Euroopan hiukkasfysiikan tutkimuskeskuksessa Cernissä maailmankaikkeuden rakenne täsmentyy hiukkanen kerrallaan. Suomi on hyvin mukana modernin fysiikan eturintamassa.


maailmankaikkeuden rakenne täsmentyy hiukkanen kerrallaan.
Suomi on hyvin mukana modernin fysiikan eturintamassa.

Sisältö jatkuu mainoksen jälkeen

Julkaistu Tiede-lehdessä 6/2004

Sisältö jatkuu mainoksen alla

Cernin 50-vuotispäivää juhlitaan 29. 9. Sitä olisi voitu viettää jo kaksi vuotta sitten, sillä toukokuussa 1952 päätettiin rakentaa suuri protonisynkrotroni, josta käytettiin lyhennettä PS. Siitä oli tarkoitus tehdä tehokkaampi kuin Yhdysvaltain vastaava Cosmotron-hiukkaskiihdytin. Rakennustyöt aloitettiin kahden vuoden suunnittelun jälkeen toukokuussa 1954, eli sekin tapahtui jo ennen Cernin virallista perustamista. PS:n kiihdytinrengas oli läpimitaltaan 200 metriä.


Ja on edelleenkin: PS ei suinkaan ole joutunut museoesineeksi, sillä sitä käytetään yhä vauhdittamaan protoneja, jotka sitten syötetään vuosikymmeniä myöhemmin rakennettuihin huipputehokkaisiin kiihdyttimiin. Itse asiassa vasta viime vuonna jouduttiin ensimmäistä kertaa vaihtamaan kaksi PS:n sadasta järeästä, 38 tonnia painavasta sähkömagneetista uusiin. Cernin tiedotuslehti CERN Courier ei suotta otsikoinut alkuvuonna 2004 PS:n historiasta kertovaa kirjoitustaan: "Cernin sydän sykkii yhä vahvana."



Kun Cern syksyllä 1954 perustettiin, erilaisia hiukkasia tunnettiin vasta kymmenkunta. Niistä elektroni, protoni ja neutroni kuuluivat meille tutun aineen rakennuspalikoihin. Kaikki muut olivat hiukkasia, joita voitiin tuottaa laboratoriossa mutta jotka pysyivät koossa vain sekunnin murto-osia. Muutamia niistä oli havaittu myös avaruudesta tulevan kosmisen säteilyn seurauksina.


Se kuitenkin tiedettiin, että jotakin yhteistä eri hiukkasilla täytyi olla, sillä hajotessaan ne usein tuottivat jo tuttuja hiukkasia. Esimerkiksi myoni muuttui elektroniksi ja ilmeisesti kahdeksi neutriinoksi. Neutriinoja tosin ei tuon ajan tekniikalla kyetty havaitsemaan.


Siksi oli tärkeää saada selville, mitä kaikkea hiukkasten välillä voi tapahtua ja mitä vielä olisi löydettävissä. Siihen tarvittiin yhä tehokkaampia hiukkaskiihdyttimiä. Jos Cerniä ei olisi perustettu, käytännön tutkimus olisi jäänyt Yhdysvaltain ja Neuvostoliiton kontolle, koska vain niillä oli riittävästi rahaa.


Mistään Euroopan ja näiden kahden suurvallan välisestä kilpajuoksusta ei kuitenkaan ollut kyse, sillä varsinkin hiukkastutkimus on aina nojautunut kansainväliseen yhteistyöhön: tutkijat siirtyvät laitoksesta toiseen sen mukaan, missä heidän kykyjään ja osaamistaan voidaan parhaiten hyödyntää, ja tutkimusten tulokset ovat julkisia.


Jo 1950-luvun alussa siis tiedettiin jotakin jännittävää löytyvän, mutta tuskin kukaan osasi aavistaa, millaiseen muurahaispesään uusilla kiihdyttimillä sohaistiin.



