Sattuu ja tapahtuu

CERN, CMS ja ATLAS

Ja seuraavaksi onkin luvassa vähän teknisempi tarinatuokio. Aion kertoa siitä mitä CERNissä oikein tutkitaan ja kertoa käynneistäni CMS- ja ATLAS-koepisteille.

Ensimmäiseksi yritän lyhyesti selittää mitä CERNissä tutkitaan ja miksi siihen tutkimukseen liittyvät mitat ovat niin suuria kuin ovat. Varoitan jo etukäteen, että käytän väistämättä hiukkasfysiikan termejä niiden merkitystä erikseen selittämättä. Yritän kuitenkin olla edellyttämättä niiden tuntemusta. Käytän myös joitakin vertauksia arkimaailman ilmiöihin —- vertaukset ovat kuitenkin vain vertauksia, eivätkä voi kuvata täydellisesti niitä ilmiöitä joiden selittämiseen niitä käytän. Varsinkin niiden lukijoiden jotka tuntevat hiukkasfysiikkaa ei kannata ottaa vertauksien puutteita kovinkaan vakavasti.

Aion käyttää vain yhtä kaavaa. Einsteinin vuoden kunniaksi se on E = mc², joka kuvaa energian ja massan samankaltaisuutta.

CERN ja hiukkasfysiikka

Kaaviokuva CMS:n rakenteesta. Kuvassa näkyy viisi rautaista rengasta — keskimmäinen ja reunimmaiset pareittain erikseen — sekä päätylevyt. Väreistä punainen vastaa suoraan alla olevien valokuvien punaisia CMS:n osia. (Kuva: CMS Outreach)

CERNissä tutkitaan maailmankaikkeuden rakennuspalikoiden eli atomien, atomiydinten ja niitä pienempien alkeishiukkasten kuten gluonien ja kvarkkien maailmaa. Tätä tarkoitusta varten CERNissä on useita erikokoisia hiukkaskiihdyttimiä, mutta suurimman huomion ja mielenkiinnon kohteena on aina se suurin ja kaunein. Viime vuosisadan puolella, eli 1990-luvulla suurin oli LEP (Large Electron-Positron Collider, “suuri elektroni-positronitörmäytin”). LEP oli rakennettu Sveitsin ja Ranskan rajalle, sata metriä maan pinnan alle sijoitettuun 27 kilometrin pituiseen rengasmaiseen tunneliin. LEP oli käytössä 13 vuotta ja se lopulta purettiin 2002. Tunneliin ollaan parhaillaan rakentamassa seuraavan sukupolven hiukkaskiihdytintä LHC:tä (Large Hadron Collider, “suuri hadronitörmäytin”) jonka pitäisi olla tutkijoiden käytössä ehkä jo vuonna 2008. [1]

LHC on kooltaan suuri, koska sillä halutaan kiihdyttää hiukkasia hyvin suuriin energioihin [2]. LHC on rengas eikä esimerkiksi suora, koska hiukkasten kiihdyttäminen on työlästä joten on parempi kiihdyttää ne vain kerran ja pitää niitä pyörimässä renkaassa niin kauan kuin niille on käyttöä. Renkaan suuri koko johtuu siitä, että hyvin energeettiset hiukkaset olisi mahdotonta laittaa kiertämään hyvin pientä ympyrää — vastaavasti kuten nopeaa autoa ei saa käännettyä tiukassa kaarteessa (paitsi katolleen).

Kuvassa näkyy yksi viidestä renkaasta, jonka takana näkyy päätykalorimetrin osa (hopeinen rengas kuvan keskellä). Alalaidassa kaksi miestä valmistelee keltaisella alustalla myoni-ilmaisinta (hopeinen levy) asennusta varten. Suurin osa renkaan myoni-ilmaisimista on jo asennettu ja vain muutama tyhjä kolo odottaa täyttämistä.

Hiukkaset halutaan kiihdyttää suurin energioihin koska niiden avulla tutkitaan hyvin massiivisia alkeishiukkasia. Nämä hiukkaset ovat myös hyvin lyhytikäisiä, joten kaikki massiiviset alkeishiukkaset joita maailmankaikkeuden alussa muodostui ovat jo kauan aikaa sitten hajonneet ja kadonneet pois. Siispä niitä on tutkimuksia varten tuotettava itse. Energialla ja massalla on vastaavuus kaavan E = mc² mukaisesti. Törmäyttämällä suurenergisia hiukkasia toisiinsa saadaan hyvin pieneen tilaan paljon energiaa, ja tästä energiapuurosta muodostuu uusia hiukkasia. Mitä massiivisempia hiukkasia halutaan tutkia, sitä enemmän energiaa on puristettava kasaan. Siispä myös törmäytettävillä hiukkasilla on oltava sitä suurempi energia mitä massiviisempia alkeishiukkasia halutaan tutkia.

