LHC

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

Ti, 07/31/2018 - 11:01 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.

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

Ti, 02/13/2018 - 23:30 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 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 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.

Iso urakka: etsi ja irrota 9000 sähköjohtoa

Ke, 01/27/2016 - 23:46 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

LHC-hiukkaskiihdytin teki historian voimakkaimmat törmäykset

Su, 11/29/2015 - 13:11 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 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)

CERNissä löytyi kauan kaivattu hiukkanen: pentakvarkki

Ke, 07/15/2015 - 09:43 Markus Hotakainen

Euroopan hiukkasfysiikan tutkimuskeskuksen valtavalla LHC-kiihdyttimellä on vihdoin bongattu hiukkanen, jonka olemassaolo ennustettiin jo 1960-luvulla. 

Fyysikko Murray Gell-Mann esitti vuonna 1964 sittemmin Nobel-palkinnon arvoiseksi todetun mallin, jonka mukaan hiukkaset rakentuvat joko kolmesta kvarkista tai kvarkki-antikvarkkiparista. 

Myös neljän kvarkin ja yhden antikvarkin muodostama ”pentakvarkki” on mahdollinen, mutta siitä ei ollut minkäänlaisia havaintoja. Omituinen hiukkanen pysyi pitkään teoreettisena otuksena, mutta nyt se on vihdoin onnistuttu havaitsemaan.

 

LHC ei ole mikään kaukoputki, jolla voidaan tähytä suoraan aineen ytimeen.  Kiihdyttimessä hiukkaset saavat lisävauhtia, kunnes kulkevat lähes valon nopeudella. Kun ne sitten törmäävät toisiinsa tai ”maalitauluna” olevaan aineeseen, hiukkaset pirstoutuvat osatekijöikseen, jotka edelleen hajoavat erilaisiksi hiukkasiksi.

Tarkastelemalla lukemattomissa törmäyksissä vapautunutta energiaa ja hiukkasten hajoamisen välivaiheita ja lopputuloksia, päästään mahdollisten uusien hiukkasten jäljille. Tässä tapauksessa Lambda b -niminen baryoni hajosi kolmeksi hiukkaseksi, J-psiksi, protoniksi ja kaoniksi.

Joissakin hajoamisissa esiintyi välivaiheita, jotka saivat proosallisiksi nimikseen Pc(4450)+ ja Pc(4380)+. Kun tutkijat etsivät selitystä niiden esiintymiselle ja ominaisuuksille, ainoaksi vaihtoehdoksi jäi pentakvarkki, neljän kvarkin ja yhden antikvarkin muodostama hypoteettinen hiukkanen.

"Tarkemmin sanottuna näiden välivaiheiden täytyy rakentua kahdesta ylös-kvarkista, yhdestä alas-kvarkista, yhdestä lumo-kvarkista ja yhdestä anti-lumo-kvarkista", listaa Tomasz Skwarnicki Syracusen yliopistosta.

Asia ei ole vielä tällä selvä, sillä seuraavaksi pyritään selvittämään, miten kvarkit ovat sitoutuneet toisiinsa tässä uudessa hiukkaslajissa. 

"Kvarkit voivat olla tiukasti toisiinsa sidoksissa", toteaa tutkimusryhmään kuuluva Liming Zhang Tsinghuan yliopistosta, "tai ne voivat löyhässä muodostelmassa eräänlaisena mesoni-baryoni-molekyylina, jota vahvavoima pitää kasassa samaan tapaan kuin protonien ja neutronien muodostamia atomiytimiä."

Löydöstä kerrottiin CERNin uutissivuilla ja tutkimus on julkaistu Physical Review Letters -tiedelehdessä.

Kuvat: CERN

Uutta LHC-dataa ennnätysenergialla tulossa Suomeen

Ma, 06/22/2015 - 16:38 Toimitus
Cernissä, Genevessä on käynnistynyt LHC-hiukkastörmäyttimen (Large Hadron Collider) toinen mittausjakso entistä korkeammalla törmäysenergialla. Hiukkaskokeiden tarkoituksena on tuottaa tietoa aineen perusrakenteesta. Korkeampi törmäysenergia tarjoaa harvinaisen mahdollisuuden ymmärtää luonnon monimutkaisuutta ja löytää uusia hiukkasia. Fyysikoiden kokeet muodostavat myös suuren tietoteknisen haasteen maailmanlaajuiselle hajautetulle laskentajärjestelmälle Worldwide LHC Computing Grid (WLCG), jossa Suomi on aktiivisesti mukana.

LHC-hiukkastörmäyttimen, sen koeasemien ja hajautetun laskentajärjestelmän suorituskykyä on kasvatettu törmäyttimen 27 kuukauden pituisen huoltoseisokin aikana. Hiukkastörmäyttimen ensimmäisen ajojakson aikana vuosina 2010-2013 törmäysenergiassa päästiin arvoon 8 TeV (TeV = 1012 elektronivolttia). Silloin Cernissa taltioitiin noin 1 GB/s (GB = 109 tavua) mittausdataa, mutta nyt arvioidaan, että tallennusnopeus kasvaa arvoon 6 GB/s ja jopa siitä huippuarvoon 10 GB/s.

