Pyhäsalmen kaivoksesta saattaa tulla neutriinotutkimuksen uusi napa. Se sijaitsee maagisessa pisteessä, joten juuri siellä kannattaa pyydystää hiukkasia, jotka voivat kertoa, miksi aine ja antiaine eivät alkuräjähdyksen jälkeen kumonneet toisiaan, vaan kaikkeuteen jäi rakennuspalikoita niin tähtiä, planeettoja kuin meitä ihmisiä varten.

Teksti: Maria Korteila

Seisomme hissin ovella. Jännittää. Tällainen hissi ei tule vastaan joka päivä. Olemme Pohjois-Pohjanmaalla Pyhäsalmen kaivoksella. Hissi, johon astumme, vie meidät lähes puolentoista kilometrin syvyyteen maan sisään.Astumme hissiin. Jalkojen alla on 1 430 metriä tyhjää kuilua. Otan varmuuden vuoksi tukea seinästä ja olen kiitollinen, että oppaamme, kaivossuunnitteluinsinööri Sakari Mononen valaisee pimeää hissiä kypäränsä otsalampulla. Klonks. Nyt mentiin.Hissi lähteekin liikkeelle sulavasti ja hitaasti, lähes huomaamatta. Syytä onkin, sillä sama hissi nostaa malmin ylös maanpinnalle noin 21 tonnin erissä. Kun sellainen massa on kyydissä, ei kannata harrastaa äkkipysähdyksiä eikä äkkilähtöjä. Nyt ei olla Linnanmäellä.

Pohjalla odottaa pimeä kesä

Hissi painuu kohti syvyyksiä 12,5 metriä sekunnissa. Yritän saada käsityksen nopeudesta seuraamalla välitasojen ohi välähtäviä valoja, mutta pian kaiken huomion vievät korvat. Ne menevät lukkoon hyvin tehokkaasti. Matka alas kestää kolme minuuttia, ja kun olen perillä puhallellut ja nieleskellyt korvani auki, pyydän Monosta toistamaan kaiken hississä kertomansa. En kuullut mitään.Syvällä maan sisässä ei oikeastaan tunnu miltään. Ihmiseltä puuttuu kyky aistia syvyyttä. Maan päälle on sama matka kuin lukioaikana kouluun, mutta ei sitä voi hahmottaa. Kaivoskäytävät ovat siistejä, seinät betonoituja. Voisimme oikeastaan olla minkä tahansa parkkiluolan perukoilla.Kunnes ohi jyrisee kaivoskone. Pelkästään sen pyörien yläreuna ulottuu metrin verran pääni yläpuolelle. Masiina on valtavuudessaan sen verran kunnioitusta herättävä, että päätän pitää Monosen kantapäät tiukasti näkyvissä, kun harpomme pitkin kaivoskäytäviä. Ei tee mieli jäädä jälkeen.Vitsailemme, että lastauskoneen kauhan tilavuus vastaa helsinkiläistä yksiötä. Ei nyt sentään ihan –mutta vetää se yhdeksän kuutiota kiveä.1 400 metrissä vallitsee ikuinen kesä, tosin varsin pimeä. Lämpötila on vuoden ympäri noin 23 astetta. Paikoin koneet lämmittävät ilmaa, ja kun käymme vilkaisemassa murskaamoa, asteita on selvästi enemmän. Turvasaappaissa, heijastintakissa, kypärässä ja visiirissä tulee äkkiä hiki.