Hiukkasmaailma alkoi 1960-luvun alussa näyttää kaoottiselta, sillä hiukkasia tunnettiin jo satoja mutta yhtenäistä luokittelua niille ei ollut. Hiukkasia ei osattu taulukoida sillä tavalla siistin järjestelmällisesti kuin oli lähes sata vuotta aiemmin tehty alkuaineille.


1960-luvulle tultaessa oli kuitenkin saatu jo viitteitä siitä, että protoni ja neutroni rakentuvat ikään kuin pienistä jyväsistä. Ne eivät ehkä olisikaan aitoja alkeishiukkasia, koska ne itse koostuivat jostakin vielä alkeellisemmasta. Näitä havaintoja tehtiin myös Cernissä, joka alkoi nousta kokeellisen hiukkastutkimuksen kärkisijoille.


Kokeet osoittivat protonien ja neutronien koostuvan kvarkeista, jotka ovat aineen perusosia.
Näin selvitettiin hiukkasluetteloiden sekamelska ja päädyttiin 1970-luvulle tultaessa viimein teoriaan, joka yhdisti luonnon neljästä perusvoimasta kolme.



Fysiikassa teoria on kuitenkin pelkkä teoria niin kauan kuin havainnot eivät anna sille tukea tai eivät murskaa sitä. Teoreetikot pystyvät laskemaan, millaisia hiukkasia ja hiukkasten välisiä vuorovaikutuksia pitäisi löytyä, jos teoria on oikea. Kokeita alettiin suunnitella tältä pohjalta: hiukkasfysiikka ei suinkaan ole umpimähkäistä mittailua siinä toivossa, että löytyisi jotakin merkityksellistä. Ja kun jotakin kiintoisaa löytyy, sen todellinen merkitys selviää vasta teorian antaman selityksen kautta. Siksi nykyajan hiukkasfysiikka on teoreetikoiden ja kokeita tekevien fyysikoiden tiivistä yhteistyötä.


Uutta teoriaa, joka yhdistää sähkömagnetismin, heikon vuorovaikutusvoiman ja vahvan vuorovaikutusvoiman, alettiin kutsua standardimalliksi. Vain painovoima jäi sen ulkopuolelle.


Standardimallin mukaan hiukkaset voidaan ryhmitellä kolmeen perheeseen, eli elektroneja on kolmea lajia, neutriinoja kolmea lajia ja kvarkkeja kolme erilaista paria.


Malli oli kaunis, mutta suuri osa sen edellyttämistä hiukkasista oli vielä havaitsematta. Ne oli löydettävä, tai sitten piti osoittaa kokeellisesti, ettei niitä voi olla olemassakaan, jolloin kaunis standardimalli olisi hylättävä.



Yksi loistavimmista saavutuksista oli heikkoa vuorovaikutusta välittävien W- ja Z-hiukkasten löytyminen. Teoriaa ja 1970-luvun kuluessa saatuja koetuloksia yhdistämällä teoreetikot pystyivät arvioimaan, miten massiivisia nämä hiukkaset ovat eli miten suurilla energioilla niitä voitiin tuottaa. He myös laskivat, millaisia jälkiä W ja Z hajotessaan jättävät. Jos jäljet löytyvät, W ja Z ovat olleet hetken olemassa hiukkaskiihdyttimen mittalaitteissa.


Jäljet löydettiin 1982-1983, ja tämä toi mittaukset suunnitelleille ja niitä johtaneille Carlo Rubbialle ja Simon van der Meerille fysiikan nobelin. Mukana oli ollut monia muitakin, sillä yksistään löydöstä kertovassa tieteellisessä raportissa oli nimetty 126 henkilöä, joukossa viisi suomalaista.


Seuraava merkittävä etappi oli 1993 tehty mittaus, joka osoitti, että erilaisia neutriinoja on vähintään 2,9 mutta enintään 3,1. Oikea vastaus on siis 3, kuten standardimalli edellytti. Tässäkin teoria piti kutinsa. Näihin mittauksiin käytettiin 1989 valmistunutta LEP-kiihdytintä, jonka rengasmaisen tunnelin pituus on 27 kilometriä.


