Maailman tehokkain hiukkaskiihdytin vie aineen ytimeen ja ajan alkuun. Se käynnistyy keskellä Eurooppaa ensi kesänä, jos mikään ei mene vikaan.


Se käynnistyy keskellä Eurooppaa ensi kesänä, jos mikään ei mene vikaan.




Se on kuin mikroskooppi, mutta sillä näkee verrattomasti pienempään, aineen perusosasiin saakka.

Se on kuin aikakone. Sillä voi matkustaa universumin alkuun ja tutkia, millainen maailmankaikkeus oli nanosekunteja alkuräjähdyksen jälkeen.

Se jyrähtää tänä vuonna käyntiin, sadan metrin syvyydessä sveitsiläisten ja ranskalaisten pikkukylien alla.
Euroopan hiukkastutkimuskeskuksen Cernin uusi suuri hadronitörmäytin, Large Hadron Collider eli LHC, on maailman tehokkain hiukkaskiihdytin. Se pystyy lataamaan hiukkasiin 70 kertaa kovemman törmäysenergian kuin Cernin edellinen kiihdytin LEP ja kymmenen kertaa suuremman kuin tähän asti kovin laite, yhdysvaltalaisen Fermilabin Tevatron.

LHC:ssä kaksi vastakkaisiin suuntiin kulkevaa protonisuihkua kiihtyy lähes valon nopeuteen. Niissä on lopulta liike-energiaa yhtä paljon kuin ranskalaisissa luotijunissa, kun ne kiitävät Geneven ja Pariisin välillä 150 kilometrin tuntinopeudella.

Kun kaksi tällaista protonia järähtää yhteen 14 teraelektronivoltin nokkakolarissa, ne hajoavat ja niiden energiaa muuttuu aineeksi, uusiksi hiukkasiksi. Toivon mukaan myös sellaisiksi, joita fyysikot eivät muuten ole onnistuneet löytämään maailmankaikkeudesta. Niiden avulla voidaan löytää vastauksia sekä kosmoksen koostumuksen suuriin arvoituksiin että kysymyksiin aineen syvimmästä rakenteesta.


Johtaja varoo romuttamasta konetta

LHC:tä ja sen koeasemia alettiin toden teolla suunnitella ja rakentaa Geneven kupeessa12 vuotta sitten, kun Cernin neuvosto teki lopullisen päätöksen kiihdyttimen rakentamisesta. Aikataulu on venynyt ja rahaa on palanut pari miljardia euroa, mutta toukokuussa koko laitteen pitäisi viimein olla valmis koeajoon ja vähitellen myös tieteelliseen käyttöön.

- Heti ei ajeta täydellä teholla, sanoo kiihdytinhankkeen apulaisjohtaja Philip Bruyant. - On viisainta aloittaa varovasti, ettei romuteta konetta.

Maan alle asennettu maailman suurin havaintolaite on vähän kuin satelliitti; sitä on vaikea palauttaa korjattavaksi, kun se kerran on laukaistu matkaan. Kriittisin kohta on suprajohtavien jättimagneettien ketju, joka pitää protonit kiihdytinputkessa. Jos jotain menee vikaan -271 asteeseen jäähdytetyissä magneeteissa, niitä täytyy lämmittää pari viikkoa, ennen kuin putken avaaminen on mahdollista. Korjauksen jälkeen magneetit täytyy jälleen jäähdyttää.
Magneetteja ei voi myöskään noin vain viedä vaihtoon. Niitä ei mahdu kuljettamaan tunnelissa toistensa ohi.



Magneetit pitävät protonit putkessa

Juuri magneetit tekevät LHC:stä kovan tykin. Niiden voimalla protonit saadaan pysymään kaartuvassa kiihdytinputkessa, vaikka ne pannaan kiitämään lähes valon nopeudella.

