hiukkaskiihdytin

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

Ti, 07/31/2018 - 11:01 By Jari Mäkinen
CERNin LHC-kiihdytin, jonka etuosan sisusta on otettu näkyviin

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.

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.

Suorana labrasta 11/2018: Tuomas Grahn ja ydinfysiikkaa Jyväskylästä

Ma, 03/12/2018 - 12:38 By Jari Mäkinen
Suorana labrasta: Tuomas Grahn

Suorana labrasta tekee jälleen maantieteellisesti ja tieteenalallisesti isohkon hyppäyksen: tällä viikolla ollaan Jyväskylän yliopiston fysiikan laitoksen kiihdytinlaboratoriossa, mistä meille twiittaa Tuomas Grahn, eli @TuomasG.

Tuomas on kokeellinen ydinfyysikko, eli hän tutkii atomin ytimen rakennetta kiihdytinlaboratorioissa tehtävien kokeiden avulla.

Koordinoin myös Suomen osallisuutta Saksaan rakennettavassa FAIR-kiihdytinlaboratoriossa. Ydinrakenteen tutkimuksessa erikoisalani on spektroskopia sekä stabiileja että radioaktiivisia hiukkassuihkuja käyttäen."

Mitä tämä tarkoittaa – se selviää alla olevasta, viikon aikana lähetettyjen twiittien koosteesta:

LHC hyrähti taas käyntiin – takana kuukausia kestänyt massiivinen kaapelirumba

Ke, 05/03/2017 - 17:24 By Jari Mäkinen

Maailman suurimman hiukkaskiihdyttimen jokatalvinen lepohetki päättyi juuri ennen vappua. Nyt Euroopan hiukkastutkimuskeskus CERNin LHC jatkaa aineen salaisuuksien tonkimista.

Hiukkassuihkujen pyörittäminen kiihdyttimen sisällä vaatii varsin paljon sähköenergiaa, joten Euroopan hiukkastutkimuskeskuksessa on ollut jo pitkään tapana keskeyttää atomien murskaaminen aina talvisaikaan, jolloin sähkö kalliimpaa kuin kesällä ja jolloin energiaa kaivataan enemmänkin lämmittämiseen. 

Talvi onkin siksi hyvä hetki laittaa systeemit stoppiin ja tehdä kiihdyttimelle sekä sen mittalaitteille huoltotoimia.

Tällä kerralla viime joulukuussa alkanut talviseisokki kesti 17 viikkoa ja se päättyi tarkalleen 29. huhtikuuta, jolloin hiukkassuihkut kiersivät jälleen LHC:n sisällä.

Talviseisokki oli tällä kerralla hieman normaalia pitempi, koska yksi kokonainen suprajohtava magneetti vaihdettiin, hiukkassuihkun LHC-kiihdyttimeen tuottavan laitteiston toimintaa parannettiin ja lisäksi laitteistossa olevia kaapeleita setvittiin sekä ylimääräisiä poistettiin. 

Tämä johtorumba ei ollut mikään yllätys: kerroimme siitä jo viime vuoden tammikuussa, kun edellisen seisokin aikaan huomattiin, että laitteistoja vuosien varrella parannettaessa oli vanhoja, tarpeettomiksi käyneitä kaapeleita jätetty paikalleen.

Jälkikäteen ajateltuna tämä insinöörille tyypillinen laiskuus koitui ongelmaksi, koska kaapelit vievät tilaa ja toimimattomat sekä tarpeelliset johdot ovat menneet sekaisin. 

Kyse ei ollut ihan pikkuasiasta, sillä kaapeleita oli kaikkiaan noin 9000 ja jokainen niistä on noin 50 metriä pitkä. Ne kiemurtelivat kiihdyttimen rakenteissa ja tunneleissa maan pinnalla olevista rakennuksista kallioon tehdyissä luolastoissa oleviin kiihdyttimiin. Nyt suurin osa näistä on saatu siivottua.

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.

Ihme ja kumma: Taidemuseo Louvren kellarissa on hiukkaskiihdytin.

