hiukkasfysiikka

No nyt on hiukkasfyysikko hyvin iloinen: W-bosoni sai tarkan massan

Ti, 02/13/2018 - 23:30 By Jari Mäkinen
Kuva hiukkastörmäyksestä ATLAS-koeasemassa

Eräs jännimmistä ja tärkeimmistä alkeishiukkasista, W-bosoni, nousi kuuluisuuteen vuonna 1984, kun sen löytämisestä annettiin Nobelin palkinto. Löytö tapahtui Euroopan hiukkastutkimuskeskus CERNissä vuotta aikaisemmin, mutta vasta nyt, yli 30 vuotta myöhemmin, on vaakaa selvästi karsastaneen hiukkasen tarkka massa saatu selville.

W-bosonin nimi tulee sanasta weak, eli heikko, ja se puolestaan johtuu siitä, että tämä hiukkanen on fysiikan erään perusvoiman, heikon ydinvoiman välittäjähiukkanen. Heikko ydinvoima on tärkeässä osassa mm. radioaktiivisessa hajoamisessa sekä ydinfissiossa.

Kyseessä on hiukkaseksi varsin suurimassainen hiukkanen, mikä on tiedetty jo pitkään – itse asiassa teoreettisesti jo ennen hiukkasen löytämistä. Massan tarkka mittaaminen on osoittautunut erittäin vaikeaksi, mutta nyt siinä on onnistuttu: tästä kertova artikkeli ilmestyi eilen European Physical Journal C -julkaisussa.

Massa on 80370±19 MeV ja se onnistuttiin määrittämään CERNin LHC-hiukkaskiihdyttimen ATLAS-koeaseman tekemien havaintojen perusteella. 

Fyysikot voivat paitsi olla iloisia lukuarvon saamisesta selville näin tarkasti, niin myös siitä, että luku on hyvin tarkalleen se, mitä hiukkasfysiikan perusteoria, niin sanottu standardimalli ennustaa.

Tulos on saatu tutkimalla kaikkiaan 14 miljoonaa W-bosonin tuottanutta hiukkastörmäystä, jotka havaittiin ATLAS-koeasemalla vuonna 2011. LHC-kiihdytin toimi tuolloin alkuperäisellä seitsemän teraelektronivoltin energialla, eli tämän jälkeen saadut havainnot ovat vieläkin parempia. Niitä ei kuitenkaan ole vielä saatu mukaan tähän tutkimukseen, missä pelkkä tietojen käsittely vei viisi vuotta.

W-bosonin massan tarkka määrittäminen auttaa täsmentämään standardimallia, koska siinä melkeinpä kaikki vaikuttaa kaikkeen. Erityisen tärkeää W:n parempi tunteminen on viime vuosina tunnetuksi tulleen Higgsin bosonin tarkemman ymmärtämisen kannalta.

Mikäli W-bosonin havaittu massa olisi ollut olennaisesti erilainen teoreetikkojen laskemaan massaan verrattuna, olisi edessä ollut mahdollisesti jokin uusi ilmiö, mistä ei aikaisemmin ole ollut tietoa. Nyt näyttää siltä, että sellaista ei ole – toisaalta onneksi, toisaalta valitettavasti.

Avain tarkan massan mittaamisessa oli W-bosonin läheinen kumppani, Z-bosoni, jonka avulla ATLAS-koeaseman havainnot pystyttiin kalibroimaan erittäin tarkasti.

Alla on CERNin julkaisema video aiheesta:

Tiedetuubin Klubi on yllättäen nyt ajan hermolla, koska klubilaiset pääsevät tutustumaan paitsi CERNiin yleisesti, niin erityisesti juuri ATLAS-koeasemaan nyt torstaina. Seuraamme matkaa myös täällä Tiedetuubissa.

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.

Fyysikot pettyneitä: uusi hiukkanen olikin tilastoharha

La, 08/06/2016 - 16:01 By Jari Mäkinen

Jo yli puolen vuoden ajan on huhuttu, että LHC:n havainnoista olisi löytynyt uusi hiukkanen, joka laittaisi maailmankuvamme remonttiin. Ennenaikaisesti vuotaneet tiedot tulossa olevasta artikkelista kertovat, että hiukkasen sijaan havainnoista on löytynyt tilastollista säännönmukaisuutta, joka näytti uudelta hiukkaselta.

