hiukkasfysiikka

LHC:n käynnistystä ja remonttia seuraamassa

Maailman suurin hiukkaskiihdytin LHC oli pitkällä huoltotauolla vuodesta 2013 viime sunnuntaihin saakka. Sinä aikana kiihdytintä paitsi huollettiin, niin myös paranneltiin. Samalla sen hiukkastörmäyksiä havaitsevia koeasemia paranneltiin: eräs näistä oli suomalaisittain kiinnostava CMS, mistä videolla kertoo CERNissä työskentelevä tutkija Lauri Wendland.

Lue myös aiheeseen liittyvät jutut LHC hyrähti käyntiin ja Mikä jumittaa LHC:n käynnistämisessä?

LHC hyrähti käyntiin

Ti, 04/07/2015 - 13:45 Jari Mäkinen

Pääsiäisen aikana uutisia seuranneille tämä ei ole enää mikään uutinen: CERNin suuri LHC-hiukkaskiihdytin käynnistyi virallisesti uudelleen sunnuntaina 5. huhtikuuta, kun klo 11.41 Suomen aikaa protonisuihku kiersi sen 27 kilometriä halkaisijaltaan olevaa kehää ensimmäistä kertaa sitten vuoden 2013, jolloin se sammutettiin pitkää huoltotaukoa varten.

Noin kahta tuntia myöhemmin, klo 13.27 samanlainen protonisuihku kiersi kehässä toiseen suuntaan. Näiden yhteisenergia oli 450 GeV, eli vielä varsin kaukana uudistetun LHC:n tavoite-energiasta. Näinä päivinä systeemejä tarkistetaan, ohjausmagneetteja hienosäädetään ja suihkun energiaa nostetaan, kunnes toukokuun lopussa näillä näkymin kiihdyttimellä päästään tekemään ensimmäisiä täysivoimaisia tutkimustörmäyksiä. Silloin yhden suihkun energian pitäisi olla 6,5 TeV, eli kun kaksi suihkua törmää yhteen, saavutettaisiin 13 TeV:n energia.

Tällä energialla LHC pääsee tutkimaan kokonaan uutta energia-aluetta hiukkasfysiikassa ja eteen odotetaan tulevan monia, kiinnostavia ilmiöitä ja asioita pimeästä aineesta antimaterian kautta niin sanottuun kvarkkigluoniplasmaan, ja LHC:n toinen tuleminen saattaa tuoda valoa myös outoon Brout-Englert-Higgsin mekanismiin, joka liittyy läheisesti LHC:n aiemmin jo löytämään Higgsin hiukkaseen.

Otsikkokuvassa on LHC:n päävalvomo sunnuntaina kiihdyttimen ollessa jälleen toiminnassa (kuva: CERN). 
Alla olevassa videossa CERNissä työskentelevä Helsingin yliopiston tutkija Lauri Wendland kertoo CMS-koeasemasta ja siihen huoltoseisokin aikana tehdyistä parannuksista.

LEGO-kiihdytin

Pe, 11/28/2014 - 18:48 Jari Mäkinen
LEGOkiihdytin

Tiedetuubi oli pitkälti toista päivää poissa linjoilta, koska yksinkertaisen vian löytämiseen ja korjaamiseen meni aika tavalla aikaa. Kun siis on pari päivää (ja melkein yönkin) viettänyt tietokoneruudun ääressä, kaipaa jotain aivan muuta tekemistä.

Onneksi sitä on tarjolla: Jason Allemann on rakentanut LEGO-palikoista toimivan hiukkaskiihdyttimen, ja hän kertoo alimpana olevassa videossa myös sen tekemisestä. Ylemmässä videossa on puolestaan kivasti toteutettu pieni tarina.

Varsin mainio ajatus, etenkin kun kiihdytin toimii oikeasti! No, lähes valon nopeudella lentävän protonisuihkun sijaan kiihdyttimessä pyörii myös protoneita kovasti sisältävä kuula, jonka nopeus on parhaimmillaan 12 kilometriä tunnissa.

Laite on kerrassaan mainio ja osoittaa hyvin, miten LEGO-palikat ovat monikäyttöisiä ja luovuutta virittäviä. Kiihdyttimestä voi luonnollisesti tehdä omia versioitaan, mutta tämän tarkemmat rakennusohjeet ovat täällä: http://jkbrickworks.com/particle-accelerator-instructions/

Jason kertoo kiihdyttimestä:

Lisää LEGO-rakennusideoita on täällä: https://ideas.lego.com/projects (kiihdytin on numero 86253).