Ma, 01/09/2017 - 10:02 By Jari Mäkinen

Hiukkaskiihdyttimistä tulee yleensä mieleen hiukkasfysiikka ja luonnon pienimpien mysteerien tutkiminen. Todellisuudessa hiukkaskiihdyttimillä tehdään paljon muutakin: niillä voi valmistaa esimerkiksi lääketieteessä tarvittavia radioaktiivisia aineita, niitä voi käyttää ikään kuin mikroskooppeina sekä aineanalysaattoreina. Tutkittavat kohteet voivat olla niin korvaamattomia taide-esineitä kuin biopolttoainettakin.

Otsikkokuvassa tutkitaan vanhaa taulua Firenzessä, Italissa olevalla LABEC-kiihdyttimellä

LABEC tulee sanoista Laboratorio di Tecniche Nucleari per i Beni Culturali, eli jotakuinkin "Ydintekninen laboratorio kulttuuriperintöä varten", ja tämä kertoo mitä laitos tekee: käyttää ydintekniikkaa vanhan taiteen sekä muun sellaisen tutkimiseen.

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.

AGLAE
AGLAE käytössä
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

Maailman suurimman atomilaboratorion rakennus alkoi

Ti, 05/17/2016 - 12:27 By Jari Mäkinen

Jo toinen historiallinen kuva peräjälkeen päivän kuvana: nyt kuva on vuodelta 1956, ja siinä rahdataan "jättimäisen" suurta magneettia juuri perustettuun Eurooppalaiseen hiukkastutkimuskeskukseen CERNiin.

Päivän kuvaSyy siihen, miksi ammoinen kuva CERNistä on tänään päivän kuvana, johtuu siitä, että tämän maailman johtavaksi hiukkastutkimuskeskukseksi kohonneen "atomilaboratorion" rakentaminen alkoi tänään vuonna 1954.

Tai siis paria päivää aikaisemmin, 15. toukokuuta 1954, mutta virallinen peruskiven asettaminen Sveitsissä, Meyrinin kylässä aivan Geneven vieressä tapahtui tänään 62 vuotta sitten. 

Päätös CERNin perustamisesta tehtiin joulukuussa 1949, kun toisen maailmansodan jälkipyykkinä haluttiin luoda organisaatio, missä eri maiden tutkijat saattoivat tehdä yhdessä vaaralliseksi miellettyä atomitutkimusta. Ydinase oli tuore ja sen liepeillä ollut ydinfysiikan tutkimus haluttiin näin suunnata rauhanomaiseen käyttöön.

Tämä ei tietenkään estänyt ydinaseiden tekemistä, mutta pelin henki oli toisenlainen – minkä lisäksi CERNissä tehtiin erittäin hyvää työtä alusta alkaen.

Rauhanprojektitausta on myös tärkein syy siihen, miksi CERN sijoitettiin Sveitsiin. Vuonna 1952 entisen Kansainliiton (YK:n edeltäjä) kotipaikka Geneve valittiin uuden Euroopan ydinfysiikan instituutin kotipaikaksi, mutta asia ei ollut sillä selvä: sveitsiläiseen tapaan asiasta järjestettiin kansanäänestys, ja kesällä 1953 geneveläiset puolsivat äänin 16539 – 7332 laitoksen perustamista mailleen.

Rakentaminen alkoi lentokentän vieressä olevalle tasaiselle Meyrinin kylän alueelle siis tänään vuonna 1954.

CERNin virallinen nimi (Centre Européenne de Recherche Nucléaire) ja sen peruskirja ratifioitiin vasta syyskuussa 1954, jolloin allekirjoittajina ja siten laitoksen perustajina olivat Saksan liittotasavalta, Belgia, Tanska, Ranska, Kreikka, Italia, Norja, Alankomaat, Iso-Britannia, Ruotsi, Sveitsi ja Jugoslavia.

Suomi liittyi mukaan pitkän poliittisen väännön jälkeen vuonna 1991 – tarkoittihan mukaan meneminen virallisesti paitsi kustannuksia, niin myös yhtä virallista sidettä lisää läntiseen maailmaan.

