suprajohtavuus

Jättikokoinen tieteentekokone

Geneven luona, Sveitsin ja Ranskan rajalla sijaitseva Large Hadron Collider, eli LHC, on maailman tehokkain hiukkaskiihdytin. Se otettiin alun perin käyttöön vuonna 2008. Kiihdyttimessä on 1232 15 metriä pitkää dipolimagneettia ja 392 viidestä seitsemään metriä pitkää fokusointimagneettia, jotka kiihdyttävät ja ohjaavat protonisuihkuja 27 kilometriä halkaisijaltaan olevassa kiihdyttimessä. Jotta magneeteista saadaan suuri teho, ne ovat suprajohtavia, eli ne jäähdytetään -273°C:n lämpötilaan.

CERNin käyttämän vertauksen mukaan tarkkuus, millä lähes valon nopeudella kiitävät hiukkassuihkut kohdistetaan tarkasti toisiaan vastaan LHC:n sisällä on sama kuin kaksi neulaa ammuttaisiin kohti toisiaan 10 kilometrin etäisyydeltä ja ne törmäisivät päittäin puolimatkassa.

Kun LCH rakennettiin, se tehtiin kykeneväksi törmäyttämään hiukkasia tuplasti alkuperäistä suuremmalla teholla. Tällä kaksi vuotta kestäneellä huoltotauolla kiihdyttimen osia on paranneltu niin, että nyt päästään 6.5 TeV:n energiaan. Kun kaksi tällaista hiukkaskimppua osuvat nokakkain, saadaan 13 TeV:n törmäyksiä.

Huollossa suuri,noin sadan metrin syvyydessä maan alla tunnelissa oleva kiihdytinrengas avattiin noin 20 metrin välein ja jokainen liitos magneettien välillä tarkistettiin sekä vahvistettiin. 

Uudelleenkäynnistys on tarkkaa puuhaa

Kun kiihdytintä oltiin käynnistämässä ensimmäisen kerran vuonna 2008, tapahtui paha toimintahäiriö: yhdessä suprajohtavia magneetteja yhdistävässä, myös nestemäisellä heliumilla jäähdytetyssä suprajohtavassa kaapeliliitoksessa tapahtui oikosulku, joka sai aikaan sen, että suprajohtavuus hävisi kaapelissa. Tällöin johtimen sähkönjohtavuus huononi nopeasti ja suuri sähkövirta kuumensi sitä niin, että helium lämpeni voimakkaasti ja purkautui suoraan magneettien jäähdytysjärjestelmään.

Korjausten lisäksi kaikki magneettien väliset liitokset tarkistettiin ja kiihdyttimeen asennettiin uusi valvontajärjestelmä sekä venttiileitä, jotka suojaavat magneetteja vastaavilta tapauksilta.

Tähän tuhraantui vuoden päivät, joten LHC saatiin kunnolla toimintaan vasta vuonna 2009.

Vaikka ensimmäiselläkin kerralla käynnistys tehtiin varovasti ja hitaasti, nyt uudelleenkäynnistykseen suhtaudutaan vieläkin varovaisemmin. Siksi toissa viikonlopun oikosulkuun suhtauduttiin hyvin vakavasti, mutta onneksi sillä ei ollutkaan suuria seurauksia.

Vika liittyy siihen, että olennainen osa käynnistystä on suprajohtavien magneettien “treenaaminen” kestämään suurta sähkövirtaa. Kuuden kuukauden aikana noin 1700 erilaista magneettia on viilennetty suprajohtaviksi ja lämmitetty huoneenlämpöön niin monta kertaa, että ne pystyvät välittämään 11080 A:n virran. Samalla magneettien kaikki ohjaus- ja varojärjestelmät on testattu vielä kerran.

Maaliskuun puoliväliin mennessä seitsemän kahdeksasta kiihdyttimen osasta oli saatu valmiiksi, mutta viimeinen osa (niin sanottu sektori 45) oli osoittautunut hankalaksi. Se vaati peräti 45 lämmitys- ja viilennyssykliä ennen kuin se saatiin toimimaan 10990 A:n virralla. Mutta tämä ei riittänyt, sillä tavoite oli liki sata ampeeria enemmän. 