Ongelmana hiukkasissa ja monissa muissa nykyfysiikan löydöissä – kuten vaikkapa painovoima-aalloissa – on se, että niitä ei voi nähdä ja tutkia kuten vaikkapa perunaa tai planeettaa. 

Ne voidaan vain havaita epäsuorasti, erilaisista havaintosignaaleista päättelemällä. Havainnon tekeminen vaatii siten paitsi paljon supertarkkoja havaintoja, niin myös massiivista havaintotiedon käsittelyä, jolloin "huonoja" havaintoja yksinkertaisesti jätetään huomioimatta ja "hyviä" havaintoja analysoidaan tietokoneilla ja algoritmeilla mitä erilaisimmilla tavoilla. Kun tuloksena oleva tieto osuu teoreettisesti laskettuun malliin siitä millainen havainnon tulisi olla, voidaan sanoa, että on tehty havainto. 

"Havainnon tekeminen" tarkoittaa siksi paljon tilastotieteellistä laskentaa, jolla havaitut merkit uudesta löydöstä voidaan todistaa tai osoittaa todennäköisemmin joksikin muuksi asiaksi.

Näin on käynyt nyt uuden hiukkasen kanssa. Ensimmäisen kerran uudesta superraskaasta alkeishiukkasesta huhuttiin joulukuussa 2015, kun Euroopan hiukkastutkimuskeskus CERNin ATLAS- ja CMS-koeasemien tutkimusryhmät kertoivat havainneensa merkkejä energialtaan noin 750 GeV (gigaelektronivolttia) olevasta hiukkasesta. Havainnoissa oli enemmän fotonipareja kuin nykyinen ns. standardimalli ennustaa.

Fyysikoilla on satoja erilaisia selityksiä tälle fotoniparien omituiselle määrälle, ja niistä oikeastaan kaikki vaativat uuden, raskaan hiukkasen olemassaoloa. Se puolestaan olisi saanut koko standardimallin remonttiin, sillä tällaiselle uudelle hiukkaselle ei siinä ole paikkaa.

Syynä fotoniparien epäsuhtaan näyttää olleen ns. statistinen fluktuaatio, LHC:n kahden koeaseman tuottamien valtavien tietomäärien sekaan jäänyt satunnainen vaihtelu, joka löytyi nyt tarkemmissa analyyseissä. Havainnosta kerrottiin parhaillaan Chicagossa meneillään olevassa kansainvälisessä hiukkasfysiikan ICHEP-konfrenssissa.

Löytö olisi siis saanut suuren joukon fyysikoita samanaikaisesti innostumaan ja masentumaan, sillä tiedossa olisi ollut suuri mullistus ja vaatinut paljon työtä hiukkasfysiikan perusteiden parissa. Nyt, kun löytö on paljastumassa harhaksi, ovat fyysikot jälleen tyytyväisiä ja harmissaan: kaikki onkin edelleen paikallaan, mutta toisaalta standardimallin muokkaaminen olisi ollut todella jännää.

Vaikka nyt 750 GeV:n hiukkanen voidaankin haudata, ei uuden hiukkasen olemassaoloa voi vielä sulkea pois.

LHC tuottaa parhaillaan uutta tietoa paljon aiempaa tehokkaampana ja tuosta tietomäärästä löytyy varmasti jotain uutta – kenties myös uusia hiukkasia.

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.

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)

Fysiikan Nobel meni luolamiehille

Ti, 10/06/2015 - 20:53 By Jari Mäkinen

Tämän vuoden fysiikan Nobel annettiin kahdelle neutriinotutkijalle, joiden työkalut ovat valtavia, syvällä kallioperässä olevia tutkimuslaitteita, joiden kohteina ovat pienenpienet alkeishiukkaset, neutriinot.

