Maailman mahtavin törmäys – ja jatkoa tulee

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!