LAGUNA etenee

Pe, 08/29/2014 - 14:19 Markus Hotakainen
Kuva Wladyslaw Trzaska

Neutriinojen tutkimukseen tarkoitetun uuden sukupolven ilmaisinlaitteiston LAGUNA‐LBNO (Large Apparatus studying Grand Unification and Neutrino Astrophysics - Long Baseline Neutrino Oscillations) suunnitelmat ovat valmistuneet. Kuusi vuotta kestänyt ja yli 130 henkilötyövuotta vaatinut suunnittelutyö on toteutettu Euroopan Komission tuella.

Selvitystyön kokonaiskustannukset ovat 17 miljoonaa euroa, josta EU:n suora tuki on 7 miljoonaa euroa ja loput 10 miljoonaa euroa on saatu hankkeeseen osallistuneiden 14 maan yliopistoilta ja muilta organisaatioilta. Suunnittelua ovat tukeneet myös Euroopan hiukkasfysiikan tutkimuskeskus CERN ja astrohiukkasfysiikan eurooppalainen koordinaatiojärjestö ApPEC. Suomesta hankkeeseen ovat osallistuneet Helsingin, Jyväskylän ja Oulun yliopistot sekä teollisuuspartnerina Kalliosuunnittelu Oy Rockplan.

Neutriinoilmaisin on monipuolinen tutkimuslaite, jolla voidaan tarkastella luonnon pienimpien rakenneosasten ominaisuuksia ja käyttäytymistä. Laitteella voidaan esimerkiksi saada uudenlaista tietoa hiukkasten massojen synnystä neutriinojen oskillaatiota tutkimalla. Niin sanotussa pitkän lentomatkan oskillaatiokokeessa tutkitaan hiukkaskiihdyttimellä tuotettuja neutriinoja satojen, jopa tuhansien kilometrien päässä sijaitsevilla ilmaisimilla.

Tarkoituksena on myös yrittää selvittää, miksi maailmankaikkeudessa on ainetta mutta ei antiainetta, mitata Auringosta ja muulta avaruudesta tulevaa neutriinosäteilyä aikaisempaa herkemmällä ja tarkemmalla tekniikalla, ja tutkia ilmiöitä, joissa energia on paljon suurempi kuin maailman suurimmalla hiukkaskiihdyttimellä (CERNin LHC) voidaan saavuttaa.

Neutriinofysiikan tutkimus on laajentunut voimakkaasti viime vuosina, ja uusia mittauslaitteita on rakennettu ja on rakenteilla monia. LAGUNA‐LBNO on kaikista laitteistoista tieteelliseltä suorituskyvyltään edistynein.

Valmistuneen selvityksen perusteella uuden neutriinoilmaisimen paras sijoituspaikka Euroopassa on Pyhäsalmen kaivos. Tarkastelussa oli mukana kaikkiaan seitsemän vaihtoehtoista sijoituspaikkaa eri puolilla Eurooppaa. Neutriinoilmaisin on rakennettava mahdollisimman syvälle maan alle, jotta vältytään luonnon harvinaisimpien ja vaikeimmin havaittavien ilmiöiden mittauksia haittaavalta häiriösäteilyltä.

Pyhäsalmen kaivos on 1400 metriä syvä ja yksi syvimmistä paikoista Euroopassa. Sen etuja ovat oskillaatiomittausten kannalta ihanteellinen etäisyys CERNistä, kaivoksen hyvä infrastruktuuri, hyvät liikenneyhteydet, kenttätutkimuksilla varmistettu kallion rakennettavuus ja monet toiminnalliset edut.

Myös tuonnempana rakennettavaksi suunnitellulle ”neutriinotehtaalle” Pyhäsalmen kaivoksen on todettu olevan sijainniltaan ja olosuhteiltaan potentiaalinen ilmaisinlaitteiston sijoituspaikka. Tieteelliset hankkeet tuovat kaivokselle ja sen erinomaisessa kunnossa olevalle infrastruktuurille toivottua uusiokäyttöä. Suunnitellut kokeet toimivat usean vuosikymmenen ajan.