Sitten, todennäköisesti viimeisessä treenauksessa, magneetin alaosassa olevan suojausdiodin maajohto meni oikosulkuun. Suojausjärjestelmä toimi hyvin, eikä tästä aiheutunut vaaraa eikä magneetti vaurioitunut. 

Jotta syy oikosulkuun saatiin selville, tutkittiin liitosta muun muassa röntgenlaiteella. Diodin sijaintipaikka on vaikea, ja vaikka kuvissa näkyi hieman metallisia roskia alueella, kesti noin viikon päivät varmistaa, ettei mitään muuta ollut vialla. Alla olevassa kuvassa on LHC:n yksi magneettiyksikkö ja nuoli osoittaa missä diodi on sen sisällä.

Nyt käynnistys pääsee jatkumaan ja lopulta tämän viikon loppupuolella – mikäli uusia yllätyksiä ei tapahdu – voidaan koko kiihdytinrenkaaseen syöttää protonikimppuja kiertämään. Sen jälkeen vielä kestää noin kaksi kuukautta, ennen kuin kaikki laitteet on säädetty siten, että hiukkasia päästään törmäyttämään toisiaan vastaan. 

Tänä aikana kiihdyttimen sisällä oleva tyhjö imetään mahdollisimman hyväksi, hiukkasten ohjausmagneetit säädetään toimimaan mahdollisimman tarkasti ja koeasemat, joiden sisällä törmäykset tapahtuvat, kalibroidaan uudelleen.

Mitä on odotettavissa?

Itse kiihdyttimen lisäksi jokainen LHC:n koeasemista on huollettu ja niiden tarkkuutta on myös parannettu. Suurimmat koeasemista ovat Atlas, CMS, LHCb ja Alice, ja näistä etenkin CMS on suomalaisittain hyvin kiinnostava, koska suomalaistutkijat ovat olleet läheisesti mukana sen tekemisessä sekä sillä tehtävissä havainnoissa.

Kun LHC aloitti toimintansa, olivat fyysikot haljeta innostuksesta, sillä laitteella päästiin ensimmäistä kertaa kunnolla Higgsin hiukkasen jäljille. Se löytyikin vuonna 2012, ja niin teoriat siitä miten aineella on massaa, saivat vahvistusta. Tämä oli viimeinen vahvistamaton osa ns. Standardimallia, nykyisin laajasti fyysikoiden hyväksymää käsitystä siitä miten luonto ja sen alkeishiukkaset toimivat, ja vaikka Higgsin hiukkasta ei olisi löytynyt, olisi tuloksena ollut jotain kiinnostavaa.

Hiukkasesta kertovien merkkien lisäksi fyysikot elättelivät toivoa kaikenlaisesta muustakin, kuten “ylimääräisiä” ulottuvuuksia, mutta niitä ei löytynyt. Ja nyt monet ovat sitä mieltä, että tuskin niitä löytyy lähitulevaisuudessakaan. Voimakkaampikaan LHC ei riitä todennäköisesti sondaamaan aivan uusia energia-alueita.

Jännittävin mahdollisesti esiin tuleva asia on pimeä aine, sillä kenties esiin tulee siitä kertovia hiukkasia. Näillä näkymin LHC hyrrää nykyisessä kuosissaan aina 2020-luvulle saakka, joten aikaa löytöjen tekemiseen on hyvin. 

Lisäksi kiihdyttimessä on vielä hieman varaa energiatason nostamiseen, sillä suunnittelussa kaikki on tehty 14 TeV:n mukaan. Siihen pääseminen ei kuitenkaan vaadi enää suurta remonttia, vaan muutokset voidaan tehdä helposti huoltoseisokkien avulla; kiihdytin on joka tapauksessa poissa toiminnasta talvikuukausina, jolloin sähkö Sveitsissä on kallista…