Tosin nykyisin Suomea ennen CERNiin liittyivät Itävalta (jo vuonna 1959), Espanja ja Portugali, ja Suomen jälkeen joukko on kasvanut Puolalla, Unkarilla, Tshekillä, Slovakialla, Bulgarialla ja Israelilla. 

Nykyisin myös  Euroopan komissio, Intia, Japani, Venäjä, Turkki, UNESCO ja Yhdysvallat ovat CERNin tarkkailijajäseniä.

CERNin ensimmäinen hiukkaskiihdytin oli 600 MeV:n Synkro-Syklotroni (SC), jonka tekemiseen osallistuivat kaikki alkuperäiset 12 jäsenmaata. Osia tuotiin Geneveen eri puolilta Eurooppaa, ja suurten osien tuomista varten tieverkkoa Meyrinin kylän ympäristössä piti muuttaa raskaille kuljetuksille sopivaksi.

Eräs massiivisimmista ensimmäisistä kuljetuksista oli SC:n suuret kaksi magneettia, joiden massa oli 60 tonnia ja ne olivat halkaisijaltaan 7,2 metriä.

SC käynnistettiin vuonna 1957 ja se oli toiminnassa vuoteen 1991 saakka – tosin loppuvaiheessa lähinnä avustavassa roolissa.

Silloin oli juuri käynnistynyt 27 kilometriä halkaisijaltaan maan alla olevaan tunneliin rakennettu LEP, jonka paikalla sijaitsee nykyisin LHC. Sitä on puolestaan ehdotettu parannettavaksi edelleen vielä tehokkaammaksi, tosin mukana suunnitelmissa on myös FCC (Future Circular Collider), huikea noin 100 km halkaisijaltaan oleva rengas. Se pystyisi tuottamaan 100 TeV:n törmäyksiä, eli lähes kymmenen kertaa suurempia kuin nyt LHC.

Ja LHC on puolestaan nykyisellä 14 TeV:n energiallaan yli miljoona miljoona kertaa äreämpi kuin SC aikanaan.

Alla vielä aivan ensimmäiset kuvat CERNistä. Panoraama on vuodelta 1953, jolloin paikalla oli pelkkää peltoa, ja laajempi kuva näyttää kuinka kaivaminen alkoi 62 vuotta sitten.

Kuvat: CERN

Maailman uusin hiukkaskiihdytin hyrähti käyntiin

To, 03/03/2016 - 17:36 By Jari Mäkinen
SupeKEKB- kiihdytin


Japanilainen SuperKEKB -hiukkaskiihdytin käynnistettiin eilen Tsukubassa, Tokion luona. Tähän elektroni-positronikiihdyttimeen tehtiin suuria muutoksia ja parannuksia viiden vuoden ajan, ja nyt ne liittyy maailman hiukkaskiihdyttimien eliittiin.


Maailmassa ei ole montaa suurta hiukkaskiihdytintä, ja onneksi niitä rakennettaessa ne tehdään pääosin tutkimaan hieman erilaisia hiukkasfysiikan aloja.

Japanin hiukkasfysiikan tutkimuskeskuksen KEK:n kiihdyttimen tehtävänä on keskittyä tutkimaan elektronien avulla sitä, minne kaikki antimateria on mennyt. Kaikilla hiukkasilla on omat antihiukkasensa, kuten elektronilla on positroni, mutta emme näe maailmankaikkeudessa lainkaan antimateriaa. Toisaalta se on ymmärrettävää, sillä kohdatessaan materia ja antimateria hävittävät toisensa mojovasti pamahtaen,  ja siten jos toista olisi enemmän, näkisimme iloisia räjähdyksiä joka puolella. 

Japanilaiset tutkivat antimateriaa ja sen vuorovaikuttamista materian kanssa törmäyttämällä elektroneja ja niiden vastahiukkasia, positroneja, toisiinsa. SuperKEKB kiihdyttää näitä hiukkasia suureen nopeuteen ja ohjaa nokkakolariin, missä syntyy uusia hiukkasia ja vapautuu energiaa.

Näitä törmäyksiä tutkitaan kiihdyttimen hiukkasilmaisimella, joka on nimeltään Belle. Itse asiassa kyseessä on laitteiston parannettu versio, joka tunnetaan nyt nimellä Belle II.