LAGUNA‐LBNO‐ilmaisimessa on ilmaisinaineena 20 000 tonnia nesteytettyä argon‐kaasua. Laitteiston kustannusarvio on 226 miljoonaa euroa ja arvioitu rakennusaika kahdeksan vuotta. Ennen tätä lopullista laitetta Pyhäsalmeen kaivokseen suunnitellaan rakennettavaksi pienempi pilottilaite. Sen kustannusarvio on 50 miljoonaa euroa ja arvioitu rakennusaika neljä vuotta.

Tehtyjen vaikuttavuusselvitysten mukaan hankkeella on toteutuessaan paljon myönteisiä vaikutuksia liike‐elämälle, tutkimukselle ja työllisyydelle. Se myös merkitsisi merkittäviä ulkomaisia investointeja Suomeen, kuten esimerkit saman kokoluokan hankkeista Argentiinassa, Chilessä ja Italiassa osoittavat.

Projekti tarjoaa Suomelle ainutlaatuisen mahdollisuuden vahvistaa kansainvälistä asemaansa ja näkyvyyttään huippututkimukseen panostavana maana. Suomen Akatemian hiljattain toteuttamassa Suomen fysiikan tutkimuksen arvioinnissa kansainvälinen arviointipaneeli toteaa LAGUNA‐hankkeen tarjoavan uuden ja positiivisen etenemistien hiukkasfysiikan tutkimukselle Suomessa. Se myös suosittelee maanalaisen tutkimuskeskuksen luomista Pyhäsalmen kaivokseen.

LAGUNA-hankkeesta kerrottiin Tiedetuubissa viime syksynä, myös videonmuodossa.

Uutinen perustuu Oulun yliopiston tiedotteeseen.

2 + 2 = Z(4430)

Ma, 04/14/2014 - 12:56 Markus Hotakainen

Kaikki aine koostuu hiukkasista. Vaikka "atomi" tulee muinaiskreikan kielen sanasta atomos eli jakamaton, atomien on jo pitkään tiedetty rakentuvan protoneista, neutroneista ja elektroneista.

Protonit ja neutronit puolestaan ovat kolmen kvarkin muodostamia baryoneja. Kun otetaan mukaan kvarkki-antikvarkkiparista koostuvat mesonit, saadaan aikaiseksi hadronit eli hiukkaset, jotka rakentuvat vahvan vuorovaikutuksen välittäjähiukkasten eli gluonien toisiinsa liittämistä kvarkeista.   

Sekavaa? Ei oikeastaan, mutta entä jos kuvitellaan baryonien ja mesonien lisäksi hadroni, jossa onkin kahden tai kolmen sijasta neljä kvarkkia? Enää moista ei tarvitse kuvitella, sillä sellainen on löydetty.

Euroopan hiukkasfysiikan tutkimuskeskus CERNin LHC-kiihdyttimen seitsemästä koeasemasta yksi on LHCb (Large Hadron Collider beauty), jolla tutkitaan erityisesti b-kvarkkeja. Nyt tehtyjen mittausten tuloksena on saatu varmistettua, että omituinen hiukkanen on todella olemassa.

"Olemme tehneet kiistattoman havainnon hyvin eksoottisesta hiukkasesta, joka koostuu kahdesta kvarkista ja kahdesta antikvarkista", toteaa tutkimusta johtanut Tomasz Skwarnicki. ”Se ei sovi alkuunkaan perinteiseen kvarkkimalliin, joten joudumme tarkastelemaan uudella tavalla vahvaan vuorovaikutukseen liittyvää fysiikkaa.”

Uuden hiukkasen olemassaolosta saatiin viitteitä jo vuonna 2007, kun 400 tutkijan kansainvälinen ryhmä "löysi" eksoottisen hiukkasen, jolle annettiin nimeksi Z(4430). Löytöön suhtauduttiin suurella varauksella eikä hiukkasta pidetty todellisena. Myöhemmin toisessa kokeessa saatiin tuloksia, joiden mukaan uuden hiukkasen olemassaolo ei ole tarpeen – toisin sanoen teoria ei sellaista edellyttänyt.

"Analysoimme kymmeniätuhansia mesonin hajoamisia, jotka oli valikoitu triljoonista LHC-kiihdyttimessä tapahtuneista törmäyksistä”, kertoo CERNissä työskentelevä Sheldon Stone Syracusen yliopistosta. ”Datan suuren määrän takia jouduimme käyttämään tilastollista analyysia, mutta lopulta pystyimme todistamaan pitkään uumoillun hiukkasen olemassaolon.”