Tämän jälkeen tavoitteena on löytää 1960-luvulla ennustetut Higgsin hiukkaset, joiden pitäisi selittää, miksi hiukkasilla on massa. Nämä mittaukset aloitetaan vuonna 2007; laitteisto asennetaan LEP-kiihdyttimen tunneliin, ja sitä on rakennettu jo vuosia. Tämän laitteen nimeksi tulee LHC.



Vielä joskus 60 vuotta sitten mikrokosmos eli atomien maailma ja makrokosmos eli tähtien ja galaksien maailma olivat kaksi eri asiaa. Tosin jo silloin osattiin selittää, mistä ydinreaktioista tähdet tuottavat energiansa, mutta syvempää yhteyttä mikrokosmoksen ja makrokosmoksen välillä ei nähty.


Hiukkastutkimus muutti kaiken. Hiukkaskiihdyttimien suuret energiat vastaavat niitä energioita, joita maailmankaikkeuden hiukkasilla oli, kun alkuräjähdyksestä oli kulunut sekunnin murto-osia. Näin kiihdyttimet paljastivat, mitä tapahtui juuri, kun kaikki oli saanut alkunsa.


Tämä on johtanut siihen, että nyt ymmärrämme aika hyvin, miksi maailmankaikkeus on muotoutunut juuri tällaiseksi kuin se on. Senhän ihmiskunta on aina halunnut tietää, eikä näin suurta luonnontieteellisen maailmankuvan synteesiä ole ihmiskunnan historiassa koskaan aikaisemmin tehty. Jo yksistään se on riittävä syy satsata tutkimukseen, josta ei ehkä kehkeydy käytännön sovelluksia vielä pitkään aikaan.


Suuri on tehokasta


Miksi hiukkaskiihdyttimien tulee olla yhä tehokkaampia? Hiukkasten sisäistä rakennetta tutkitaan ampumalla niitä toisilla hiukkasilla. Mitä suurempi liike-energia ammushiukkasella on, sitä pienempiä yksityiskohtia sillä voidaan erottaa. Tähän päästään vain hyvin suurilla laitteilla, sillä hiukkasten vauhdittamiseen tarvitaan pitkä matka.


Ammushiukkasen suuri energia voi myös tuottaa uusia hiukkasia, eli osa sen energiasta voi muuttua massaksi. Monia uusista hiukkasista ei muulla tavalla voitaisikaan havaita, koska ne hajoavat melkein heti synnyttyään. Luonnosta niitä ei siis löydy, paitsi satunnaisesti ilmakehästä kosmisen säteilyn seurauksena.


Atomipommi on eri asia


1950-luvun alku oli kylmän sodan aikaa, jolloin Yhdysvaltain ja Neuvostoliiton kilpavarustelu oli kiivasta. Vain näillä kahdella oli tuohon aikaan ydinpommeja; Englanti tosin kokeili omaansa jo 1952.


Oli tietenkin helppo herättää epäilyjä, että Länsi-Euroopan yhteinen hiukkastutkimuskeskus olisi jollakin tavalla kytköksissä pommien kehittämiseen, sillä sen nimessä Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire on tuo pahaenteinen sana nucléaire, ydin-. (Nykyisessä nimessä sanan Conseil tilalla on sana Organisation, mutta vanha lyhenne Cern on säilytetty.)


Epäilykset kytivät pitkään, vaikka ainakin tutkijoille itselleen oli selvää, ettei Cernin tavoitteilla voinut olla mitään tekemistä ydinpommien kehittämisen kanssa. Ydinpommit perustuvat atomiydinten välisiin reaktioihin, jotka ovat energialtaan paljon vaatimattomampia kuin uusia hiukkasia tuottavat reaktiot.


Toisekseen ydinpommien toimintaperiaatteessa ei ollut enää 1950-luvulla suuriakaan salaisuuksia. Pommien rakentaminen oli jo tuossa vaiheessa enemmänkin tekniikkaa kuin luonnontiedettä.


Suomi pitkään erityisasemassa


Suomi joutui pysyttelemään Cernin ulkopuolella koko kylmän sodan ajan 1960-luvun lopun liennytyksiin saakka ja osin vielä sen jälkeenkin. Se oli varmaan Suomen ulkopoliittisen aseman kannalta viisastakin.