Neutriinot ovat pitkään massattomaksi oletettuja hiukkasia, joita syntyy ällistyttävän paljon koko ajan joka puolella erilaisten ydinreaktioiden oheistuotteina. Miljardeja sellaisia lentää itse asiassa lävitsemme joka sekunti, eikä niistä ole meille mitään haittaa – itse asiassa ne vuorovaikuttavat kaiken aineen kanssa niin vähän, että niiden havaitseminen on hyvin hankalaa. 

Siihen tarvitaankin suuria, varsin omalaatuisia havaintolaitteita, ja jotta kaikki häiriötekijät voitaisiin karsia pois havainnoista, täytyy havaintolaitteet sijoittaa syvälle maaperään, kallion keskelle.

Juuri tällaista ollaan kaavailemassa myös Suomeen, Pyhäsalmen kaivokseen, missä voitaisiin tutkia tarkemmin ja paremmin myös tämänvuotisten nobelistien havaitsemaa omituista neutriino-oskillaatiota.

Kyse on siitä, että neutriinot muuttavat luonnettaan samalla kun ne lentävät valon nopeudella avaruuden halki. Tämä antaa viitteen siitä, että neutriinoilla olisi hyvin, hyvin pieni massa, mikä vaikuttaa kuvaamme koko maailmankaikkeudesta.

Ja ravistaa koko fysiikkaa.

Valontuikahduksia

Yllä oleva kuva on japanilaisen Super-Kamiokande -neutriino-observatorion sisältä Tokion luoteispuolelta. 

Kyseessä on kilometrin syvyydessä sijaitseva noin 41 metriä korkea ja 40 metriä leveä sylinteri, jonka sisällä on 50 000 tonnia äärimmäisen puhdasta vettä. Kun neutriinot kulkevat veden läpi, pienenpieni osa niistä törmää vesiatomiin ja synnyttää heikon välähdyksen valoa. Näitä tuikahduksia havaitaan 11 000 säiliön seinillä olevilla ilmaisimilla.

Kuvassa huoltohenkilöt liikkuvat tyhjennetyn ilmaisimen sisällä kumiveneellä, koska näin he eivät vaurioita herkkiä lasista tehtyjä ilmaisimia.

Tämä on ollut japanilaisen Takaaki Kajitan työväline ja hänen kanssaan palkinnon jakava kanadalainen Arthur B. McDonald on tehnyt tutkimustaan toisella vastaavalla, Sudburyn lopetetussa nikkelikaivoksessa olevalla neutriinohavaintolaitteella. 

Kajita julkaisi vuonna 1998 tutkimuksen, jonka mukaan Maan ilmakehässä kosmisten säteiden ja ilman molekyylien välisten törmäysten vuoksi syntyvät neutriinot muuttuvat ominaisuuksiltaan ennen osumistaan maan uumenissa olevaan Super-Kamiokanden ilmaisimeen.

Samaan aikaan Sudburyssä, Kanadan Ontariossa, McDonald työryhmineen havaitsi samanlaista tapahtuvan neutriinoissa, jotka ovat peräisin Auringosta. He julkaisivat havaintonsa vuona 2001.

Kummassakin tapauksessa kyse oli niin sanotusta neutriino-oskillaatiosta, missä neutriinot muuttuvat toisenlaisiksi.

Tämän ymmärtämiseksi täytyy kuitenkin katsoa hieman historiaan.

Hiukkanen, jota ei voi havaita?

Maailmankaikkeudessa on vain valoa sekä muuta sähkömagneettista säteilyä kuljettavia fotoneita enemmän kuin neutriinoita. Niitä syntyi valtavasti jo maailmankaikkeuden alussa, big bangissä, mutta niitä sikiää lisää koko ajan joka puolelta mitä erilaisimmista ydinreaktioista.

Jopa meistä ihmisistä sinkoaa ulos koko ajan uusia neutriinoja, sillä muun muassa kaliumin hajoaminen synnyttää niitä noin 5000 kappaletta sekunnissa. 

Lisäksi niitä syntyy huimasti ydinreaktoreissa sekä Auringossa, josta pelkästään tulee Maahan noin 70 miljardia hiukkasta neliösentille.