Nyt hiukkanen – Z(4430) – on todettu todelliseksi ja se saattaa edellyttää uudenlaista teoriaa tai ainakin vanhan muokkaamista.

 

LAGUNA katsoo tähtiin kalliokuilusta

Ke, 10/02/2013 - 14:57 Jari Mäkinen
Näkymä kaivoskuiluun

Kansainvälinen tutkimuskonsortio on ehdottamassa Suomeen rakennettavaksi suurta neutriinoteleskooppia, joka olisi maailmanlaajuisesti ainutlaatuinen mittalaite. Kyseessä olisi suurin yksittäinen kansainvälinen tiedehanke Suomessa ja nostaisi suomalaiset neutriinotutkimuksessa samaan asemaan, missä CERN on hiukkasfysiikassa.

Tämän LAGUNA-teleskoopin sijoituspaikka olisi Pyhäsalmen kaivos, noin puolivälissä Jyväskylästä Ouluun vievän tien varressa. Kaivos on Euroopan eräs syvimmistä kaivoksista, missä on louhittu kuparia ja sinkkiä jo yli 50 vuoden ajan. Aluksi maan pinnalta avolouhoksena, mistä vuosien varrella sitä on syvennetty vaiheittain aina 1,4 kilometrin syvyyteen. Nykyisin kaivoksesta louhitaan vuodessa noin 1,4 miljoonaa tonnia malmia, mutta tuotanto on pian loppumassa, joten LAGUNA voisi pitää paikkaseudun vilkkaana.

Pyhäsalmen kaivoksen suuri etu on myös se, että kaivos on erittäin hyvässä kunnossa ja siisti. Siellä on kovapintaisia, hyviä käytäviä ja halleja, joissa tosin pienten henkilöautojen sijaan on suuria kaivostraktoreita, kuorma-autoja, poralaitteita ja muutamia maastoautojakin, sinistä valoaan vilkuttavat lyhyet valomastot katoillaan. Ja on myös työmaaruokala, sosiaalitiloja ja tupakkanurkkaus, ihan kuin olisi missä tahansa teollisuustilassa.

Tähtäimessä alkeishiukkanen

Siinä missä mainarit kaivavat syvyyksistä tonnikaupalla malmia, on tutkijoiden tähtäimessä suurempi asia: koko maailmankaikkeus.  Avain siihen on kuitenkin erittäin pieni alkeishiukkanen nimeltä neutriino. 

Neutriino on eräs alkeishiukkasista ja niitä on todella paljon. Noin 65 miljardia neutriinoa kulkee jokaisen kehosi neliösentin lävitse joka sekunti. Siis 65 miljardia joka sekunti jokaisen neliösentin läpi. Ja tässä ovat vain Auringon tuottamat neutriinot. Lisäksi kosmiset säteet tuottavat niitä ilmakehään törmätessään ja maankuoressa itsessäänkin syntyy paljon neutriinoita, kun radioaktiiviset aineet hajoavat. Ja sitten vielä big bang - maailmankaikkeuden alussa syntyi niin paljon neutriinoita, että se on maailmankaikkeuden yleisin alkeishiukkanen heti fotonin jälkeen.

"Nykyfysiikassa on pienenpieni ongelma", valittelee David Wark, neutriinotutkija Rutherford Appleton -laboratoriosta, Iso-Britanniasta. "Nimittäin emme tiedä mistä kaikki aine on peräisin. Ymmärrämme varsin hyvin fysiikan peruslait, jotka määrittelevät sen miten alkeishiukkaset toimivat; kun mittaamme miten ne käyttäytyvät ja ovat keskenään, niin saamme suurimmalle osalle hiukkasista täsmälleen oikeat vastaukset teoriasta, jota kutsumme standardimalliksi."

"Meidän mieltämme vaivaa kuitenkin yksi asia: nimittäin jos koitamme laskea näiden teorioiden mukaan maailmankaikkeuden alkua, niin emme saa lainkaan ainetta. On kuitenkin selvää, että ympärillämme on ainetta, aika paljonkin, ja me itsekin olemme ainetta, joten mistä ihmeestä se on tullut?"

