epävakaita hiukkasia, jotka ovat hieman kuten elektroneja, paitsi että niiden massa on 207-kertainen elektronin massaan verrattuna. Siitä tekee kiinnostavan hiukkastutkimuksen kannalta paitsi sen korkea massa, niin myös se, ettei sillä ole sisäistä rakennetta – törmäystulokset ovat siis yksiselitteisempiä, kuin esimerkiksi LHC:n nyt käyttämillä protoneilla, jotka koostuvat kolmesta kvarkista.

Matkaa näihin uudenlaisiin kiihdyttimiin on vielä paljon, mutta nyt tehty koe antaa toivoa siitä, että sellaisia voidaan joskus vielä tehdä.

Seuraavaksi LHC:n "valovoimaa" lisätään

LHC-kiihdyttimen tehoa on lisätty sen toiminta-aikana jo useaan kertaan, ja lähivuosina sitä parannellaan myös useilla eri tavoilla. Yksi tempuista on lisätä kiihdyttimeen laitteet, joiden avulla törmäyksien määrää saadaan lisättyä.

Nyt hiukkassuihkut osuvat toisiinsa koelaitteiden keskellä yhdessä kohdassa, mutta tavoitteena on saada törmäyskohtaa levennettyä. Silloin toisiinsa osuvat hiukkassuihkut – joissa on paljon protoneita molemmissa – osuvat laajemmalla alueella toisiinsa, jolloin suurempi osa niiden hiukkasista osuu toisiinsa. Nyt suurin osa hiukkasista menee ohi.

"Suuri kirkkaus", eli High luminocity, viittaakin juuri tähän suurempaan törmäysmäärään; törmäyskohdat ikään kuin loistavat paremmin.

Alla oleva CERN:in video selittää, miten LHC:n virittäminen tapahtuu.



Juttuja samasta aiheesta