Vaikka neutriinoja on näin paljon, on niiden erittäin huonon vuorovaikutuksen vuoksi niitä hankala havaita, ja niiden olemassaolosta saatiin vinkkiä vasta vuonna 1930. Silloin itävaltalainen fyysikko Wolfgang Pauli päätteli niiden olemassaolon epäsuorasti, sillä useat havaitut reaktiot voitiin selittää vain siten, että niistä vapautuisi tuntematon, neutraali ja hyvin kevyt tai massaton hiukkanen. 

Pauli kertoi ajatuksistaan ensimmäistä kertaa joulukuussa 1930 kollegoilleen lähettämässään kirjeessä, jonka hän aloitti sykähdyttävästi sanoilla “Hyvät radioaktiiviset rouvat ja herrat”.

Kirjeensä lopussa hän totesi, että “olen tehnyt kauhean teon. Olen päätellyt olemassa olevaksi hiukkasen, jota ei voi havaita.”

Pauli sai tästä kauheasta teostaan Nobelin vuonna 1945.

Pian tämän jälkeen italialainen Enrico Fermi kehitti teorian, missä Paulin hiukkanen oli mukana ja hän nimesi hiukkasen neutriinoksi. 

Neutriino saatiin nalkkiin

Vasta 1950-luvulla saatiin ensimmäiset havainnot, jotka voitiin tulkita neutriinojen aiheuttamiksi. Kun ydinvoimaloita alettiin rakentaa ja ydintekniikan kanssa tehtiin kokeita paremmin ja tarkemmin kuin koskaan, tuli neutriino väistämättä esiin. 

Olennaisin oli kesäkuussa 1956 tehty havainto, missä fyysikot Frederick Reines ja Clyde Cowan löysivät selvästi neutriinon aikaan saamia jälkiä kokeissaan. He lähettivät löydöstä sähkeen heti Paulille, joka luonnollisesi oli harmissaan siitä, että hänen salahiukkasensa oli saatu havaittua. Tai kenties ei ollut.

neutriinojen tarkempi olemus on kuitenkin ollut hämärän peitossa viime vuosikymmeniin saakka. Niihin liittyi myös monia perustavaa laatua olleita (ja olevia) kysymyksiä, kuten se, että vaikka Auringosta tulee valtavasti neutriinoja, on niitä havaittu vain noin kolmannes teoreettisesti lasketusta.

Yksi ratkaisu tähän voisi olla se, että neutriinot muuttuvat toisenlaisiksi. Teorian mukaan on kolmenlaisia neutriinoja: elektronineutriinoja, muonineutriinoja ja tau-neutriinoja, joilla kullakin on hiukkaskartalla omat varaukselliset versionsa, eli elektroni, muoni ja tau. 

Aurinko synnyttää teorian mukaan vain elektronineutriinoja, mutta jos osa niistä muuttuisi Auringosta lähtönsä jälkeen muunlaisiksi, selittyisi kahden kolmanneksen vajaus tällä. 

Kun maanalaiset neutriino-observatoriot alkoivat olla tarpeeksi suuria ja tarkkoja 1990-luvun lopussa, tuli neutriinojen ongelmaan myös lisävaloa.

Ne hyvin harvat neutriinot, jotka törmäävät havaintolaitteissa olevassa nesteessä oleviin atomeihin tai elektroneihin, syntyy nopea, sähköisesti varattu hiukkanen, joka puolestaan synnyttää niin sanottua Cherenkovin säteilyä. Se on aavemaista, heikkoa sinertävää valoa, joka syntyy kun hiukkanen kulkee valoa nopeammin. 

Kyllä: valoa nopeammin. Tämä tapahtuu silti Einsteinin suhteellisuusteorian mukaan, vaikka se sanoo, ettei mikään koskaan voisi kulkea valoa nopeammin. Olennaista onkin se, että valon nopeus vedessä on vain 75% siitä mitä se on tyhjiössä, ja siten pikavauhtia kulkeva hiukkanen voikin kulkea vedessä nopeammin kuin valo – mutta silti hitaammin kuin valo tyhjiössä.

