hiukkaskiihdytin

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!

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).