Kansainvälinen tutkimuskonsortio on ehdottamassa Suomeen rakennettavaksi suurta neutriinoteleskooppia, joka olisi maailmanlaajuisesti ainutlaatuinen mittalaite. Kyseessä olisi suurin yksittäinen kansainvälinen tiedehanke Suomessa ja nostaisi suomalaiset neutriinotutkimuksessa samaan asemaan, missä CERN on hiukkasfysiikassa.

Tämän LAGUNA-teleskoopin sijoituspaikka olisi Pyhäsalmen kaivos, noin puolivälissä Jyväskylästä Ouluun vievän tien varressa. Kaivos on Euroopan eräs syvimmistä kaivoksista, missä on louhittu kuparia ja sinkkiä jo yli 50 vuoden ajan. Aluksi maan pinnalta avolouhoksena, mistä vuosien varrella sitä on syvennetty vaiheittain aina 1,4 kilometrin syvyyteen. Nykyisin kaivoksesta louhitaan vuodessa noin 1,4 miljoonaa tonnia malmia, mutta tuotanto on pian loppumassa, joten LAGUNA voisi pitää paikkaseudun vilkkaana.

Pyhäsalmen kaivoksen suuri etu on myös se, että kaivos on erittäin hyvässä kunnossa ja siisti. Siellä on kovapintaisia, hyviä käytäviä ja halleja, joissa tosin pienten henkilöautojen sijaan on suuria kaivostraktoreita, kuorma-autoja, poralaitteita ja muutamia maastoautojakin, sinistä valoaan vilkuttavat lyhyet valomastot katoillaan. Ja on myös työmaaruokala, sosiaalitiloja ja tupakkanurkkaus, ihan kuin olisi missä tahansa teollisuustilassa.

Tähtäimessä alkeishiukkanen

Siinä missä mainarit kaivavat syvyyksistä tonnikaupalla malmia, on tutkijoiden tähtäimessä suurempi asia: koko maailmankaikkeus.  Avain siihen on kuitenkin erittäin pieni alkeishiukkanen nimeltä neutriino. 

Neutriino on eräs alkeishiukkasista ja niitä on todella paljon. Noin 65 miljardia neutriinoa kulkee jokaisen kehosi neliösentin lävitse joka sekunti. Siis 65 miljardia joka sekunti jokaisen neliösentin läpi. Ja tässä ovat vain Auringon tuottamat neutriinot. Lisäksi kosmiset säteet tuottavat niitä ilmakehään törmätessään ja maankuoressa itsessäänkin syntyy paljon neutriinoita, kun radioaktiiviset aineet hajoavat. Ja sitten vielä big bang - maailmankaikkeuden alussa syntyi niin paljon neutriinoita, että se on maailmankaikkeuden yleisin alkeishiukkanen heti fotonin jälkeen.

"Nykyfysiikassa on pienenpieni ongelma", valittelee David Wark, neutriinotutkija Rutherford Appleton -laboratoriosta, Iso-Britanniasta. "Nimittäin emme tiedä mistä kaikki aine on peräisin. Ymmärrämme varsin hyvin fysiikan peruslait, jotka määrittelevät sen miten alkeishiukkaset toimivat; kun mittaamme miten ne käyttäytyvät ja ovat keskenään, niin saamme suurimmalle osalle hiukkasista täsmälleen oikeat vastaukset teoriasta, jota kutsumme standardimalliksi."

"Meidän mieltämme vaivaa kuitenkin yksi asia: nimittäin jos koitamme laskea näiden teorioiden mukaan maailmankaikkeuden alkua, niin emme saa lainkaan ainetta. On kuitenkin selvää, että ympärillämme on ainetta, aika paljonkin, ja me itsekin olemme ainetta, joten mistä ihmeestä se on tullut?"

Wark kertoo, että fyysikot koittavat etsiä nyt erilaisia paikkoja fysiikan perusteista, joissa voisi olla luuraamassa lakeja joita emme vielä tunne. Ja yksi tällainen tuntematon alue on neutriinojen tuntemus: "Emme tiedä niistä vielä paljoakaan. Pystymme havaitsemaan niitä, mutta niitä on tavattoman vaikeaa mitata, joten emme ole pystyneet tutkimaan niitä lähellekään niin tarkasti kuin muita alkeishiukkasia. Toivommekin, että sitten kun tunnemme paremmin neutriinon ominaisuuksia, niin voimme paikata teorioitamme ja lopulta ymmärtää miten maailmankaikkeus on sellainen kuin se on."

Kallio suojaa ja sinne on hyvä rakentaa

Warkin puheet muistuvat helposti mieleen, kun ajaa maastoautolla kaivoskäytävässä. Ajovalot tukevat pimeyteen ja auto heiluu hieman epätasaisella lattialla. Muutaman minuutin ajon jälkeen saavumme tunnelin päähän, kymmenkunta metriä korkeaan ja leveään syvennykseen. 

