hiukkaskiihdytin

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.

Korjausten ja parannusten jälkeen LHC on jälleen hieman aiempaa parempi.

Erityisesti sen hiukkassuihkujen "kirkkaus" on nyt parempi, mikä tarkoittaa sitä, että havaintolaitteissa tapahtuu enemmän hiukkastörmäyksiä ja siten tuloksena on enemmän havaintoja.

Lisäksi tarkoituksena on saada LHC toimimaan vieläkin suuremmalla hyötysuhteella. Viime vuonna kiihdyttimessä oli tasainen, hyvä tutkimuskäyttöön sopiva hiukkassuihku noin 49 % ajasta, mikä oli olennaisesti parempi kuin aikaisempi noin 35 %. Nyt tämän luvun odotetaan kasvavan edelleen, mikä tarkoittaa osaltaan myös lisää hyviä havaintoja ja siten mahdollisesti kiinnostavia tutkimustuloksia.

Käynnistäminen – kuten sammuttaminenkaan – ei käy noin vain nappia painamalla.

LHC on suuri systeemien systeemi, useiden eri toisiinsa liittyneiden laitteistojen ja pienempien kiihdytinten verkko, jonka saaminen käyntiin vie noin kuukauden päivät.

"Se on kuin orkesteri, missä kaiken täytyy toimia yhdessä ja samanaikaisesti. Kun jokainen sen osana oleva kiihdytin on päällä ja toimii normaalisti, alamme syöttää hiukkassuihkua pienemmästä kiihdytinrenkaasta yhä isompaan ja lopulta LHC:n suureen renkaaseen."

Nyt muutaman viikon ajan laitteiston toimintaa tarkkaillaan ja hienosäädetään. Hiukkastiheyttä lisätään vähitellen ja lopulta toukokuun puolivälissä alkaa LHC jälleen tehdä kunnolla tiedettä.

Ja sen jälkeen se pyöriikin ympäri vuorokauden aina ensi joulukuuhun saakka.

Järeimmillään tämä tarkoittaa sitä, että esimerkiksi taulua pommitetaan hiukkaskiihdyttimellä synnytetyllä hiukkassuihkulla, ja kun hiukkaset reagoivat taulussa olevan aineen kanssa, syntyy uusia hiukkasia, ja näitä analysoimalla voidaan saada selville monenlaisia asioita käytetyistä materiaaleista aina eri kerroksiin näkyvän pinnan alla. 

Kopiot ja väärennökset paljastuvat yleensä helposti materiaalitutkimuksen keinoin.

Taulujen lisäksi samaa menetelmää voidaan käyttää patsaisiin, veistoksiin ja vaikkapa rakennusten osiin. Esimerkiksi arkeologisia löytöjä tutkittaessa voidaan myös määrittää varsin tarkasti niiden ikä.

Toinen kuuluisa taidekäytössä oleva hiukkaskiihdytin on hieman yllättävässä paikassa: Pariisissa Louvre-museon kellarissa. Museon kävijät eivät varmastikaan tule ajatelleeksi sitä, että legendaarinen taidemuseo on myös ydinlaboratorio.

Louvren hiukkaskiihdytin tunnetaan nimelllä AGLAE, eli  Accélérateur Grand Louvre d'analyse élémentaire, "Suuri Louvren alkeishiukkasanalyysikiihdytin".

Vaikka keskisen Euroopan maissa on runsaasti kulttuuriperintöä, riittää laitteilta tutkimusaikaa myös tieteelle. Niillä voidaan tutkia mm. biologisia ja fysikaalisia näytteitä, analysoida melkein mitä tahansa ja myös esimerkiksi tuottaa avaruussäteilyä vastaavaa säteilyä, jonka avulla voidaan testata elektronisten laitteiden säteilynsietokykyä.

Pariisin AGLAE on teholtaan 2 MeV ja Firenzen LABEC 3 MeV, eli kiihdyttiminä ne eivät ole huiman voimakkaita, mutta käyttötarkoitukseensa täysin sopivia.

Samankaltaista työtä tehdään myös Suomessa

Helsingin yliopiston Luonnontieteellisellä keskusmuseolla Luomuksella ja matemaattis-luonnontieteellisen tiedekunnan fysiikan laitoksella on näiden yhteisesti pyörittämä Ajoituslaboratorio, joka tekee tutkimusta muun muassa Fysiikan laitoksen TAMIA hiukkaskiihdyttimellä, jota käytetään massaspektrometrinä samaan tapaan kuin taidetutkimuksessa.

Olennaisin käyttömuoto on radiohiilimääritys: radiohiilen (¹⁴C) määrän tarkka selvitys auttaa selvittämään näytteen ikää ja alkuperää.

Hyvän erimerkin tämän menetelmän monikäyttöisyydestä tarjoaa tapaus, missä Ajoituslaboratorioon saapui ulkomaiselta asiakkaalta polttoainenäyte, jonka bio-osuudeksi mitattiin matala 2,7 % arvo.

Asiakkaan kanssa keskusteltaessa kävi ilmi, että näytteen toimittanut yritys oli väittänyt polttoaineen sisältävän biopolttoainetta 80 %.

Polttoaineen bio-osuus voisaan sekin määrittää radiohiilen avulla, koska se kulkeutuuu ravintoketjun kautta ilmakehästä eliöihin.