Suomi ei kuitenkaan aivan kokonaan jäänyt sivustakatsojaksi. Helsingin yliopiston fysiikan professori K. V. Laurikainen alkoi jo 1960-luvun alussa tutkailla sopivia yhteistyömuotoja Cernin kanssa, sillä hän näki hyvin, että Suomi jää modernissa fysiikassa auttamatta jalkoihin, elleivät nuoret tutkijat saa vankkaa kansainvälistä kokemusta myös hiukkasfysiikassa. Epävirallinen yhteistyö pääsi vauhtiin. Suomen ja Cernin välille saatiin yhteistyösopimus.


Vihdoin 1991 Suomi liittyi virallisesti Cerniin. Suomen osuus kustannuksista on 1,3 prosenttia eli noin 50 miljoonaa euroa vuodessa.


Cernin hankkeissa toimii nykyisin noin 7 000 tutkijaa, joista noin 60 on suomalaisia. Nykyajan tietoliikenneyhteyksien takia tutkijat voivat työskennellä paljon myös kotimaassaan ja vain välillä pistäytyä Cernissä.


Suomessa juhlitaan Cernin 50-vuotistaivalta 28.10. Silloin Otaniemessä ja Helsingissä Kumpulan kampuksella pidetään aiheeseen liittyviä tilaisuuksia.


Internet kuuluisin sivutuote


Hiukkasfysiikan uudet tulokset eivät suoraan vaikuta arkeemme, mutta tutkimuksen oheistuotteilla on myös käytännön sovelluksia.


Tunnetuin on World Wide Web, jonka avulla maailman tieto saadaan kätevästi kotitietokoneelle. Menetelmän kehitti 1980-luvun lopulla Cernin sisäistä tiedonvälitystä varten englantilainen Tim Berners-Lee, joka sai tästä viime kesäkuussa Suomen ensimmäisen Millennium-palkinnon, miljoona euroa.


Cernissä on kehitetty myös menetelmiä nopeaan tiedonkäsittelyyn. Esimerkiksi tulevissa Higgs-mittauksissa tuotetaan tuntikausien ajan sata miljoonaa hiukkastörmäystä sekunnissa. Tulosten analyysiä varten on rakenteilla huippunopea Grid-tietoliikenneverkko, jonka rinnalla nykyisen Internetin nopeus on etanan matelua.


Miksi hiukkasilla on massa?


Massan alkuperä oli pitkään arvoitus, kunnes englanti-lainen fyysikko Peter Higgs esitti sille ratkaisun 1960-luvulla.


Teorian mukaan koko avaruuden täyttää tietynlainen Higgsin kenttä, jonka voisi suurpiirteisesti ajatella muistuttavan sähkömagneettista kenttää. Hiukkaset ovat jatkuvassa vuorovaikutuksessa Higgsin kentän kanssa,  mikä johtaa siihen, että kenttä vaikeuttaa hiukkasen liikkumista. Juuri tämä liikkumisen tahmaantuminen ilmenee meille hiukkasen massana.


Arkielämästä tutun vertauksen mukaan hiukkanen on Higgsin kentässä kuin uimari vedessä: mitä nopeammin yrität edetä, sitä enemmän tarvitaan voimaa. Kenttäteorian mukaan tarvitaan aina jokin välittäjähiukkanen, joka pitää huolen kentän ja hiukkasen välisestä vuorovaikutuksesta.  Sähkömagneettisessa kentässä tämä välittäjähiukkanen on fotoni. Higgsin kentän voimia välittää Higgsin hiukkanen.Jos Higgsin hiukkanen löydetään, silloin tiedetään, että myös Higgsin kenttä on olemassa, ja massan arvoitus on tältä osin ratkennut. Jos Higgsin hiukkasta ei löydy, fyysikoiden pitää etsiä muita selityksiä massalle. LHC varmasti auttaa siinäkin.

Sisältö jatkuu mainoksen alla