"Tämä tarkoittaa, että mittausdatan koko tulee olemaan useita kymmeniä petatavuja vuodessa", sanoo projektipäällikkö Dan Still CSC - Tieteen tietotekniikan keskus Oy:stä.  Yksi PB on yhtä paljon kuin 1015 tavua.

"Yksi petatavu vastaa noin 210 000 yksikerroksisen yksipuolisen DVD-levyn tallennustilaa".

Törmäysenergian arvolla 13 TeV saa ehkä lisää tietoa pimeästä aineesta

jakso käsittää vuodet 2015-2018. Ajossa protonit kiertävät kiihdytinrenkaassa vastakkaisiin suuntiin lähes valon nopeudella. Protonisuihkujen intensiteettiä kasvatetaan ajon aikana niin, että törmäystaajuus nousee miljardiin sekunnissa, ja törmäysenergiassa päästään arvoon 13 TeV.

"Törmäysenergian kasvu lisää harvinaisten hiukkasten tuottotodennäköisyyttä jopa kymmen-, sata- tai jopa tuhatkertaiseksi, mikä mahdollistaa uusien hiukkasten löytämisen", sanoo projektipäällikkö Tomas Lindén Fysiikan tutkimuslaitokselta.

Cernin ATLAS- ja CMS-kokeet ilmoittivat heinäkuussa 2012 uuden, noin 126 GeV painavan bosonin löytymisestä. Myöhemmin se vahvistettiin kauan etsityksi Higgsin bosoniksi. Nyt suurempi törmäysenergia ja korkeampi törmäystaajuus mahdollistavat myös Higgsin bosonin ominaisuuksien tarkan tutkimisen ja vertailun hiukkasfysiikan standardimallin kanssa.

Tutkimustyön yhtenä kiinnostavimmista tavoitteista on etsiä niin sanottuja supersymmetrisiä hiukkasia, joita teoria ennustaa.

"Tämä on kiinnostavaa koska, kevyin supersymmetriahiukkanen on yksi pimeän aineen kandidaateista", Lindén sanoo.

"Pimeän aineen osuus maailmankaikkeuden ainesisällöstä on noin 84,5 prosenttia, mutta siitä tiedetään vielä kovin vähän".

Suomi on liitetty pohjoismaiseen LHC-verkkoon nopeudella 10 Gb/s

Suomen laskentaresursseilla etsitään sähköisesti varattuja Higgsin hiukkasia ja tutkitaan b-kvarkkeja sekä lyijy-lyijy -törmäyksissä syntyvää kvarkki-gluoni -plasmaa. Maa on liitetty Pohjoismaiseen LHC-verkkoon nopeudella 10 Gb/s, ja nopeimmillaan dataa siirtyy Yhdysvaltojen Fermilabista Suomeen nopeudella 525 MB/s.

Fyysikot analysoivat LHC-törmäysdataa paikallisissa yliopistoissaan tai instituutioissaan ympäri maapallon käyttäen WLCG:n laskentaresursseja. WLCG:llä ajettavien analyysiohjelmistojen suorituskykyä on nyt kasvatettu. Myös grid-väliohjelmistoja on päivitetty, jotta tietovarastoja voidaan käyttää entistä joustavammin verkon yli.

Iso data-aineisto on hajautettuna verkostomaisesti eri keskuksiin

Cernissä käytettävä laskentamalli toimii niin, että raakadata esikäsitellään Cernissä ja Unkarissa niin sanotulla 0-tason resurssilla, josta se hajautetaan kolmeentoista eri maissa sijaitsevaan 1-tason keskukseen. Näiden tehtävänä on tallentaa ja käsitellä dataa sekä tarjota data-palveluja grid-laskentamenetelmiä käyttäen Cernille sekä pienemmille 2-tason keskuksille, joiden tehtävänä on tarjota levytilaa sekä edellytykset simulaatioille ja data-analyyseille.

Nordic e-Infrastructure Collaboration (NeIC) tarjoaa yhden pohjoismaisen 1-tason resurssin. Tämä resurssi on hajautettu Suomeen, Ruotsiin, Norjaan ja Tanskaan. CSC - Tieteen tietotekniikan keskus Oy ylläpitää Suomen osuutta tästä hajautetusta resurssista. Mukana resurssin toiminnassa on myös Fysiikan tutkimuslaitos (HIP). Tämän lisäksi Suomessa on myös 2-tason resurssi, joka on toteutettu HIP:in ja CSC:n yhteistyönä.

Maailman mahtavin törmäys – ja jatkoa tulee

Pe, 05/22/2015 - 09:58 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!