Jäljellä kaksi vaihtoehtoa

Moderni kaivostekniikka on hämmästyttävää, mutta se ei ole maanalaisen retkemme syy. Vielä hämmästyttävämpää on nimittäin se, että tänne Pyhäsalmen uumeniin suunnitellaan valtavaa hiukkasilmaisinta. EU:n osittain rahoittama kansainvälinen Laguna-LBNO-konsortio kehittelee erittäin suurikokoisen astrohiukkasfysiikan mittalaiteen, neutriinoilmaisimen, rakentamista. Ilmaisin on saatava syvälle maan alle, jotta taustasäteily ei sotkisi mittauksia. Maan kuori suodattaa tehokkaasti suuren osan hiukkasista.Hankkeen lyhenne tulee sanoista Large Apparatus studying Grand Unification, Neutrino Astrophysics and Long Baseline Neutrino Oscillations. Siis iso tutkimuslaite suuren yhtenäisteorian, neutriinofysiikan ja pitkän matkan neutriino-oskillaatioiden tutkimusta varten. Yhdysvalloissa ja Japanissa kehitellään samantyyppisiä mittauksia. Tiede on tiukka kisa, jossa Eurooppa ei saa jäädä jälkeen. Laguna onkin eurooppalainen yhteisponnistus. Euroopan hiukkasfysiikan tutkimuskeskuksella Cernillä on hankkeessa merkittävä rooli, ja kaikkiaan siinä on yli 40 tahoa, mukana Oulun, Jyväskylän ja Helsingin yliopistot.Vielä viime syksynä ilmaisimesta kilpaili seitsemän paikkaa Euroopassa. Nyt jäljellä on enää kaksi, joista Pyhäsalmi on toinen. Toinen sijaitsee Ranskassa Fréjusin maantietunnelissa.Ilmaisinvaihtoehtoja on kolme, ja suurin niistä on 100 metriä korkea, pieninkin kymmeniä metrejä. Sellaisia ei voi louhia minne vain. Vankka peruskallio, kaivoksen valmis infrastruktuuri ja pitkä matka ydinvoimaloihin ovat muutamia Pyhäsalmen valttikorteista. Vaikka Fennovoiman uusi voimala nousisi 130 kilometrin päähän Pyhäjoelle, taustasäteily jäisi murto-osaan verrattuna keskieurooppalaiseen vaihtoehtoon.

Meitä ei olisi neutriinoitta

Se, mikä jätti-ilmaisin päätetään rakentaa tai rakentaa ensimmäiseksi, riippuu siitä, mitä halutaan mitata. Siihen taas vaikuttaa se, miten tiede kehittyy. Jokainen uusi askel tai löytö ohjaa perustutkimusta uuteen suuntaan.Neutriinot ovat yksi fysiikan kuumimmista perunoista. Ne ovat lähes massattomia alkeishiukkasia, joita on äärimmäisen vaikea havaita, sillä ne eivät juuri ole vuorovaikutuksessa minkään kanssa. Lävitsemme kulkee joka hetki miljardeja neutriinoja ilman, että huomaamme mitään.Neutriinoissa saattaa kuitenkin piillä koko maailmankaikkeuden arvoitus: se, miksi alkuräjähdyksen jälkeen kaikki aine ja antiaine eivät kumonneet toisiaan, vaan jäljelle jäi ainetta, josta saattoivat syntyä tähdet, planeetat ja me ihmiset.Pyhäsalmen kaivokseen kaavailluilla ilmaisimilla voidaan mitata sekä avaruuden neutriinoja että geoneutriinoja, jotka ovat peräisin Maan sisuksissa riehuvista ydinreaktioista. Lisäksi on tarkoitus mitata Cernistä ammuttua, hiukkaskiihdyttimellä aikaansaatua neutriinosuihkua. Vaikka neutriinot eivät olekaan vuorovaikutuksessa aineen kanssa, jotkin niiden ominaisuuksista muuttuvat maan kuoressa kulkiessa, ja nämä muutokset voivat kertoa meille jotain aivan uutta kosmoksen olemuksesta.

Japani tarjosi jytkyn

Neutriinoja on kolmea tyyppiä, tai makua, kuten kvanttifysiikan termein kuuluu sanoa: elektronin, myonin ja taun neutriinoja, jotka pystyvät myös muuntumaan toisikseen eli oskilloimaan.Jo jonkin aikaa sitten mittaukset paljastivat, että myonin neutriino voi muuttua taun neutriinoksi ja elektronin neutriino myonin tai taun neutriinoksi. Kesäkuussa neutriinofyysikot ottivat uuden loikan. Japanissa havaittiin ensi kertaa myonin neutriinon muuttuminen elektronin neutriinoksi. Pari viikkoa myöhemmin Yhdysvaltain Fermilab teki saman havainnon. Tulos oli odotettu, mutta mullistava. Jyväskylän yliopiston teoreettisen hiukkasfysiikan professori Jukka Maalampi lähetti saman tien sähköpostia. ”Tämä on kyllä Pyhäsalmelle aikamoinen jytky, jos sallit ilmaisun”, hän kirjoitti.Japanilaisten mittaustulokset varmistivat, että Pyhäsalmella pystyttäisiin mittaamaan Cernistä ammutusta neutriinosuihkusta niin sanottu cp-violaatio, varauspariteetin vinouma. Tämä varsin monimutkainen kvanttifysiikan suure voi selittää aineen ja antiaineen epäsymmetrian.