Magneettien teho perustuu suprajohtavuuteen eli siihen, että niissä ei ole lainkaan sähkönvastusta eikä siis virranhukkaa. Suprajohtavuuden synnyttämiseksi magneetit jäähdytetään vedyllä ja heliumilla kahden asteen päähän absoluuttisesta nollapisteestä.

Vanhanaikaisilla magneeteilla yhtä suuret nopeudet olisivat mahdollisia vain paljon loivemmissa kaarteissa. Silloin tarvittaisiin ainakin 120 kilometriä pitkä kiihdytin, ja sen sähkönkulutus nousisi mahdottomaksi. Suprajohtavuuden ansiosta kiihdytinrengas saatiin sullotuksi pääosin samaan 27 kilometrin ympyrätunneliin, josta LHC:n edeltäjä LEP purettiin vuonna 2000.


Sipulit sieppaavat törmäyksen seuraukset

Magneettien lisäksi ennennäkemättömän massiivisia ovat uuden kiihdyttimen koeasemat CMS, Atlas, Alice ja LHCb.

Kiihdytinrengas on rajusta tekniikastaan huolimatta melko vaatimattoman näköinen. Se muistuttaa lähinnä öljyputkea. Koeasemat sen sijaan ovat kerrostalojen kokoisia sipuleita, joissa on sisällä kerros toisensa jälkeen erilaisia hiukkasilmaisimia. Protonisuihkut törmäytetään koeasemien kohdalla, ja koeasemien laitteet havainnoivat törmäyksessä syntyvien hiukasten käyttäytymistä niin tarkasti kuin ikinä mahdollista, ennen kuin harvinaiset vieraat katoavat taas jäljettömiin.


Tiedonkäsittely saa haasteen

Protonit törmäilevät ennätysmäisen kovaa mutta myös tiuhempaan kuin koskaan, 800 miljoonaa kertaa sekunnissa. Yhden törmäyksen tuottamat hiukkaset ovat vielä matkalla ilmaisimien läpi, kun seuraavat jo kolaroivat. Havaintoja kertyy valtavasti.

Hiukkasilmaisimia yhdistää valvomohuoneeseen 25 miljoonaa metriä valokaapelia. Ilmaisimet tuovat parissakymmenessä vuodessa törmäytyksistä enemmän dataa kuin ihmiskunta on ehtinyt olemassaolonsa aikana puhua sanoja, arvioi LHC:n tutkimusjohtajiin kuuluva Albert De Roeck.

Valtaosa datasta karsiutuu roskiin suoraan ilmaisimelta. Vain kiinnostavin aineisto siirtyy eteenpäin. Sitäkin on niin paljon, ettei käsittelyyn riitä yksinään mikään supertietokone. Data jaetaan gridverkon kautta käsiteltäväksi 120 supertietokoneelle ympäri maailmaa, myös Suomeen. Tiedonkäsittelykin joutuu vastaamaan megaluokan haasteeseen.


Fyysikko kysyy, vastaako LHC


Miksi alkeishiukkasilla on massa?

Niin tuttu ilmiö kuin massa on vielä vailla selitystä. Alkeishiukkasilla on massa, ja se on eri hiukkasilla erilainen.

Aineen standardimalli ennustaa, että avaruuden täyttää niin sanottu Higgsin kenttä. Alkeishiukkaset saavat massan olemalla vuorovaikutuksessa sen kanssa. Jos vuorovaikutus on voimakas, hiukkasella on suuri massa. Jos se on heikko, massa on pieni.

Teoria edellyttää vuorovaikutuksen välittäjäksi Higgsin hiukkasen. Sitä ei ole kiihkeistä etsinnöistä huolimatta löydetty. Higgsin on arveltu olevan niin painava, ettei aikaisempien hiukkaskiihdyttimien energia ole riittänyt sen tuottamiseen. Tuoreemman arvion mukaan amerikkalaisen Tevatron-kiihdyttimen energiat riittäisivät Higgsin synnyttämiseen, mutta hiukkanen on niin harvinainen, että törmäytyksiä pitäisi tehdä paljon enemmän. Niin tai näin: jos Higgsin hiukkanen on olemassa, LHC:n avulla sen pitäisi löytyä.


