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.

Sisältö jatkuu mainoksen alla

Sisältö jatkuu mainoksen alla


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.

Sisältö jatkuu mainoksen alla