Sijainti paras mahdollinen

Mikä jännittävintä, Pyhäsalmi sijaitsee juuri sopivalla etäisyydellä Cernistä. Kvanttifysiikan teoreettisista lausekkeista on johdettavissa etäisyys, jolla tietty cp-violaatio on helpoimmin havaittavissa. Näin tapahtuu, kun neutriinot ovat matkanneet maankuoressa 2 540 kilometriä. Matka on nimeltään magic baseline, maaginen matka. Pyhäsalmelle on Cernistä 2 290 kilometriä eli hyvin lähelle parasta mahdollista etäisyyttä.Vielä maagisempaa on, että toinen maaginen etäisyys, runsaat 7 000 kilometriä, on Pyhäsalmen etäisyys Fermilabista. Periaatteessa sieltäkin voitaisiin joskus ampua neutriinosuihku kohti Suomea.Uusien tulosten perusteella Laguna-hankkeen kolmesta ilmaisinvaihtoehdosta vahvimmilla olisi Glacier eli Giant Liquid Argon Charge Imaging Experiment. Se on nestemäisellä argon-jalokaasulla täytetty ilmaisin, jonka energioidenerottelukyky on ilmaisimista suurin. Juuri tämän vuoksi se olisi kokeeseen sopivin. Hanketta johtava Zürichin teknisen yliopiston professori André Rubbia näyttää nyt kannattavan ensisijaisesti Glacier-ilmaisinta ja sitä, että sen prototyyppi rakennettaisiin varsinaiselle sijoituspaikalle. Alun perin prototyyppiä piti ensin kokeilla toisaalla. Maalampi on toiveikas.Nestemäiseen argoniin perustuvan mittaustekniikan periaatteen on keksinyt nobelfyysikko Carlo Rubbia, André Rubbian isä. Isä-Rubbia on käyttänyt menetelmäänsä menestyksekkäästi omassa Icarus-hankkeessaan Italiassa. Glacier olisi kooltaan satakertainen Icarukseen verrattuna.Kilpailevassakin sijaintipaikassa, Ranskan maantietunnelissa, cp-violaatiota voitaisiin mitata, mutta eri menetelmällä. Siellä pitäisi vertailla neutriinojen ja antineutriinojen eroja silloin, kun ne kulkevat lyhyen matkan maaperässä. Fréjusin tunneli sijaitsee 130 kilometrin päässä Cernistä.

Massa ja protonikin kohteena

Neutriinotutkimuksella haetaan vastausta myös kahteen muuhun kuumaan perunaan. Pyhäsalmella voitaisiin saada selville kolmen neutriinon massojen suhteet. Fyysikot tietävät, että yksi neutriinoista on massaltaan pienempi kuin kaksi muuta, mutta he eivät tiedä mikä. Runsaasti yksinkertaistettuna: massojen selvittäminen voisi vastata kysymykseen, miten perushiukkasten massa syntyy.– Esimerkiksi Cernin etsimä Higgsin hiukkanen selittää vain sen, että hiukkasilla on massa, mitään muuta se ei kerro. Neutriinojen massahierarkia voi selittää, miten ja millaisia massoja hiukkasille syntyy, mikä on teoreettisesti yksi perusluonteisimmista kysymyksistä, Maalampi sanoo.Toinen tärkeistä perunoista kuuluu: hajoaako protoni radioaktiivisesti? Jos protonin hajoaminen ”nähtäisiin”, suurten yhtenäisteorioiden asema voisi mullistua. Protonin spontaania hajoamista ei ole havaittu koskaan. Tehtävä on hankala, koska protonin elinikä vuosina on todennäköisesti luku, jonka perässä on 33 nollaa. Jättikokoinen ilmaisin tekee harvinaisen tapahtuman havaitsemisen edes periaatteessa mahdolliseksi.Lagunan jatkoselvittelyissä voi kuitenkin mennä vielä parikin vuotta. Myös huippututkimuksen rahoituksesta on päästävä sopuun.