Myös itse kiihdytin, nimeltään SuperKEKB, on siis nyt paranneltu ja tehostettu alkuperäisestä laajamittaisessa remontissa. Nimessä olevan kirjain "B" viittaa kuitenkin siihen, että törmäyksissä syntyy B-kvarkkeja ja niiden antiB-kvarkkeja.

Kvarkit ovat alkeishiukkasten perusrakennepalikoita ja niitä on kuusi erilaista, jotka tunnetaan runollisilla nimillä Ylös, Alas, Lumo, Outo, Huippu ja Pohja. Japanilaiskiihdyttimen fokus on viimeisessä: B tulee englanninkielisestä nimestä Bottom. Tai Beauty, eli kauneus – kvarkkien nimet ovat sinällään kauniita ja lumoavia, ja niistä voisi joskus kirjoittaa enemmänkin.

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.

Iso urakka: etsi ja irrota 9000 sähköjohtoa

Ke, 01/27/2016 - 23:46 By Jari Mäkinen
Boosterin sisällä


Euroopan hiukkastutkimuskeskus CERNissä on edessä harvinaislaatuinen urakka, kun insinöörit joutuvat kamppailemaan suuren johtomäärän kanssa päivittäessään LHC-hiukkaskiihdyttintä vieläkin paremmaksi.


Juuri viime vuonna ison remontin ja parannusten jälkeen käyttöön otetun LHC-kiihdyttimen seuraavaa parantamista pohdittaessa on huomio kiinnitetty myös hiukkasia kiihdyttimeen syöttävään laitteistoon.

Tarkoituksena on pysäyttää kiihdytin jälleen vuonna 2019, jolloin sitä jälleen viilataan paremmaksi ja tehokkaammaksi.

Silloin työn alle otetaan myös ns. protonisynkrotroniboosteri (PS Booster), protonisynkrotroni (PS) ja superprotonisynkrotroni (SPS). Vanhin näistä on otettu käyttöön jo vuonna 1959.

Nämä kaikki ovat aiemman sukupolven hiukkaskiihdyttimiä, jotka on valjastettu nyt esikiihdyttimiksi. Hiukkaset synnytetään ja kiihdytetään niissä sopivaan vauhtiin ennen kuin ne syötetään kiertämään varsinaisessa LHC-kiihdyttimen suuressa renkaassa.

Nyt kuitenkin edessä olevaa työtä suunniteltaessa on eteen tullut insinöörimaailmassa varsin tyypillinen ongelma: kun aikanaan kiihdyttimiä on paranneltu, on uusia kaapeleita niihin asennettaessa vanhat kaapelit jätetty paikalleen, koska niiden poistaminen olisi ollut liian suuri työ.

Kyseessä eivät ole suuret voimansiirtokaapelit, vaan pienemmät, tyypillisesti tiedonsiirtoon ja kauko-ohjaukseen käytetyt sähköjohdot.

Niitä on kaikkiaan noin 9000 ja jokainen niistä on noin 50 metriä pitkä. Ne kiemurtelevat kiihdyttimen rakenteissa ja tunneleissa maan pinnalla olevista rakennuksista kallioon tehdyissä luolastoissa oleviin kiihdyttimiin.

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

Donald Kerst ja ”Superröntgenkone”

To, 01/21/2016 - 12:04 By Markus Hotakainen
Donald Kerst ja betatroni

Päivän kuva on 76 vuoden takaa. Professori Donald Kerst rakensi vuonna 1940 ensimmäisen magneettiseen induktioon perustuvan hiukkaskiihdyttimen Illinois’n yliopistossa. 

Päivän kuva

Uutuuden nimeäminen aiheutti päänvaivaa ehkä enemmän kuin itse laitteen rakentaminen. Yliopistossa järjestettiin nimikilpailu, johon tulleita ehdotuksia olivat esimerkiksi rheotroni, induktroni ja Super-X-Ray Machine (”superröntgenkone”).

Kummallisin oli kuitenkin Ausserordentlichhochgeschwindigkeitelektronenentwickelndenschwer-arbeitsbeigollitron, joka ymmärrettävistä syistä ei saanut kannatusta. Lopulta Kerst päätyi kutsumaan laitetta betatroniksi.