Kaikkeen biomassaan – eli kaikkeen elolliseen – kertyy ilmakehän radiohiiltä fotosynteesin ja ravintoketjun kautta. Eliön kuoltua radiohiiltä ei enää kerry, vaan sen määrä alkaa laskea siten, että fossiilisesta materiaalista radiohiiltä enää löydetä. Biopolttoaine on valmistettu eloperäisestä aineesta, jolloin siitä löytyy aina myös radiohiiltä.

Bio-osuus selviää, kun määritetään missä osuudessa näytettä radiohiiltä on jäljellä. Voidaan esimerkiksi määrittää, kuinka paljon fossiiliseen dieseliin on sekoitettu bioperäistä uusiutuvaa dieseliä tai voidaan varmistaa, onko bioetanoli-bensiinisekoituksen etanoli todellisuudessa bioperäistä.

Bio-osuuksien määritysmenetelmää voidaan hyödyntää myös esimerkiksi voimalaitosten savukaasujen analysointiin. Piipusta ulos puskevasta savusta otetusta hiilidioksidinäytteestä voidaan mitata, kuinka paljon biopolttoainetta voimalaitos on polttanut tietyllä aikavälillä tai selvittää biomuovien bio-osuuksia. Käytännössä menetelmällä voidaan mitata mitä tahansa materiaalia, joka sisältää hiiltä.

Järein Suomessa oleva hiukkaskiihdytin on Jyväskylän yliopiston kiihdytinlaboratorion K-130, jonka teho on nimen mukaisesti 130 MeV. Jyväskylässä on myös Louvren ja Firenzen kiihdyttimien tyyppinen, materiaalifysiikan tutkimuksessa käytettävä laitteisto, jonka teho on 1,7 MeV.

Samankaltaisia kiihdyttimiä on monissa paikoissa ympäri maailman – ne eivät ole harvinaisuuksia, vaikka taiteelle pyhitetyt laitokset ovatkin.

Kuvat: LABEC, Wikipedia, CNRS / A. Cheziere ja Helsingin yliopisto / Marika Turtiainen

Kuvat: CERN

Viiden vuoden aikana muun muassa kiihdyttimen tyhjiöputkia, hiukkassuihkua ohjaavia magneetteja ja hiukkasia kiihdyttäviä osia on vaihdettu uusiin, parempiin.

Olennaista on myös törmäyksiä kuvaavan ilmaisimen parantaminen. Jo ennen laitteistojen parantamista laite on havainnut uudenlaisia B-kvarkin hiipumisia törmäysten jälkeen. Asia liittyy niin sanottuun CP-rikkoon, joka tarkoittaa yhtä omituisen CP-symmetrian rikkoutumista, ja se edelleen liittyy juuri siihen miksi varhaisen maailmankaikkeuden hiukkasreaktioissa aine ja antiaine eivät ole tuhonneet toisiaan täysin, vaan jäljelle on jäänyt ainetta.

Siis miksi ainetta on ja miksi Aurinkokunta, Maa ja me olemme olemassa.

Kooltaan SuperKEKB ei ole mitenkään suuri verrattuna esimerkiksi CERNin LHC-kiihdyttimeen, sillä sen kiihdytinrenkaat ovat läpimitaltaan "vain" noin kolme kilometriä. Jo aikaisemmin se pystyi tuottamaan maailman "kirkkaimpia" törmäyksiä, eli törmäyksien määrää havaintolaitteen sisällä olevaa havaintoalueen pinta-alaa kohden, ja uudistettuna vielä kirkkaus on vielä parempi. Tarkalleen 40 kertaa aiempaa parempi, eli 8 × 10³⁵ cm⁻² s⁻¹.

Kiihdyttimessä on kaksi kiihdytinrengasta, joista positroneja kiihdyttävän energia on 4 GeV ja elektronirenkaan 7 GeV.

Minkä taakseen jättää, sen edestään löytää

Vanha sanonta toteutuu ikävällä tavalla, sillä 60-henkinen insinööriryhmä joutuu nyt käymään jokaisen näistä johdoista läpi ja korvaamaan suuren osan niistä uusilla.

Vanhojen johtojen paikalleen jättäminen ei enää onnistu, koska kaapeleille varatut kourut ja tilat ovat tupaten täynnä.

Siksi insinöörit ovat jo nyt kartoittaneet edessään olevaa työtä. Suurin osa kaapeleista on turhia, joten ne tullaan yksinkertaisesti poistamaan tieltä. Osa samanlaisista kaapeleista on kuitenkin toiminnan kannalta tärkeitä ja osa niistä on turvallisuuden kannalta hyvin tärkeitä. Nämä johdot pitää tunnistaa ja korvata uusilla. 

Varsinainen urakka alkaa jo ensi vuonna, mutta johtojen paikantaminen sekä tunnistaminen on jo alkanut. Kaapeliruljanssin valmistelu alkoi jo viime kesänä arkistomateriaalin avaamisella. Periaatteessa jokaisesta johdosta on olemassa dokumentti, mutta käytännössä niin ei ole. Vanhimmat tiedot ovat lähes 70 vuoden takaa.

Kun johtojen vaihtaminen pääsee vauhtiin, sen odotetaan kestävän neljän vuoden ajan. Näin nykyistäkin parempi ja tehokkaampi LHC voisi hyrähtää käyntiin vuoden 2020 lopussa. 

Kuva: CERN