Kelpoisuus pitää osoittaa

Hyvä kaivosluola ei yksin riitä, kun huippuilmaisimen sijaintipaikkaa valitaan. Pitää myös osoittaa, että tarjokkaassa on mahdollista tehdä ja on jo tehty korkeatasoista tieteellistä tutkimusta.Nousemme maan pinnalle. Sekin vie hissillä kolme minuuttia, mutta ei satu korviin. Sitten astumme jeeppiin ja ajamme kaivosalueen toiselle laidalle ja takaisin maan alle. Tällä kertaa tosin toiseen kaivostunneliin, joka ei ole enää käytössä. Nyt seuranani ovat Pyhäsalmen Maanalaisen fysiikan tutkimuskeskuksen CUPP:n fyysikot, tutkimusjohtaja Timo Enqvist ja tutkija Pasi Kuusiniemi. Tutkimuskeskus on Oulun ja Jyväskylän yliopiston kymmenisen vuotta pyörinyt yhteishanke.Ajelemme kiusallisen jyrkkää käytävää noin 80 metrin syvyyteen. Ikuisesta kesästä ei ole enää tietoakaan. Tässä syvyydessä maaperän lämpötila pysyttelee läpi vuoden seitsemässä–kahdeksassa asteessa, ja paikoin ympärillä leijailee sankkojakin sumupilviä. Vesi virtaa puroina pitkin mutaista käytävää, ja katosta tipahtelee päälle pisaroita.Vettä pitää varoa. Sen pH on kolme. Rikkipitoinen maaperä tekee vedestä varsin hapanta, happamuus on etikan luokkaa. Ei se ihoa syövytä, mutta etenkin valokuvaajan kannattaa suojata laitteitaan. Itse yritän muistaa olla pyyhkimättä kutisevaa silmäkulmaa.

Myoneja pyydystetään jo

Vastassamme on keltainen mökkikylä. Kyseessä ei kuitenkaan ole maanalaisen matkailun uusi innovaatio, vaan mökit kätkevät sisäänsä neliömetreittäin mittalaitteita. Täällä on menossa kosmisen säteilyn saloja selvittävä Emma-koe, Experiment with MultiMuon Array, johon suomalaisten lisäksi osallistuvat Århusin yliopisto Tanskasta ja Tiedeakatemia Venäjältä. Kosminen säteily on yleisnimi ulkoavaruudesta tuleville suurienergiaisille hiukkasille. Osa siitä on peräisin Auringosta, mutta osa huomattavasti kauempaa, kuten kaukaisista supernovaräjähdyksistä. Kosmista säteilyä on tutkittu vuosikymmeniä, mutta yhä vain sen koostumus ja alkuperä ovat suurelta osin arvoitus. Kosmisen säteilyn mysteeriä ratkotaan niin sanotusta ilmakuurosta. Se on jopa kilometrejä leveä hiukkassuihku, joka syntyy, kun säteilyn ionisoituneet atominytimet ilmakehään osuessaan hajoavat muun muassa protoneiksi, neutroneiksi ja myoneiksi. Pyhäsalmen kallion alla jahdataan myoneja, elektroneja muistuttavia mutta niitä paljon painavampia alkeishiukkasia. Myoneja on metsästetty ennenkin, esimerkiksi Cernissä, mutta ei koskaan ennen yhtä laajassa mitassa kuin Pyhäsalmen Maanalaisen fysiikan tutkimuskeskuksessa.Toukokuussa Emma-koetta kävi arvioimassa kansainvälinen tieteellinen asiantuntijaryhmä. Se totesi tutkimuksen korkeatasoiseksi. Luokitus oli hyvä uutinen neutriinoilmaisimen saamista ajatellen, mutta ei juututa enää siihen. Maailmankaikkeuden arvoituksia voi ratkoa jo 80 metrissä!

Alan laajinta mittausta

Emma toimii maan alla siksi, että kalliokerros suodattaa ilmakuurosta kaikki muut varauksiset hiukkaset mutta ei suurienergiaisimpia myoneja. Niitä mittaavat ilmaisimet ovat kaasutäytteisiä ajautumiskammioita, joissa kiertää argonin ja hiilidioksidin seos. Lisätarkkuutta mittauksiin tuovat Venäjällä varta vasten kehitetyt tuikeilmaisimet.Koko komeudessaan 15 neliömetrin mittausmökkejä on yhdeksän ja ilmaisinpinta-alaa yhteensä 135 neliötä. Lisäksi osassa mökeistä ilmaisimia on kolmessa tasossa.Kun monen tason mittausdataa yhdistetään, voidaan saada selville myonien määrä, energiajakauma ja saapumissuunta yhden asteen tarkkuudella. Siitä voidaan puolestaan päätellä, mikä kosmisen säteen hiukkanen ilmakehässä on hajonnut. Tulokset tarjoavat uutta tietoa esimerkiksi kosmoksen rakenteesta, ja jos kosminen säteily on peräisin supernovaräjähdyksestä, kirkastuvat käsitykset tähtien kuolinhetkistä. Timo Enqvist arvioi, että Emma pystyy havaitsemaan useita satoja ilmakuuroja vuodessa. Datasta ei siis pitäisi olla pulaa.