Kun tätä Cherenkovin valoa analysoidaan tarkasti, voidaan päätellä millainen neutriino sen sai aikaan ja mistä se on peräisin.

Neutriinohavaintoja liukuhihnalta!

Super-Kamiokande oli huima askel eteenpäin neutriinojen tuntemuksessa, koska kahden ensimmäisen toimintavuotensa aikana se onnistui saamaan viitisentuhatta havaintoa. Laite havaitsee neutriinoja, jotka tulevat sen yläpuolelta ilmakehästä kosmisten säteiden törmätessä ilman kaasumolekyyleihin. Samoin se havaitsee neutriinoja suoraan altaan, maapallon toiselta puolelta – maapallon kiviaines ei neutriinoja paljoa hetkauta.

Nopeasti ajatellen havaintoja pitäisi tulla yhtä paljon ja samanlaisia ylä- ja alapuolelta, mutta näin ei ollut: maapallon toiselta puolelta havaittiin olennaisesti enemmän muonineutriinoja. 

Elektronineutriinojen määrä oli se mitä teoriat ennustivat ja tau-neutriinojen määrästä ei voitu sanoa mitään varmaa, koska niitä ei voitu havaita. Jos siis alun perin muonineutriinoja on saman verran ala- ja yläpuolella, niin oli todennäköistä, että alapuolelta tulevat voisivat muuttua tau-neutriinoiksi, koska matkaa on riittävästi. 

Tosin myös Sudburyn havainnoissa tosin tiedetään varsin hyvin millaisia neutriinoita lähtöpaikassa on, sillä Aurinko tuottaa vain elektronineutriinoita. Sudburyssä käytetään myös puhtaan veden sijaan ns. raskasta vettä, jolloin se pystyy havaitsemaan kaikkia neutriinotyyppejä. Raskaassa vedessä on hapen lisäksi tavallisen vetyatomin sijaan deuterium, eli vedyn raskaampi isotooppi. Se tekee havainnoista tarkempia (ja samalla vaikeampia tulkita).

Siten siellä tehdyistä havainnoista voitiin nähdä selvästi, että Auringon neutriinoista elektronityyppisiä oli olennaisesti arveltua vähemmän. Havaintomäärän kasvaessa kävi yhä ilmeisemmäksi, että osan neutriinoista on täytynyt muuttua matkallaan Auringosta Maahan toisenlaisiksi. Itse asiassa kaksi kolmasosaa neutriinoista muuttuisi 150 miljoonaa kilometriä pitkällä matkallaan toiseksi lajiksi.

Kun Sudburyn havainnot osuivat aika tarkalleen yksiin neutriino-oskillaation ennustamien määrien kanssa, oli asia aika saletti.

Hiukkasen kvanttifysiikkaa

Tällä tosin oli se mullistava seuraus, että teoreetikoiden mukaan muuttuminen toiseksi on mahdollinen vain jos neutriinolla on massa. 

Tämä tulee siitä, että kvanttimaailmassa hiukkanen voidaan käsittää joko aaltona tai pienenpienenä kappaleena, hiukkasena. Tietyn määrän energiaa sisältävä hiukkanen vastaa tiettyä aallonpituutta. Niinpä elektroni-, muoni- ja tau-neutriinot voidaan käsittää omanlaatuisina aaltoinaan.

Kun aallot etenevät tasatahtiin, ei neutriinon eri persoonallisuuksia voi erottaa toisistaan, mutta mitä pitempään aallot matkaavat, sitä enemmän ne menevät epätahtiin. Vaihe-eron mukaisesti aallot voivat vaikuttaa toisiinsa, oskilloida keskenään, ja lopulta aallot ovat erilaisia ja siten neutriinot ovat eri tyyppisiä.

Tässä massa tulee kuvaan, sillä sen mukaisesti neutriinojen aallot muuttuvat – hyvin, hyvin, hyvin vähän, mutta silti, ja etenkin pitemmillä matkoilla käy juuri näin. Kun neutriinon massa, jos ja kun se on olemassa, on äärimmäisen pieni, ja erot massoissa ovat erittäin pieniä, ovat eroavaisuudetkin hyvin pieniä. Mutta kuten on huomattu, havaittavia.

