Maailmankaikkeuden salaisuuksia ratkotaan Sveitsin Cernissä atomeja halkomalla

Janne Pakarinen on kokeellinen fyysikko, ja hän rakentaa laboratorion laitteita. ”Viime vuonna yksi näistä tutkimusjärjestelyistä piti purkaa ja rakentaa uudestaan, koska sitä piti siirtää kymmenen metriä. Hankalinta on paikkojen ahtaus”, Pakarinen sanoo. Kuva: Sophia Bennett

Kun vetyatomista erotettuja protoneita kiihdytetään lähes valon nopeuteen ja pamautetaan järjettömällä energialla yli miljardi sekunnissa toisiaan vasten, siinä varmaan tanner tömisee ja aitaa kaatuu.

Vaan ei tömise eikä kaadu, sillä ihmisen aistien mukaan ei tapahdu mitään. Protonia tuskin näkee, sillä se vilahtaa ympyräradalla ohi 11 000 kertaa sekunnissa.

Mutta Cernin pienen kerrostalon kokoiset tutkimuslaitteet näkevät kyllä. Ne välittävät tutkijoiden tietokoneille käyriä ja taulukoita. Niistä tutkijat näkevät, mitä törmäyksessä tapahtui.

Vuonna 2012 Cernin tunnetuimmasta ja suurimmasta kiihdyttimestä Large Hadron Colliderista (LHC) tuli käppyrä, joka kertoi Higgsin bosonin löytyneen.

Se tarkoittaa, että neljän miljardin euron kone saavutti yhden tärkeän etapin maailmankaikkeuden rakenteen ymmärtämisessä. Se todisti, että standardimalliksi kutsuttu teoria aineen pienimmistä osista pätee.

Seuraavat etapit voivat olla pimeän aineen tai antiaineen löytäminen, tai alkuräjähdyksen ymmärtäminen. Niitä LHC:n atominhalkojat nyt työstävät.

Yksi näistä halkojista on Jyväskylän yliopiston ydinfyysikko Janne Pakarinen.

Pakarinen ei kuitenkaan pilko atomeja hiukkasiksi, vaan tutkii Cernin Isolde-laboratoriossa atomien ytimien muotoja. Isoldessa törmäyksillä tuotetaan alkuaineiden eri isotooppeja.Yhteistä LHC:n väen kanssa on, että hän tulkitsee törmäyksistä saatavia reaktioita.

”Suoraan ei nähdä mitään. Ydintä täytyy häiritä, jotta saamme tulkittavia reaktioita. Esimerkiksi gammasäteilyn energia ja kulmahajonta kertovat, miten hiukkaset ovat järjestäytyneet atomissa. Sanotaan, että heitämme ikkunattomaan huoneeseen banaanin ja jos sieltä lentää kuoret ulos, huoneessa voi olla apina”, Pakarinen kuvaa työtä.

Pakarinen on kokeileva fyysikko. ”Me rakennamme, teemme kokeita ja tutkimme dataa. Jos emme ymmärrä tuloksia, kysymme teoreettisilta fyysikoilta. Jos hekään eivät ymmärrä, he alkavat kehittää uutta teoriaa.”

Näin ei käynyt Higgsin bosonin löydössä. Sen olemassaolo ennustettiin jo 1960-luvulla.

”Higgsin löytyminen oli tavallaan tylsä tulos, koska teoria oli ennustanut sen. Paljon jännittävämpää, jos olisi löytynyt uusi hiukkanen ja olisi pitänyt kehittää uusia teoriota”, LHC:n laitteistoilla työskentelevä hiukkasfyysikko Jussi Viinikainen sanoo.

Cernissä on yhdeksän hiukkaskiihdytintä, joista yksi ruokkii Isoldea.

Laboratorio on niin täynnä mielikuvituksellisen näköisiä laitteita kuin vain voi olla. Suurin osa instrumenteista näyttää hipaisusta hajoavilta. Nyt ei pitäisi aivastaa.

Toisaalta osa vehkeistä on jämäköitä, kuten radioaktiivisuudelta suojaava kymmenmetrinen betonikuutio.

Kaikki laitteet ovat tiettyä tarkoitusta varten käsin rakennettuja. Se tekee niistä kalliita, mutta käytännössä arvottomia muille. ”Tuo maksaa 300 000 euroa. Meillä on niitä kahdeksan”, Pakarinen sanoo ja osoittaa termospullon näköistä laitetta. Ne asennetaan mittaamaan gamma­säteitä.

Pakarisella on jossain täällä Isoldessa jo oma laite valmiina. Hän saa protonisuihkuaikaa toden­näköisesti ensi vuonna.