Ovatko neljä perusvoimaa yhtä?

Universumin alun valtavassa kuumuudessa toimi luultavasti vain yksi perusvoima. Maailmankaikkeuden jäähtyessä se hajosi neljäksi: gravitaatioksi, sähkömagnetismiksi sekä heikoksi ja vahvaksi voimaksi.

On huomattu, että hyvin suurissa energioissa vahva voima heikkenee ja heikko voimistuu. Uudella kiihdyttimellä voidaan kokeilla, yhtyvätkö kaikki neljä jälleen yhdeksi.


Onko supersymmetriaa?

Teoria supersymmetriasta ennustaa, että jokaisella ainehiukkasella on supersymmetrinen pari. Toistaiseksi niitä ei ole havaittu. Jos supersymmetriahiukkasia on, ne ovat hyviä ehdokkaita pimeäksi aineeksi. Kaikesta maailmankaikkeuden aineesta näyttää olevan pimeää yli neljä viidesosaa, sillä tuntemamme tavallinen aine ei riitä selittämään universumin painovoimaa.

Nobelfyysikot David Gross ja Burton Richter löivät viime talvena Yhdysvaltain tiedeviikolla julkisesti vetoa siitä, osoittaako uusi kiihdytin supersymmetrian todeksi vai ei. Gross sanoi uskovansa supersymmetriaan, koska teoria on kaunis ja säilynyt kumoutumatta jo 35 vuotta. Hän veikkasi, että supersymmetriahiukkasia löytyy vuoden kuluessa siitä, kun LHC:tä on päästy ajamaan täydellä teholla. Richter oli päinvastaista mieltä. Hänestä teoria on ruma, koska sen ratkaisuksi tarvitaan liian monta hiukkasta.


Onko kvarkeissa vielä pienempiä osia?

Hiukkaset, jotka koostuvat muista hiukkasista, saavat massansa niistä ja niiden vuorovaikutuksista. Jos Higgsin hiukkasta ei löydy, nyt tunnetuissa alkeishiukkasissa kvarkeissa täytyy niissäkin olla sisäisiä rakenneosia. Jos niitä on, LHC antaa niistä ainakin viitteellistä tietoa.


Onko ulottuvuuksia enemmän kuin neljä?

Säieteorian mukaan maailmankaikkeudessa on enemmän ulottuvuuksia kuin meidän havaitsemamme kolme paikkaulottuvuutta ja aika. Yksinkertaisimmassa versiossa on yhdeksän paikkasuuntaa. Ylimääräiset ulottuvuudet ovat käpertyneet niin pieniksi, että me emme havaitse niitä. Siinä tapauksessa kaikilla havaituilla hiukkasilla on eriulotteisia kopioita, joilla on identtiset ominaisuudet mutta suurempi massa kuin tavallisilla hiukkasilla.

Kopiotkin voisivat selittää tuon tuntemattoman, näkymättömän, pimeän aineen. Supersymmetrisiä hiukkasia tai piiloutuneita ulottuvuuksia, LHC voisi tuottaa tarkasteltavaksi pimeää ainetta!


Minne antimateria katosi?

Maailmankaikkeuden syntyessä syntyi yhtä paljon ainetta ja antiainetta, joiden uskotaan olleen toistensa täydellisiä peilikuvia. Kohdatessaan aine ja antiaine hävittävät toisensa - ne tussahtavat energiaksi. Jostain syystä ainetta on jäänyt jäljelle, antiainetta taas ei näy missään. Epätasapaino voi johtua siitä, että aine ja antiaine eivät sittenkään ole niin identtisiä kuin luultiin.