Wark kertoo, että fyysikot koittavat etsiä nyt erilaisia paikkoja fysiikan perusteista, joissa voisi olla luuraamassa lakeja joita emme vielä tunne. Ja yksi tällainen tuntematon alue on neutriinojen tuntemus: "Emme tiedä niistä vielä paljoakaan. Pystymme havaitsemaan niitä, mutta niitä on tavattoman vaikeaa mitata, joten emme ole pystyneet tutkimaan niitä lähellekään niin tarkasti kuin muita alkeishiukkasia. Toivommekin, että sitten kun tunnemme paremmin neutriinon ominaisuuksia, niin voimme paikata teorioitamme ja lopulta ymmärtää miten maailmankaikkeus on sellainen kuin se on."

Kallio suojaa ja sinne on hyvä rakentaa

Warkin puheet muistuvat helposti mieleen, kun ajaa maastoautolla kaivoskäytävässä. Ajovalot tukevat pimeyteen ja auto heiluu hieman epätasaisella lattialla. Muutaman minuutin ajon jälkeen saavumme tunnelin päähän, kymmenkunta metriä korkeaan ja leveään syvennykseen. 

Tuntuu siltä, että olemme tosiaankin syvällä, siis tosi syvällä maan alla, kun kiveä on joka puolella ja tunneleissa kaikuvat kaukana menevien ajoneuvojen äänet. Kivi seinä on myös selvästi lämmin: maan sisällä on kuumaa.

"Olemme nyt täällä noin 1400 metrin syvyydessä ja yhteiseurooppalaisessa Laguna-hankkeessa suunnitellaan tänne syvälle maan alle sijoitettavaa neutriinoja havaitsevaa instrumenttia", sanoo Marko Aittola, Laguna-neutriinoteleskooppihankkeen projektipäällikkö.

"Nämä neutriinohavaintolaitteet täytyy sijoittaa syvälle maan alle, suojaan ympäröivältä taustasäteilyltä, koska silloin päällä oleva kivikerros suojaa laitetta ylimääräiseltä säteilyltä. Näin voidaan havaita vain neutriinoja, jotka kulkevat maan kuoren läpi tänne ilmaisimeen."

Neutriinot vuorovaikuttavat muun aineen kanssa niin huonosti, että ne voivat kulkea teoreettisesti valovuosia paksun seinän läpi noin vain. Mutta koska niitä on niin valtavasti, niin sattumalta jokunen saa aikaa reaktion jopa sinunkin sisälläsi aina silloin tällöin - ei mitään paniikkia, siitä ei ole mitään vaaraa.

"Neutriinot vuorovaikuttavat ainoastaan heikolla vuorovaikutuksella, niitä syntyy radioaktiivissa reaktiossa ydinreaktioissa, kun ne syntyvät ne läpäisevät aineen kuin tyhjää vain, siksi niitä on niin vaikea havaita. mm aurinko tuottaa valtavia määriä", selittää Kari Rummukainen, Helsingin yliopiston fyysikko.

"Jotta niitä voidaan havaita pitää olla valtavan suuria, massiivisia instrumentteja, siksi tässä Lagunassakin tutkitaan suuruusluokaltaan olevia sata metriä olevia laitteita."

Sata tuhatta tonnia tuikeöljyä?

Jos kerran neutriinot ovat niin hankalia havaita, niin kuinka ihmeessä sellaisia saadaan kiinni ja voidaan analysoida?

"Se tapahtuu niin että meillä on jotain kirkasta ainetta, vettä tai öljyä, tuikeainetta, johon neutriino osuu yhteen atomiin ja siitä tule valontuikahdus ja sitä havaitaan valomonistinputkin, mutta ainetta pitää olla tonneja ja suunnitteilla olevissa laitteissa 10 000 - 100 000 tonnia."

Se, miten neutriinoita havaitaan, riippuu laitteen tekniikasta. Joka tapauksessa tuikahdus kertoo energiasta, ja kun voimme nähdä mistä tuikahdus menee, tiedetään mistä se tulee. "Neutriinoja on kolmea eri lajia, niitä syntyy eri reaktiossa eri lajisia, ja siitä millainen tuikahdus tulee tiedämme millainen neutriino oli kyseessä."