Betatroni on eräänlainen muuntaja. Sen toisiokääminä on rengasmainen tyhjiöputki, jonka sisällä liikkuvien elektronien vauhtia ensiökäämin vaihtovirta kiihdyttää. 

Kollegoineen Kerst tutki laitteensa avulla esimerkiksi röntgensäteilyn tunkeutumista ihmiskudokseen. Kokeilla oli keskeinen merkitys, kun betatronista kehitettiin syövän hoidossa käytettävän röntgensäteilyn lähdettä.

Kuva: University of Illinois

 

LHC-hiukkaskiihdytin teki historian voimakkaimmat törmäykset

Su, 11/29/2015 - 13:11 By Jari Mäkinen
Ennätystörmäys CMS-koeasemalla

Viime kesänä uudelleen käyttöön otettu, parannettu LHC-hiukkaskiihdytin (Large Hadron Collider) on nyt täydessä vauhdissa. Genevessä, Euroopan hiukkastutkimuskeskus CERNissä oleva kiihdytin on tuottanut ensimmäiset todella voimakkaat hiukkastörmäyksensä, kun se aloitti 17. marraskuuta kuukauden kestävän varsin erikoisen tutkimusjakson: sen aikana kiihdyttimessä ei käytetäkään pelkkiä protoneita, vaan nyt sen sen avulla mäiskäytetään lyijyioneita toisiinsa.

Lyijy on eräs raskaimmista pysyvistä alkuaineista, jotka eivät ole radioaktiivisia. Kiihdyttimessä käytetään pelkkiä lyijy-ytimiä, eli atomeista on karsittu kaikki niiden elektronit pois. Ytimissä on 126 neutronia ja 82 protonia, eli yhteensä 208 hiukkasta!

Tuloksena on kaksi kertaa aiempaa voimakkaampia törmäyksiä.

Kaikki neljä suurta LHC:n koeasemaa ovat mukana tässä kampanjassa, jonka avulla voidaan nyt saada aikaan tiiviimpää ja kuumempaa ainetta kuin koskaan aiemmin. Törmäyksissä lämpötilat vastaavat useaa triljoonaa astetta ja tiheys aikaa juuri maailmankaikkeuden syntymän jälkeen. 

Ei ihme, että mustien aukkojen syntymällä LHC:n käynnistämisen aikaan pelotelleet ihmiset ovat nyt heränneet uudelleen, ja maailmanloppuviestit kiertävät taas kerran netissä (ja muuallakin).

Aineen perusolemusta tutkimassa

Heti alkupamauksen jälkeen, vain muutaman sekunnin miljoonasosan kuluttua big bangista, oli koko maailmankaikkeus hyvin pieni, tiivis ja kuuma. Se koostui vain hiukkaspuurosta, jossa oli pääasiassa gluoneita ja kvarkkeja. 

Gluonit, kuten niiden liimaan viittaava nimi kertoo, kiinnittää nykyisin kvarkit toisiinsa muun muassa protoneiksi ja neutroneiksi. 

Tarkoituksena kokeissa onkin nyt synnyttää olotila, missä on kvarkkigluoniplasmaa, jonka tutkiminen auttaisi ymmärtämään paremmin aineen olemusta. 

Jo aiemmin pienempiä energioita käytettäessä on havaittu omalaatuisia ilmiöitä, kuten hiukkasia, jotka menettävät nopeasti ja yllättävästi energiaansa kvarkkigluoniplasmaan. Miksi näin käy ja miten, on epäselvää.

Koelaitteista ATLAS keskittyy metsästämään törmäyksistä raskaita W- ja Z-bosoneita. CMS-koeasema, jonka tekemisessä oli ja tutkimuksessa on edelleen paljon suomalaisia mukana, pystyy myös kuvaamaan sekä mittaamaan erittäin tarkasti törmäyksiä, joissa on mukana raskaita hiukkasia.