Teorian mukaan pari tuhatta kilometriä on matka, jonka kuluessa muuttuminen saattaisi tapahtua. Siksi Laguna-ilmaisimen Pyhäsalmi olisi erinomainen paikka ilmaisimelle, koska siellä on tarkoitus havaita Euroopan hiukkastutkimuskeskuksessa CERNissä noin 2300 kilometrin päässä synnytettyjä neutriinoja: kun tiedetään tarkasti millaisia neutriinoja lähtöpisteessä on ja kuinka paljon, niin tätä neutriino-oskillaatiota on helpompi tutkia.

Fyysikoille hommia

Se, että neutriinoilla on pieni massa, saa aikaan monennäköistä harmia. Ensinnäkin kosmologeille tämä tarkoittaa sitä, että maailmankaikkeuden massa-arvio on pielessä. Vaikka neutriinon massa olisi lähes nolla, se ei ole nolla, ja koska neutriinoita on niin paljon, tulee niistä yhdessä arvioiden mukaan yhtä paljon “lisää” massaa maailmankaikkeuteen kuin kaikista näkyvistä tähdistä.

Tämä saattaa selittää osan havaituista kummallisuuksista maailmankaikkeuden laajenemistahdissa, mutta siihen vaikuttaa moni muukin asia.

Fyysikkojen parinkymmenen vuoden ajan rakentama ns. Standardimalli myös vaatii viilausta. Malli koettaa selittää paitsi hiukkaset, niin myös niiden väliset voimat ja vaikutukset, ja nyt massattomaksi oletettu neutriino ei olekaan massaton.

Mistä sen massa tulee? Mitkä on eri neutriinotyyppien massat? Miksi ne ovat niin äärimmäisen kevyitä? Onko niillä omat antihiukkasensa, kuten muilla? Ja miksi neutriinot vaikuttavat muutenkin niin erilaisilta kuin muut hiukkaset?

Vastauksista näihin perustavaa laatua oleviin kysymyksiin tullaan varmasti jakamaan monta Nobelia tulevaisuudessa.

Alla on Tiedetuubin video Suomeen suunniteltavasta Laguna-ilmaisimesta ja siinä selitetään varsin paljon myös neutriinojen omituisuuksia:

Kullan tuhlaustako?

Ma, 08/10/2015 - 13:30 By Markus Hotakainen

Mitä tapahtuu, kun kulta-atomit törmäävät toisiinsa lähes valon nopeudella? Syntyy plasmaa, joka muistuttaa maailmankaikkeuden alkuhetkien hiukkaspuuroa.

Raskaiden atomien nokkakolaroidessa hyvin suurella nopeudella aine hajoaa osasikseen ja hetken aikaa joka suuntaan sinkoaa hiukkasia, jotka pian pirstoutuvat edelleen uusiksi hiukkasiksi.

Rekisteröimällä lukemattomia törmäyksiä ja niissä syntyneiden hiukkasten ominaisuuksia tutkijat pääsevät tunkeutumaan yhä syvemmälle niin aineen kuin universuminkin salaisuuksiin.

Hiukkaskosmologia on tieteenala, joka yhdistää kaikkein pienimmän kaikkein suurimpaan: aineen perusosaset koko kosmokseen.

"Kartta" kultatörmäyksestä on tuotettu Solenoidal Tracker eli STAR-ilmaisimella Brookhavenin kansallisen laboratorion RHIC-kiihdyttimessä (Relativistic Heavy Ion Collider). 

Kuva: Brookhaven National Laboratory

 

Maailman mahtavin törmäys – ja jatkoa tulee

Pe, 05/22/2015 - 09:58 By Jari Mäkinen

Euroopan hiukkastutkimuskeskus CERNissä juhlittiin keskiviikkona illalla LHC-kiihdyttimen uutta tehoennätystä: hiukkaset törmäsivät 27 kilometriä halkaisijaltaan olevassa, maailman suurimmassa hiukkaskiihdyttimessä 13 TeV:n energialla. 