Tarkemmin sanottuna neutriinot voivat olla elektronin kaltaisia, myonin kaltaisia ja tau-leptonin kaltaisia neutriinoita, nämä viittaavat suoraan näihin elektronin kaltaisiin hiukkasiin. "Yleensäkin hiukkasfysiikassa on aina kolme sukupolvea eri hiukkasia", jatkaa Rummukainen. "Ja neutriinolla on sellainen mielenkiintoinen ominaisuus, että kun niitä syntyy, ne ovat tietyntyyppisiä, mutta ne voivat muuttaa olomuotomaan matkalla." 

Kyse on niin sanotusta neutriino-oskillaatiosta, joiden tarkempaa olemusta ei toistaiseksi tunneta. Yksi tärkeimmistä Lagunalla selvitettävistä asioista on juuri nämä neutriino-oskillaatiot. "Jotta varmasti löytäisimme nämä kaikki ns, kriittisen parametrit, tarvitaan tällainen noin kymmenen kertaa aikaisempia neutriinokokeita suurempi havaintolaite."

Neutriino-oskillaatioiden selvittämiseksi tarvitaan neutriinoita, joiden ominaisuudet tiedetään täsmällee. Siksi Sveitsissä, Eurooppalaisessa hiukkastutkimuskeskuksessa CERN on laitteisto, jolla voidaan valmistaa juuri halutunlaisia, täsmälleen samanlaisia  neutriinoja. Sellaisia, joiden ominaisuudet tunnetaan täsmällisesti. 

Kun nämä neutriinot suunnataan maapallon kuoren läpi suoraan Pyhäsalmen kaivokseen, on etäisyys juuri oikea oskillaatioiden havaitsemiseen. Teorian mukaan paras välimatka olisi 2500 kilometriä, ja Pyhäjärvi sijaitsee 2300 kilometrin päässä CERNistä. "Se on aivan täydellistä", huokaisee Rummukainen.

Kuva: Pyhäsalmen kaivoksessa on jo EMMA-niminen hiukkastutkimuslaite.

 

Suomi on paras vaihtoehto

"Alun perin Laguna-konsortiolla oli seitsemän etukäteen valittua sijoituspaikkavaihtoehtoa, ja näistä Pyhäsalmen kaivos oli yksi", jatkaa Marko Aittola. 

"Pyhäsalmella on siis useita etuja, joista yksi on syvyys: 1,4 kilometrin syvyys sopii hyvin kaikille suunnitelluille ilmaisintekniikoille. Sen lisäksi Suomen kallioperä on hyvin vakaata, täällä ei ole riskiä suurille maanjäristyksille, kuten esimerkiksi joissain harkituissa paikoissa Etelä-Euroopassa. Lisäksi tämä toimiva kaivos tarjoaa erinomaisen infrastruktuurin mittalaitteen rakentamisen ajaksi ja myös toimintaa ajatellen. Täällä on kaikki valmiina. Myöskään toimintaa jonkin verran haittaavia ydinvoimaloita ei ole lähettyvillä, mikä on täysin erilainen tilanne kuin esimerkiksi Ranskassa."

Tällä hetkellä Laguna-konsortio tekee Euroopan Komission seitsemännen puiteohjelman rahoituksella tutkimusta laitteiston rakennettavuudesta ja hahmottelee lopullisia ilmaisinkokoonpanoja ja siten myös hintaa. Tämä päättyy vuonna 2014, jolloin lopullinen sijoituspaikka on selvillä. Rakentaminen alkaa sen jälkeen mahdollisimman pian, 2015 tai 2016 viimeistään.

<h2>Kannattaako Suomen mennä mukaan?</h2>

Juuri julkistetussa tutkimusessa Ramboll Management Consulting on selvittänyt, mitä tämä LAGUNA-hanke Suomeen vaikuttaisi vertaamalla sitä seitsemään muuhun suureen kansainväliseen tiedehankkeeseen. Sen mukaan tutkimusaseman vuosikustannukset olisivat 4,7 miljoonaa euroa vuodessa 30 vuoden maksuajalla ja 2,5 prosentin korkokannalla, jos laitoksen hinta on 500 miljoonaa euroa. Neljän prosentin korkokannalla vuosikustannukset olisivat 6,7 miljoonaa euroa. Rakentamisajan työllistämisvaikutus olisi 10,5 miljoonaa euroa vuodessa, eli periaatteessa laitos tuottaisi Suomelle "voittoa".

