valmistuu 2007 Euroopan hiukkasfysiikan tutkimuskeskukseen Cerniin. Sitä odottavat monet suomalaiset fyysikot.


TEKSTI:Risto Varteva

Sisältö jatkuu mainoksen alla

valmistuu 2007 Euroopan hiukkasfysiikan tutkimuskeskukseen Cerniin.
Sitä odottavat monet suomalaiset fyysikot.

Sisältö jatkuu mainoksen alla

Julkaistu Tiede-lehdessä 5/2003

Euroopan hiukkasfysiikan tutkimuskeskus Cern Sveitsissä on kuin suuri teollisuuslaitos, mutta kaupan hyllylle sen tuotteet eivät koskaan tule. Mahtavien rakennelmien tarkoituksena on havaita uusia perushiukkasia, jotka antavat varmistuksen nykyisille fysiikan teorioille.


 


Tai sitten mittaukset eivät varmista niitä. Siinä tapauksessa kehitetään uusia teorioita, sillä vaikka teoria olisi miten hieno tahansa, se on väärä teoria, jos luonto toimii toisin. Nyt tähtäimessä on monin tavoin ratkaiseva Higgsin hiukkanen.

Fyysikoiden ennustama Higgsin hiukkanen tarvitaan selittämään, miksi elektroneilla ja muilla perushiukkasilla on massa. Teoreetikot ovat myös laskeneet, ettei higgsiä voida löytää nykyisillä laitteilla vaan tarvitaan todella iso kiihdytin.

Cernissä tehdään ennätystä, jota tuskin rikotaan ainakaan pariinkymmeneen vuoteen. Sen takaa jo sekin, että näin järeiden mittalaitteiden - fyysikoiden kielellä ilmaisimien - rakentaminen kestää vuosia.

Pöytäkoosta jätteihin

Sadassa vuodessa on paljon muuttunut. Kun J. J. Thomson löysi elektronin 1800-luvun lopulla ja tutki sen ominaisuuksia ja kun Ernest Rutherford selvitti kymmenkunta vuotta myöhemmin atomin rakenteen ja mittasi atomiytimen koon, tarvittavat mittalaitteet voitiin kyhätä laboratorion pöydälle.

Higgsin hiukkasen etsimiseen tarvitaan 27 kilometriä pitkä rengasmainen hiukkaskiihdytin ja kiihdyttimellä synnytettävien uusien hiukkasten havaitsemiseen ilmaisimet. Niistä CMS-ilmaisimen läpimitta on viisitoista metriä ja paino 12 500 tonnia. Ilmaisimet rakennetaan täyteen nykyajan huipputekniikkaa.

Higgsin hiukkasia pitäisi syntyä, kun kiihdyttimessä suureen nopeuteen vauhditetut protonit törmäävät toisiinsa.

Rutherford teki aikoinaan mittauksia siten, että hän ja hänen apulaisensa laskivat yksittäin valontuikahduksia, jotka välähtivät loisteaineella päällystetyllä lasilevyllä. Higgsin hiukkasta etsittäessä tämä ei enää kävisi päinsä, sillä protonikimput törmäävät 40 miljoonaa kertaa sekunnissa!

Suomalaiset mukana

- Mittaustiedon käsittely on suunnaton haaste, sanoo Jorma Tuominiemi, Cernissä ohjelmajohtajana työskentelevä Helsingin yliopiston professori. - Mittauksista mikä tahansa voi kertoa juuri siitä hiukkastapahtumasta, jota etsimme, joten jokaisen havainnon kohtalo on osattava päättää luotettavasti.

Tämän arkijärjellä käsittämättömän havaintoryöpyn karsinta on yksi niistä tehtävistä, jotka ovat jo vuosikausia olleet suomalaisten vastuulla. Toki Higgsin hiukkasen etsimisessä tarvitaan paljon muutakin: hankkeessa on noin 1 900 fyysikkoa ja insinööriä ympäri maailmaa. Heistä suomalaisia on tätä nykyä parikymmentä.

- Myös Suomen teollisuus on saanut tässä hankkeessa kovan luokan tehtäviä, joista se on selvinnyt kunnialla, Tuominiemi kiittelee yhteistyökumppaneita. - Cerniin on toimitettu Suomesta muun muassa suprajohtavia kaapeleita ja huippuelektroniikkaa.

Tarvitaan pikanetti

- Nykyisen tiedon mukaan saamme aikaan yhden Higgsin hiukkasen jokaista kymmentä miljardia protonikimpun törmäystä kohti, Tuominiemi kertoo. - Higgsejä voisi siis ilmaantua neljän minuutin välein. Emme tietenkään pysty tutkimaan yksityiskohtaisesti kaikkia törmäyksiä. Siksi tarvitaan nopea mutta luotettava karsinta.

Ensimmäisessä vaiheessa katsotaan, näkyykö ilmaisimen jossakin osassa epätavallisen paljon energiaa. Näitä tapauksia on yksi tuhannesta, ja ne pääsevät jatkoon. Tämä karsinta tehdään CMS-ilmaisimen sisällä huippunopeilla suorittimilla.

Seuraavassa vaiheessa ilmaisimen kuudestatoista miljoonasta tietokanavasta tuleva tieto annetaan tuhannen PC-tietokoneen käsiteltäväksi. Vain yksi tapahtuma tuhannesta pääsee tämän pikalaskennan jälkeen jatkoon. Sekin on vielä sata hiukkastapahtumaa sekunnissa.

Nämä sata tallennetaan muistiin jatkoselvityksiä varten. Niiden analysointi hajautetaan eri puolilla maailmaa sijaitseviin tietokoneisiin. Tämä hoituu kehitteillä olevalla huippunopealla Grid-järjestelmällä (ks. Tiede 6/02, s. 14).

Tuloksia vuosien päästä

Higgsin hiukkasen metsästys alkoi tosimielessä oikeastaan jo yli kymmenen vuotta sitten, ja nyt rakenteilla oleva laitteisto alkaa toimia vasta vuonna 2007.

Pitkä aikataulu johtaa siihen, että monet hankkeessa mukana olleet ovat jo eläkkeellä, kun tuloksia aletaan saada. Nuoret tutkijat joutuvat sitoutumaan vuosikausiksi tähän yhteen tavoitteeseen. Se hieman huolestuttaa Tuominiemeä:

- Päätavoite on Higgsin hiukkanen, vaikka matkan varrella tietenkin riittää eteville tutkijoille haastavia ja palkitsevia tehtäviä. Projektin johtajana olen kuitenkin huomannut, että hiukkasfysiikka joutuu kilpailemaan ankarasti lahjakkaista nuorista, sillä myös teollisuudella ja luonnontieteen muilla aloilla on oma vetovoimansa.

- Aika moni on Cernin projekteissa mukana pari vuotta. Sinä aikana ehtii saada paljon kokemusta kansainvälisestä yhteistyöstä, huipputekniikasta ja eturintaman tutkimuksesta. Tämä kokemus on kovaa valuuttaa teollisuudessa ja melkein millä alalla tahansa. Jo sadat suomalaiset ovat hankkineet Cernistä tällaista pääomaa.


Sisältö jatkuu mainoksen alla