Cern on jo aiemmin valmistanut pikkuruisia määriä antiainetta. LHC:n avulla päästään tutkimaan tarkemmin, missä on se ero, jonka takia aine voitti antiaineen ja mekin olemme olemassa.


Voiko hiukkaskiihdyttimellä tehdä mustia aukkoja?

Avaruuteen syntyy mustia aukkoja, kun massiiviset tähdet sammuvat ja romahtavat kasaan. Niiden valtava massa vetää puoleensa ympäristöstä kaiken, myös valon. Jotkut tutkijat uskovat, että LHC:n hiukkastörmäyksissä voi syntyä myös mikrokokoisia mustia aukkoja. Nekin ovat nopeita katoamaan.

Stephen Hawking on esittänyt, että mustat aukot menettävät ainetta säteilemällä. Koska hiukkastörmäyksissä syntyvät aukot ovat liian pikkuruisia vetääkseen itseensä lisäainetta, ne kutistuvat olemattomiin. Mutta jos niitä esiintyy, ilmaisimet ehtivät havaita mustan aukon hajoamisen jäljet.


Mitä muuta emme tiedä?

Kun tieto lisääntyy, saamme selville, mitä emme tiedä. Uudet ennalta arvaamattomat kysymykset voivat olla jättikiihdyttimen kaikkein tärkein tuote.


Aiheesta aiemmin:
Cern: 50 vuotta huippufysiikkaa, Tiede 6/2004, s. 50-54.
Maailman suurin kone, Tiede 5/2003, s. 28-29.
Grid mullistaa tietoliikenteen, Tiede 6/2002, s. 14.

Hyvä harrastus – ja helppo. Lukemista löytyy aina. Kuva: Shutterstock

Kieli rikastuu, ajattelu syvenee ja sosiaalinen taju kehittyy.

Tietokirjan järki on selvä: saa tietoa, jolla jäsentää maailmaa ja vaientaa mutuilijat. Riittävästi tietoa hankkimalla tulee asiantuntijaksi, ja sillä on selvä hyötyarvo.

Entä missä on fiktion lukijan tulosvastuu? Mitä itua on kuluttaa aikaansa tuntitolkulla hatusta vedettyjen ihmisten hatusta vedettyihin edesottamuksiin? Paljonkin: romaani tai novelli opettaa toimimaan muiden ihmisten kanssa.

Fiktio simuloi sosiaalista maailmaa, esittää asiaa tutkinut Toronton yliopiston psykologian professori Keith Oatley. Niin kuin lentosimulaattori opettaa lentotaitoja, sosiaalisten tilanteiden simulaattori – romaani – opettaa sosiaalisia taitoja.

Kokeet vahvistavat, että fiktiota lukeneet tajuavat paremmin so­siaalisia kuvioita kuin tietotekstiä lukeneet. 

Suvaitsevaisuus kasvaa

Kuvitteellisesta tarinasta on sekin ilo, että pääsee väliaikaisesti jonkun toisen nahkoihin. Samastuminen tarinan henkilöön voi muuttaa lukijan käyttäytymistä ja pistää asenteet uusiksi, ovat kokeillaan osoittaneet Ohion yliopiston tutkijat.

Samastumisella on vaaransa. Romaanin aiheuttama itsemurha-aalto koettiin 1700-luvun lopulla, kun nuoret onnettomat miehet matkivat Johan Wolfgang von Goethen päähenkilön tekoa Nuoren Wertherin kärsimyksissä.

Ohiolaistutkimuksessa vaikutus oli rakentavampi: kun nuoret aikuiset olivat lukeneet tarinan miehestä, joka meni äänestämään, he menivät hanakammin vaaliuurnille vielä viikon kuluttua lukemisesta. He olivat saaneet kansalaishyvetartunnan.

Valkoihoisten suvaitsevaisuutta taas kasvattivat tarinat, joissa päähenkilö osoittautui homoseksuaaliksi tai afroamerikkalaiseksi. Lukijoilta karisi myös stereotypioita. Tämä kuitenkin edellytti, että päähenkilön ”erilaisuus” paljastui vasta tarinan myöhemmässä vaiheessa ja lukijat olivat ehtineet asettua hänen nahkoihinsa.