Pilttikin sai tehtävän

Kun alamme tehdä lähtöä, ilmankosteus on jo pahoin muhentanut muistilehtiöni paperin. Kysyn vielä Enqvistiltä, mitä ovat jokaisen mökin ikkunalla rivissä seisovat lasiastiat, jotka näyttävät tyhjiltä Piltti-purkeilta.Enqvist vastaa: Ne ovat tyhjiä Piltti-purkkeja. Tai eivät ne aivan tyhjiä ole. Purnukoissa on hieman ruokaöljyä. Purkkien kautta kulkee osa ajautumiskammioiden kaasuletkuista. Jos öljy kuplii, kaasu kulkee ja kaikki on kunnossa. Mittausjärjestelmään toki kuuluu laite, joka hälyttää maan pinnalla sijaitsevalle tutkimusasemalle, jos kaasun kulku lakkaa, mutta Piltti-purkkien avulla vikakohta on helpompi paikantaa.Kaikkea fyysikot keksivät.

Suomi tarjoaa ennätyssyvää

Jos Pyhäsalmi saa neutriinolaboratorion, se rakennetaan Euroopan syvimpään kaivokseen.

Pyhäsalmen kaivoksessa on louhittu malmia pian 50 vuotta, ja vuodesta 2002 lähtien se ollut kanadalaisen kaivosjätin Inmet Mining Corporationin omistuksessa. Nykyisin louhittava malmio ulottuu 1 425 metrin syvyyteen, mikä tekee Pyhäsalmesta Euroopan syvimmän toiminnassa olevan perusmetallien kaivoksen.Kaivoksen tärkeimmät malmit ovat rikkikiisu, sinkkivälke ja kuparikiisu. Päätuotteet ovat kupari-, sinkki- ja pyriittirikasteita, ja asiakkaat ovat pääosin kotimaisia sulattoja. Sivutuotteeksi vuosittain löytyy noin 250 kiloa kultaa ja 12 000 kiloa hopeaa. Kaivoksen vuosituotanto on 1,4 miljoonaa tonnia. Nykyisillä hinta-arvioilla toiminnan lasketaan jatkuvan vuoteen 2018 saakka.

Moderneinta tekniikkaa

Kaivos työllistää noin 220 ihmistä. Maan alla työskentelee vain noin 60, sillä kaivostekniikka on moderneinta mitä saatavilla on. Koneet tekevät suurimman osan työstä. Esimerkiksi osa malmista lastataan etäohjauksisilla lastauskoneilla. Punnitseva hihnakuljetin kuljettaa murskatun malmin kivikappaan, jonka hissi kiskaisee maan pinnalle, 21,5 tonnia kerrallaan.Kaivosmiehet käyttävät samaa hissiä, mutta pohjalle pääsee myös autolla mutkaista, 11,5 kilometriä pitkää vinotunnelia pitkin.

Saunakin löytyy

Kaivoksen pohjalle on rakennettu kaivoskoneiden huoltohallit, kahvila, ruokala sekä maailman syvimmällä sijaitseva sauna. Kaivoksen pohjalla toimii internet, ja kännykässäkin on kenttää. Työasiat hoidetaan kuitenkin radiopuhelimilla.Kaivosmiesten ei kesken vuoron tarvitse poistua maan alta. Töitä paiskitaan kahdessa vuorossa, ja iltavuoron päätteeksi tehdään räjäytykset.Räjäytysten jälkeen kallion seismisiä tapahtumia seurataan tarkasti. Data lähetetään Etelä-Afrikkaan, missä sijaitsee globaali kaivosseismologian analysointikeskus IMS, Insitute of Mine Seismology. Räjäytetty onkalo voi aiheuttaa jännitteitä, jotka saavat aikaan paikallisia maanjäristyksiä ja saattavat halkaista kalliota ja irrottaa siitä lohkareita. Irtokivet etsitään, ennen kuin seuraava vuoro päästetään töihin.Voimakkaimmat järistykset ovat olleet kahden richterin luokkaa. Vierailupäivämme aamuna tapahtunut yhden richterin järistys oli tuntunut tärinänä toimistorakennuksessa maan päällä.

Julkaistu Tiede -lehdessä 8/2011