"Rahoitus- ja hallintomallista riippumatta Lagunalla olisi merkittävä vaikutus Suomessa", Rambollin Ari Tuutti sanoo. "Kerrannaisvaikutukset ovat jopa seitsenkertaiset. Osa vaikuttavuudesta liittyy tieteellisiin läpimurtoihin, ja rakentamisaikana laitoksella on suuri vaikutus työllisyyteen."

Työpaikkoja syntyisi rakentamisaikana 2500 henkilötyövuotta ja välillisesti 1500 henkilötyövuotta. Toiminnan ajan vaikutus on 50–375 työpaikkaa. Vierailevia tutkijoita olisi noin 400 vuodessa. Lisäksi tiedeturismin potentiaali on tuhansia kävijöitä vuosittain ja laitos toisi imagohyötyä Suomelle – tosin pääasiassa tieteestä paremmin tietävien parissa.

LAGUNA-hankkeesta kerrotaan myös Tiedetuubin tämän viikon videossa (alla).

Kirjoittaja on avustanut LAGUNA Promo -hanketta tiedotusmateriaalin tuottamisessa.

Tiedetuubi-TV kertoo LAGUNA:sta:

Havaintokohteena harvinaisin alkuaine

Pe, 05/17/2013 - 16:55 Markus Hotakainen

Euroopan hiukkasfysiikan tutkimuskeskuksessa CERNissä on saatu ensimmäisen kerran mitattua harvinaisen, halogeeneihin lukeutuvan radioaktiivisen alkuaineen astatiinin eli astaatin ionisaatiopotentiaali. Alkuaineen ionisaatiopotentiaali kertoo energiamäärän, joka tarvitaan yhden elektronin irrottamiseen atomista eli sen muuttamiseen positiivisesti varatuksi ioniksi. Ionisaatiopotentiaalin suuruus liittyy myös alkuaineen kemialliseen reaktiivisuuteen ja sen muodostamien yhdisteiden pysyvyyteen. Astatiinia arvioidaan olevan luonnossa ainoastaan joitakin kymmeniä grammoja, mutta CERNissä alkuainetta pystytään valmistamaan keinotekoisesti suuntaamalla energinen protonisuihku uraanikohtioon. Hiukkastörmäyksen tuloksena syntyy erilaisia alkuaineita. Ionisaatiopotentiaalin mittaukseen käytettiin tekniikkaa, joka tunnetaan yksinkertaisesti laserresonanssi-ionisaatiospektroskopiana. 2000 celsiusasteen lämpötilassa olevaan eri alkuaineista koostuvaan kaasuun kohdistetaan lasersäteitä, jotka ionisoivat osan atomeista. Positiivisesti varautuneet ionit erotellaan sähkö- ja magneettikenttien avulla, jolloin saadaan aikaan yhden ainoan alkuaineen yhdestä ainoasta isotoopista koostuva ionisuihku. Tällä menetelmällä CERNin tutkijat saivat mitattua ISOLDE-koelaitteistolla astatiinin ionisaatiopotentiaaliksi 9,31751 elektronivolttia.

Saavutus oli merkittävä, sillä astatiini oli viimeinen luonnossa esiintyvä alkuaine, jolle kyseistä mittausta ei ollut aiemmin onnistuttu tekemään. Harvinaisuudestaan huolimatta astatiinia voidaan mahdollisesti käyttää syövän säteilyhoidoissa. Nyt tehtyjen havaintojen toivotaan olevan myös avuksi, kun tutkijat tarkentavat superraskaiden alkuaineiden rakennetta ennustavia teorioita. Tällä hetkellä raskaimman tunnetun alkuaineen järjestysluku on 117. Astatiini, järjestysluvultaan 85, löydettiin vuonna 1931 ja sitä valmistettiin keinotekoisesti ensimmäisen kerran vuonna 1940, kun vismuttikohtiota pommitettiin alfahiukkasilla eli heliumytimillä. Edelliset astatiinista tehdyt spektrimittaukset ovat vuodelta 1964, jolloin havaittiin 70 nanogramman suuruisesta näytteestä lähtevää ultraviolettisäteilyä. Astatiini on hyvin epävakaa alkuaine ja sen pitkäikäisimmänkin isotoopin puoliintumisaika on 8,1 tuntia. Tutkimus on julkaistu Nature Communications -verkkolehdessä.