Stressi väistyy

Kun uppoutuu lukemaan, maailman meteli jää kauas ja paineet hellittävät. Tuttu tunne, josta on myös tieteelliset näytöt: lukeminen poistaa stressiä.

Terveystieteen opiskelijat saivat Yhdysvalloissa tehdyssä tutkimuksessa lukeakseen netistä ja aikakauslehdestä poimittuja artikkeleita, jotka käsittelivät historiallisia tapauksia ja tulevaisuuden innovaatioita. Aihepiirit olivat siis kaukana tenttikirjojen pakkolukemistosta.

Puolentunnin lukutuokio riitti laskemaan verenpainetta, sykettä ja stressin tuntua. Huojennus on yhtä suuri kuin samanpituisella joogahetkellä tai televisiohuumorin katselulla. Mikä parasta, apu löytyy helposti, lukemista kun on aina saatavilla.

Sanasto karttuu

Kirjoitettu kieli on ylivoimaisesti suurempi uusien sanojen lähde kuin puhuttu. Erot lasten sanavaraston runsaudessa voi johtaa suoraan siihen, miten paljon he altistuvat erilaisille teksteille, vakuuttavat lukemisen tutkijat Anne Cunningham ja Keith Stanovich.

Tiuhimmin uutta sanastoa kohtaa tieteellisten julkaisujen tiivistelmissä: tuhatta sanaa kohti harvinaisia on peräti 128. Sanoma- ja aikakauslehdissä harvinaisten sanojen tiheys nousee yli 65:n ja aikuisten kirjoissa yli 50:n.

Lastenkirjakin voittaa sanaston monipuolisuudessa televisio-ohjelman mennen tullen. Lapsilukija kohtaa kirjassa yli 30 harvinaista sanaa tuhatta kohti, kun aikuisten telkkariviihdettä katsoessa niitä tulee vastaan 23 ja lastenohjelmissa 20.

Juttelukaan ei pahemmin kartuta sanavarastoa. Aikuispuhe sisältää vain 17 epätavallista sanaa tuhatta kohti.

Syntyy omia ajatuksia

Ihmisen aivoja ei ole ohjelmoitu lukemaan. Kun taito kehittyi 5 500 vuotta sitten, näkemiseen, kuulemiseen, puhumiseen ja ajatteluun rakentuneet alueet alkoivat tehdä uudenlaista yhteistyötä.

Nyt olemme jälleen uudenlaisen lukukulttuurin alussa. Verkkolukeminen on tullut jäädäkseen, ja jotkut pelkäävät, että tyhmistymme, kun totutamme aivomme ärsyketulvaan ja pikaselailuun netissä. Tiedonvälitys on lisääntynyt räjähdysmäisesti mutta niin myös häly.

Syventyvän lukemisen kohtalosta kantaa huolta professori Maryanne Wolf Tufts-yliopistosta. Tapaa näet kannattaisi vaalia. Aivokuvaukset paljastavat, että paneutuva lukija käyttää laajasti molempia aivopuoliskojaan. Hän ei vain vastaanota kirjoittajan sanomaa vaan vertaa sitä aiemmin hankkimaansa tietoon, erittelee sitä ja rakentaa omaa ajatteluaan. Pintalukijalla ei tähän ole aikaa.

Mikko Puttonen on Tiede-lehden toimittaja.

Julkaistu Tiede-lehdessä 12/2012 

Täysin raittiiden suomalaisnuorten osuus on moninkertaistunut vuosituhannen alusta.

Nuoruus raitistuu, kertoo Helsingin Sanomat jutussaan.

Nuorten alkoholin käyttö kasvoi vuoteen 1999, joka oli myös kaikkein kostein vuosi. Silloin vain joka kymmenes yhdeksäsluokkalainen ilmoitti, ettei ollut koskaan käyttänyt alkoholia.