Nyt myös LHCb-koeasema (joka törmäyskuva on yllä)  toimii samaan aikaan; aiemmin sitä on käytetty erikseen. Tämä johtuu siitä, että se toimii hieman eri tavalla: siinä missä ATLAS ja CMS tutkivat, kuvaavat ja mittaavat koeaseman keskellä tapahtunutta törmäystä, keskittyy LHCb seuraamaan sitä, mitä tapahtuu kun hiukkaset törmäävät kiinteään kohteeseen. 

Siksi sen mittalaitteet on asennettu kohtion takapuolelle noin 20 metrin pituudelle ja niiden avulla jäljitetään hiukkasia, jotka syntyvät törmäyksessä ja sinkoavat siitä eteenpäin. 

Laite kehitettiin tutkimaan ennen kaikkea aineen ja antiaineen pieniä eroavaisuuksia, jotka näkyvät ns. kauneus-kvarkissa, eli b-kvarkissa. Laitteen nimi LHCb tulee juuri tästä (Large Hadron Collider beauty).

Kiina suunnittelee maailman suurinta hiukkaskiihdytintä

Pe, 10/30/2015 - 14:13 By Jari Mäkinen
Kuva LHC:n tunnelista

Uutiset kiinalaisista tieteen jättihankkeista jatkuvat: valtavan radioteleskoopin lisäksi Kiina aikoo rakentaa maailman suurimman ja tehokkaimman hiukkaskiihdyttimen.

Maan tiedeakatemian suurenergiafysiikan instituutin johtaja Wang Yifang kertoi eilen China Daily -lehdelle, että uuden kiihdyttimen suunnittelu saataneen valmiiksi ensi vuonna ja sen rakentaminen alkaa vuonna 2020.

Kiihdyttimestä on tarkoitus tehdä kaksi kertaa suurempi ja peräti seitsemän kertaa voimakkaampi kuin nykyinen ennätyksenhaltija, Sveitsissä oleva Eurooppalaisen hiukkastutkimuskeskuksen CERN:in LHC.

Sijoituspaikaksi tulee todennäköisesti Pekingin koillispuolella oleva Qinhuangdaon kaupunki.

Wangin mukaan kiihdyttimen suunnittelu alkoi vuonna 2013, siis vuotta kuuluisan Higgsin bosonin löytämisen jälkeen, ja laitteen yksi tarkoitus onkin tutkia muun maussa tätä omituista bosonia tarkemmin. Suurempi kiihdytin saattaa avata myös kokonaan uuden ajan hiukkasfysiikassa, ja siksi suuria kiihdyttimiä suunnitellaan toki muuallakin. Näistä suunnitelmista konkreettisin ja pisimmällä oleva on CERNin seuraavan sukupolven lineaarikiihdytin. Sekään ei tule kuitenkaan pärjäämään kiinalaiselle, mikäli se rakennetaan suunnitelman mukaisesti.

Tarvoitteena on mahdollisesti jopa 100 km halkaisijaltaan oleva rengasmainen kiihdytin, jossa törmäytettäisiin elektroneja ja positroneja toisiaan vastaan.

Samalla suunnitellaan jo kiihdyttimen parantamista siten, että elekronien sijaan hiukkasina olisivat protonit. Sen teho riittäisi jopa 100 TeV:n tärmäyksiin – vertailun vuoksi LHC:n teho nyt on 13 TeV. Siinä missä alkuperäinen kiihdytin voisi alkaa toimia mahdollisesti vuonna 2025, olisi tämä tehokkaampi versio käytössä vuonna 2040.

Wangin mukaan uutta kiinalaistutkimuslaitosta ei ole tarkoitus tehdä vain kiinalaisille, vaan se avattaisiin myös muualta maailmasta tuleville tutkijoille.

Vaikka uusi Kiinan kiihdytin olisikin kansainvälisesti käytössä, tulee sen kehittämisestä ja ylläpidosta tulevat innovaatiot sekä sovellukset ennen kaikkea kiinalaisten omaan käyttöön; suurissa tiedehankkeissa itse tiede on monasti vain sivuosassa. Ja tässä tapauksessa mukana on myös enemmän tai vähemmän suuri ripaus politiikkaakin.

Otsikkokuvassa on osa LHC-kiihdytintä tunnelissaan (Kuva: CERN)