Atomin ydin on päärynä!

Ma, 05/13/2013 - 09:27 Markus Hotakainen

”Peruna on pyöreä, peruna on soikea…” lauletaan vanhassa lastenlaulussa. Atomien ytimet sen sijaan eivät ole likikään aina pyöreitä eivätkä soikeita vaan muistuttavat muodoltaan päärynää. Tai ainakin osa niistä.

Kansainvälinen tutkijaryhmä on tehnyt Euroopan hiukkasfysiikan tutkimuskeskuksessa CERNissä kokeita, joiden perusteella jotkut atomin ytimet voivat olla hyvin epätavallisen muotoisia. Useimmat luonnossa esiintyvät atomin ytimet eivät ole muodoltaan pallomaisia, vaan voivat olla esimerkiksi soikeita kuten amerikkalainen jalkapallo. Parhaat teoreettiset ydinrakennemallit ennustavat tämän ilmiön.

Samat teoreettiset mallit ennustavat tietyille atomin ytimille ja tietyille protonien ja neutronien yhdistelmille hyvin epäsymmetrisen, päärynää muistuttavan muodon. Tällaisessa tapauksessa ytimen massa on jakautunut epätasaisesti siten, että painopiste on lähempänä ytimen ”paksua” päätä.

Ytimien päärynämäisen muodon kokeellinen mittaaminen ei ole tärkeää pelkästään ytimen rakenteen ymmärtämiseksi, vaan sillä on merkitystä fysiikan perusvuorovaikutusten ymmärtämisessä. Hiukkasfysiikan standardimalli ennustaa atomien sähköiselle dipolimomentille (EDM eli ”electric dipole moment”) niin pienen arvon, että sitä ei pystytä nykytekniikalla mittaamaan.

Monet teoreettiset, standardimallia parantamaan pyrkivät mallit ennustavat, että dipolimomentin arvo olisi silti mitattavissa. Tarkin menetelmä perustuu eksoottisten atomien tutkimukseen, joiden ytimet ovat päärynänmuotoisia. Suurin osa ennustetuista päärynänmuotoisista atomien ytimistä on kuitenkin ollut pitkään kokeellisten menetelmien ulottumattomissa.

CERNin ISOLDE-laboratoriossa on onnistuttu tuottamaan hyvin raskaita radioaktiivisia ytimiä törmäyttämällä korkeaenergisiä protoneja uraanikarbidikohtioon. Tuotetut ytimet erotellaan kemiallisesti ja kiihdytetään nopeuteen, joka on kahdeksan prosenttia valon nopeudesta, siis noin 24 000 kilometriä sekunnissa. Sen jälkeen ne törmäytetään ohueen nikkeli-, kadmium- tai tinakohtioon. Törmäysprosessissa syntyvä sähkömagneettinen impulssi virittää ytimen ja tutkimalla tähän virittymiseen liittyviä yksityiskohtia saadaan tietoa ytimen muodosta.

Menetelmää on käytetty radonin ja radiumin lyhytikäisten 220Rn ja 224Ra-isotooppien muodon tutkimiseen. Tulokset osoittavat, että 224Ra on päärynänmuotoinen, kun taas 220Rn värähtelee tämän muodon ympärillä. Tulokset ovat äärimmäisen tärkeitä ytimen rakenteen ymmärtämiseksi, sillä niiden avulla pystytään ratkaisemaan erilaisten mallien toimivuus. Päärynäinen muoto on ristiriidassa joidenkin teorioiden kanssa, mutta on pienin korjauksin yhteensopiva muiden mallien kanssa.

Kun kokeista saatava tieto yhdistetään atomifysiikan mittaustuloksiin, pystytään mahdollisesti asettamaan tarkimmat kokeelliset rajat hiukkasfysiikan standardimallille, joka on pisimmälle testattu teoria maailmankaikkeuden rakenteen ymmärtämiseksi.

ISOLDE-laboratoriossa tehtyihin kokeisiin ja saatujen tulosten tulkintaan ovat osallistuneet Janne Pakarinen, Tuomas Grahn ja Joonas Konki Jyväskylän yliopiston fysiikan laitokselta. Suomen osatutkimus on tehty Suomen Akatemian ja Fysiikan Tutkimuslaitoksen rahoituksella. Tutkimus on julkaistu Nature-tiedelehdessä 9.5.2013.