Sittemmin täysin raittiiden osuus on moninkertaistunut, ilmenee vuoteen 2015 ulottuneesta eurooppalaisesta, nuorten päihteidenkäyttöä käsittelevästä Espad-tutkimuksesta.

Jopa muut eurooppalaiset jäävät jälkeen. Suomessa täysin raittiita 15–16-vuotiaista nuorista on joka neljäs, kun Euroopassa heitä on keskimäärin joka viides.

Terveyden ja hyvinvoinnin laitoksen THL:n erikoistutkija Kirsimarja Raitasalo kollegoineen on ­koettanut tunnistaa niitä nuoruuden muutoksia, jotka voisivat selittää humalan hiipumista.

Ratkaisevaa näyttää olleen ainakin se, että alaikäisten on yhä vaikeampi saada alkoholia. Nykynuoret kokevat sen selvästi hankalammaksi kuin aiemmat ikäpolvet.

Kauppojen omavalvonta on osaltaan tehonnut. Kassoilla kysytään kaikilta alle 30-vuotiaan näköisiltä papereita.

Vanhemmat ja muutkin aikuiset ovat tiukentaneet asenteitaan nuorten juomiseen.

”Tietoisuus alkoholin haitoista on ehkä lisääntynyt. On tullut paljon tutkimustietoa esimerkiksi siitä, miten alkoholi vaikuttaa nuorten aivojen kehitykseen”, Raitasalo pohtii.

Nuorten omakin maailma on muuttunut toisenlaiseksi. Älylaitteet, pelit ja sosiaalinen media kyllästävät arkea. Pussikaljoittelu joutuu kilpailemaan monen muun kiinnostavan ajanvietteen kanssa ja on ehkä osittain hävinnyt niille.

Juovuksissa olemisesta on ehkä tullut myös tyylirikko. Nuoret eivät enää näytä arvostavan kännissä örveltämistä.

Kysely

Mikä mielestäsi raitistaa nuoria?

Neutroni
Seuraa 
Viestejä25729
Liittynyt16.3.2005

Viikon gallup: Mikä mielestäsi raitistaa nuoria?

Käyttäjä4809 kirjoitti: Eiköhän syy ole -90 luvulla alkaneen laman menetetyt työpaikat ja samalla supistettu koulutus, minkä seurauksena vuodestä -99 alkaen vanhemmilla ei enää ole ollut niin paljon rahaa annettavaksi nuorisolle. Sekä myös nuorisolle soveltuvien työpaikkojen vähentyminen ja samaan aikaan tapahtunut kohtuuton vuokrien nousu, vasinkin pääkaupunkiseudulla. En tiedä, mutta en usko rahaan. Esimerkiksi kilju, 10 % juoma joka maksaa joitain senttejä litralta, tuntuu olevan...
Lue kommentti
molaine
Seuraa 
Viestejä1186
Liittynyt3.8.2011

Viikon gallup: Mikä mielestäsi raitistaa nuoria?

En kyllä usko, että rahalla on iso merkitys ja veikkaan, että käytettävissä olevat rahat on vain kasvaneet, jos verrataan vaikka omaan nuoruuteen. Ei viina suomessa ole niin kallista, etteikö köyhälläkin olisi varaa dokailla. Oma junnu ei läträä lainkaan viinan kanssa. Iso osa kavereistakaan ei, vaikka osa ilmeisesti jonkin verran lipittelee. Kyllä nuorten asenteet on mielestäni muuttuneet ihan selkeästi. Ehkä alkoholipolitiikka on toiminut? Kotoa ei meillä kyllä tällaista ole opittu...
Lue kommentti

Panterarosa: On selvää, että "Partitava kisaa kurupati-kuvaa" ei oikein aukene kehitysmaalaisille N1c- kalmukinperseille.