Kiihdytin oli parin vuoden ajan huoltotauolla, jonka kuluessa sen tehoa nostettiin tuplasti alkuperäistä suuremmaksi. Se aloitti toimintansa uudelleen huhtikuun alussa (katso juttumme ja videomme tapauksesta), ja sen jälkeen suuressa rinkulassa päinvastaisiin suuntiin kiertävien hiukkassuihkujen tehoa on nostettu, niitä on ohjattu törmäämään suurien ilmaisimien keskellä ja koko kiihdyttimen laitteistoja ja säädetty tätä uutta ennätysenergiaa varten.

Olennaista hiukkassuihkujen energian kasvattamisen ohella on ollut saada suihkut hyvin tiiviiksi ja osumaan toisiinsa täsmälleen ilmaisimien keskellä. Lähes valon nopeudella liikkuvilla hiukkassuihkuilla se ei ole aivan helppoa.

Hiukkassuihkujen paksuus on noin 20 mikrometriä, eli viidesosa ihmisen hiuksen tyypillisestä paksuudesta. Protoneista sisältäviä suihkuja ohjataan kollimaattoreiksi kutsutuilla magneeteilla, joiden säätäminen on ollut vaikeaa. 

Sen jälkeen kun ennätysenergia saavutettiin keskiviikkona illalla, pidettiin nämä hiukkassuihkut kiihdyttimen sisällä pitkälle torstain puolelle, jotta suihkujen hallintalaitteita pystyttiin virittämään vielä paremmin. 

Samalla kiihdyttimen seitsemän tutkimuslaitetta – jotka kuvaavat ja mittaavat törmäyksiä – pidettiin päällä ja myös niiden toimintaa säädettiin. Tarkoituksena on aloittaa varsinaisten tutkimustörmäysten tekeminen täydellä teholla kesäkuun alussa.

Yllä on CMS-tutkimusaseman ottama "kuva" 13 TeV:n törmäyksestä. Otsikkokuvana on puolestaan ATLAS-aseman vastaava. Kummatkin laitteet, kuten LHC:n kaksi muuta suurta tutkimusasemaa ALICE ja LHCb, kertovat suurella tarkkuudella millaisia uusia hiukkasia törmäyksissä kahdesta suurella nopeudella liikkuneesta protonista syntyy ja mihin suuntiin ne lentävät törmäyksestä.

Kuinka paljon on 13 TeV?

Puhtaasti energiana laskien ennätysluku 13 TeV ei ole paljoakaan. Yhdessä suklaapatukassa on miljardien törmäysten verran energiaa, jos sitä mitattaisiin ruoasta tuttuina kaloreina, mutta olennaista törmäyksissä onkin se, kuinka energiaa saadaan pakattua hyvin pieneen tilaan.

Olennaista tässä ei ole itse asiassa energian määrä, vaan se, kuinka kiihdyttimellä energia saadaan pakattua hyvin pieneen tilaan. Kun laitteen suprajohtavienmagneettien lähelle valon nopeutta kiihdyttämät protonit törmäävät nokkakolarissa, saavutetaan niin suuri energiatiheys, että protonit hajoavat erilaisiksi alkeishiukkasiksi. Protonit ovat atomiydinten raskaimpia hiukkasia, ja mitä suuremmalla nopeudella ne saadaan törmäämään toisiinsa, sitä "parempia" törmäyksiä saadaan aikaan.

Kun jo aiemmista LHC:n matalampienergisistä törmäyksistä saatiin paljon uutta tietoa (esimerkiksi mystinen Higgsin hiukkanen paljastettua), eivät tutkijat odota nyt varsinaisia suuria yllätyksiä. Sen sijaan monia asioita nähdään paremmin – mutta kuten luonnontieteessä aina toisinaan käy, eteen saattaa tulla jotain täysin uutta ja odottamatonta, sillä koskaan hiukkastörmäyksiä ei olla tehty näin suurella energiatasolla!