Laitteen nimi on tarkkaan ottaen SPectometer for Electron DEtection in radioactive beams ja se näkee atomista irronneita elektroneja.

”Spede on rakennettu Jyväskylässä ja se on testattu siellä. Käytämme sitä täällä, koska vain Isoldessa voimme tehdä tutkimusta radioaktiivisilla raskailla suihkuilla”, Pakarinen kertoo.

Spede?

”Hain hankkeelle rahoitusta ja joku nimi sille piti keksiä”, hän tuumaa.

Ja kyllä, laite on nimetty Pertti Pasasen mukaan. Fyysikkohuumoria.

Pari vuotta sitten Pakarinen oli mukana löytämässä uutta atomin ytimen muotoa.

Tutkimusryhmä todisti, että ydin voi olla päärynän muotoinen. Spedellä Pakarinen tutkii lyijy-ytimistä irtoavia elektroneja.

”Gammasäteet voivat kulkea aineen läpi vuorovaikuttamatta mitenkään, mutta elektronit eivät. Niiden havaitsemiseen tarvitaan Spedeä.”

Isolden vehkeillä voi tehdä kultaa. Se on harvinaista, mutta paljon harvinaisempaa on astatiini.

”Astatiinia on arvioitu olevan maapallolla alle gramman. Sitä ei kannata ruveta louhimaan, vaan sitä on helpompi tehdä laboratoriossa.”

Kultaa ei kuitenkaan synny kilokaupalla, vaan joitain atomeja.

Etukäteen ei tiedetä tarkkaan, mitä atomeja tai isotooppeja saadaan, mutta todennäköisyyksiä voidaan lisätä erilaisilla koe­järjestelyillä.

Isolden tutkimus on tuottanut yli tuhat alkuaineiden epä­vakaata isotooppia. Alkuaineita on 118, joista 94 esiintyy luonnossa. Isotooppeja on teoriassa noin 6 000. Niistä yli 3 000 on löytynyt laboratorioissa.

Kaikki täällä ei ole uutta. Monia asioita on voitu tehdä jo kauan, mutta vasta nykyaikaisissa tieto­koneissa on tehoa käsitellä dataa. Vieläkään kaikkea dataa ei saada haltuun, vaan siitä on valittava todennäköisesti kiinnostavin. Ensimmäinen vielä käytössä oleva Cernin kiihdyttimistä käynnistyi vuonna 1959.

Nyt huhtikuun lopulla täällä ei kiihdytetä mitään, sillä on talven huoltotauko. Tauko päätettiin aikanaan pitää, koska laitos vei niin paljon sähköä, että viereisen Geneven lämmitys oli vaarassa.

Sähköön liittyi myös outo säännöllisesti toistuva tulos, jolle ei löytynyt selitystä.

Lopulta tajuttiin, että laitteet havaitsevat muutoksen sähköverkossa, jonka aiheuttaa Genevestä lähtevä luotijuna.

Cern

Cernissä on kahdeksan hiukkaskiihdytintä, joista suurin on Large Hadron Collider (LHC). LHC käynnistettiin talvi­huollon jälkeen huhtikuun lopussa.

LHC on 27 kilometriä pitkä hiukkaskiihdytin. Maanalainen tunneli rakennettiin vuosina 1983–1988 LHC:n edeltäjää varten.

LHC ei ole ympyrä, vaan siinä on kahdeksan kulmaa. Protonin vauhti on törmäys­hetkellä 99,99 prosenttia valon nopeudesta. Ennen LHC:tä protoni saa alku­vauhtia neljästä kiihdyttimestä. Proto­nien törmäysenergia on 14 teraelektronivolttia.

Hiukkasfysiikan nyrkkisääntö on: Mitä enemmän energiaa, sitä pienempiä hiukkasia löytyy. LHC on maailman tehokkain kiihdytin ja käytännössä ainoa, joka pystyi löytämään Higgsin bosonin vuonna 2012.

Isolden kiihdyttimessä protonin vauhti on noin viisi prosenttia valonnopeudesta.

LHC:n protonien törmäyksien datasta vain pieni osa voidaan kerätä talteen. Dataa tutkitaan yliopistoissa ympäri maailman. Tiedon­siirtoa varten on erillinen verkko, Grid, jotta internet ei tukkeutuisi. Samaa tarvetta varten Cernissä kehitettiin internetin World Wide Webin (WWW) periaate vuonna 1989. Internet-verkko oli jo olemassa, mutta WWW:stä tuli sitä käyttävän ohjelmiston standardi.