Tuntuu siltä, että olemme tosiaankin syvällä, siis tosi syvällä maan alla, kun kiveä on joka puolella ja tunneleissa kaikuvat kaukana menevien ajoneuvojen äänet. Kivi seinä on myös selvästi lämmin: maan sisällä on kuumaa.

"Olemme nyt täällä noin 1400 metrin syvyydessä ja yhteiseurooppalaisessa Laguna-hankkeessa suunnitellaan tänne syvälle maan alle sijoitettavaa neutriinoja havaitsevaa instrumenttia", sanoo Marko Aittola, Laguna-neutriinoteleskooppihankkeen projektipäällikkö.

"Nämä neutriinohavaintolaitteet täytyy sijoittaa syvälle maan alle, suojaan ympäröivältä taustasäteilyltä, koska silloin päällä oleva kivikerros suojaa laitetta ylimääräiseltä säteilyltä. Näin voidaan havaita vain neutriinoja, jotka kulkevat maan kuoren läpi tänne ilmaisimeen."

Neutriinot vuorovaikuttavat muun aineen kanssa niin huonosti, että ne voivat kulkea teoreettisesti valovuosia paksun seinän läpi noin vain. Mutta koska niitä on niin valtavasti, niin sattumalta jokunen saa aikaa reaktion jopa sinunkin sisälläsi aina silloin tällöin - ei mitään paniikkia, siitä ei ole mitään vaaraa.

"Neutriinot vuorovaikuttavat ainoastaan heikolla vuorovaikutuksella, niitä syntyy radioaktiivissa reaktiossa ydinreaktioissa, kun ne syntyvät ne läpäisevät aineen kuin tyhjää vain, siksi niitä on niin vaikea havaita. mm aurinko tuottaa valtavia määriä", selittää Kari Rummukainen, Helsingin yliopiston fyysikko.

"Jotta niitä voidaan havaita pitää olla valtavan suuria, massiivisia instrumentteja, siksi tässä Lagunassakin tutkitaan suuruusluokaltaan olevia sata metriä olevia laitteita."

Sata tuhatta tonnia tuikeöljyä?

Jos kerran neutriinot ovat niin hankalia havaita, niin kuinka ihmeessä sellaisia saadaan kiinni ja voidaan analysoida?

"Se tapahtuu niin että meillä on jotain kirkasta ainetta, vettä tai öljyä, tuikeainetta, johon neutriino osuu yhteen atomiin ja siitä tule valontuikahdus ja sitä havaitaan valomonistinputkin, mutta ainetta pitää olla tonneja ja suunnitteilla olevissa laitteissa 10 000 - 100 000 tonnia."

Se, miten neutriinoita havaitaan, riippuu laitteen tekniikasta. Joka tapauksessa tuikahdus kertoo energiasta, ja kun voimme nähdä mistä tuikahdus menee, tiedetään mistä se tulee. "Neutriinoja on kolmea eri lajia, niitä syntyy eri reaktiossa eri lajisia, ja siitä millainen tuikahdus tulee tiedämme millainen neutriino oli kyseessä."

Tarkemmin sanottuna neutriinot voivat olla elektronin kaltaisia, myonin kaltaisia ja tau-leptonin kaltaisia neutriinoita, nämä viittaavat suoraan näihin elektronin kaltaisiin hiukkasiin. "Yleensäkin hiukkasfysiikassa on aina kolme sukupolvea eri hiukkasia", jatkaa Rummukainen. "Ja neutriinolla on sellainen mielenkiintoinen ominaisuus, että kun niitä syntyy, ne ovat tietyntyyppisiä, mutta ne voivat muuttaa olomuotomaan matkalla." 

Kyse on niin sanotusta neutriino-oskillaatiosta, joiden tarkempaa olemusta ei toistaiseksi tunneta. Yksi tärkeimmistä Lagunalla selvitettävistä asioista on juuri nämä neutriino-oskillaatiot. "Jotta varmasti löytäisimme nämä kaikki ns, kriittisen parametrit, tarvitaan tällainen noin kymmenen kertaa aikaisempia neutriinokokeita suurempi havaintolaite."

Neutriino-oskillaatioiden selvittämiseksi tarvitaan neutriinoita, joiden ominaisuudet tiedetään täsmällee. Siksi Sveitsissä, Eurooppalaisessa hiukkastutkimuskeskuksessa CERN on laitteisto, jolla voidaan valmistaa juuri halutunlaisia, täsmälleen samanlaisia  neutriinoja. Sellaisia, joiden ominaisuudet tunnetaan täsmällisesti. 

Kun nämä neutriinot suunnataan maapallon kuoren läpi suoraan Pyhäsalmen kaivokseen, on etäisyys juuri oikea oskillaatioiden havaitsemiseen. Teorian mukaan paras välimatka olisi 2500 kilometriä, ja Pyhäjärvi sijaitsee 2300 kilometrin päässä CERNistä. "Se on aivan täydellistä", huokaisee Rummukainen.