Kun puhe on “suurista energioista” kyse on tietysti suurista vain yksittäisen hiukkasten näkökulmasta katsoen. LHC:ssa kiihdytetyn hiukkasen (protonin) liike-energia on 7 TeV (teraelektronivolttia). Jo hitaasti (1 m/s) lentävän ampiaisen liike-energia on 6250 TeV eli 900 kertaa tätä suurempi. Satasta kulkevan auton liike-energia on 1000000000000 kertaa suurempi kun yksittäisen LHC:lla kiihdytetyn protonin liike-energia. Vastaavasti “hyvin massiivinen” alkeishiukkanen on edelleen hyvin kevyt arkimaailmassa: Z-bosoni on 97 kertaa painavampi kuin protoni eli se painaa 0,00000000000000000000000016 kilogrammaa.

CMS

Magneetin solenoidi asettuu laitteen keskelle. Sen sisälle sijoitetaan puolestaan hiukkasilmaisimet (lukuunottamatta myoni-ilmaisimia). Solenoidin ulkopinta on tyhjiökammion seinämää, jonka sisällä pidetään magneetin niobium-titaanikäämit suprajohtavassa lämpötilassa.

Itse työskentelen TOTEM-projektissa, joka toimii osana CMS-koetta, joka on taas yksi LHC:n törmäyspisteiden koejärjestelyistä. Käydessäni turistina kolme vuotta sitten CERNissä yksi kierroksen osa oli käynti CMS:n rakennuspaikalla (CMS rakennetaan maan pinnalla ja lasketaan vasta melkein valmiina paloina maan alle). Tuolloin sen ensimmäisiä rautaisia tukirakenteina oltiin kokoamassa. Kävin äskettäin uudestaan CMS:llä kierroksella. Kolmen vuoden aikana onkin edistytty paljon: kaikki päärakenteet ovat valmiina, solenoidi on valmistunut ja tuotu paikalle sekä myoni-ilmaisimista on suuri osa asennettu paikoilleen.

Myös CMS on iso. Sen kokoa on hankala saada ymmärrettävästi esitettyä valokuvassa. Sillä on painoa 12500 tonnia, pituutta 21,5 metriä ja korkeutta 15 metriä. CMS:n nimi on muuten lyhenne ja tarkoittaa “kompaktia myonisolenoidia” (compact myon solenoid). Ei liene mikään ihme, että siitä puhutaan pelkkänä seeämmässänä (tai englanniksi siiemmess).

Pyöreä putki on tukirakennetta, jonka sisälle sijoitetaan magneetin solenoidi. Edessä (lattialla) on keltainen asennusaikainen rakenne, keltakypäräiset osat kuvan alalaidassa ovat (muita) kesäopiskelijoita.

CMS:n ei voi sanoa olevan yksi laite, sillä se koostuu useista erilaisista eri hiukkasia havaitsevista laitteista. Rakenteellisesti se on kerrostunut kuin sipuli, jonka sydämessä on itse törmäyspiste. Törmäyspisteestä ulospäin on kerros kerrokselta erilaisia hiukkasilmaisimia joiden tarkoitus on kerätä mahdollisimman paljon tietoa kunkin törmäyksen muodostamista hiukkasista niiden sinkoutuessa törmäyspisteestä ulospäin. Aiemmin sanoin tutkittavien hiukkasten olevan lyhytikäisiä. Juuri se osa hiukkasista joista eniten ollaan kiinnostuneita on niin lyhytikäisiä, ettei yksikään niistä ehdi yhteenkään ilmaisimeen ennenkuin hajoavat useiksi, jopa sadoiksi kevyemmiksi hiukkasiksi.

Hadronikalorimetrin osa. Sillä havaitaan sisemmän elektronikalorimetrin läpäisseitä raskaampia hadroneita ja mesoneita, kuten protoneja ja myoneja.

Kaikki ne alkeishiukkaset joita halutaan tutkia ovat siis hajonneet ja kadonneet ennen kuin niitä ehditään havaita —- kaiken sen vaivan jälkeen mikä niiden luomisen eteen on nähty! Kaikki ei ole kuitenkaan hukassa, sillä noista vain hetken elävistä hiukkasista jää jälki. Tuo tutkittavan hiukkasen heikko jälki on nähtävissä kun kaikki havaittavat hiukkaset lasketaan, tunnistetaan, liikemäärät ja energiat ynnätään ja kulmat mitataan ja ja ja … lopulta kuin kelaamalla filmiä ajassa taaksepäin voidaan tietokoneilla rakentaa toisinto törmäyksestä: mitä tapahtui, mitä hiukkasia muodostui, missä ne hajosivat.

Jotta kaikki saadaan tarkasti ja varmasti mitattua tarvitaan tarkka laitteisto havaitsemaan erilaisten hajoamishiukkasten jäljet. Protonien ja neutronien pysäyttämiseksi ja niiden energian mittaamiseksi CMS:ssä on yhteensä puoli metriä paksu kerros messinkiä! Myonit eivät pysähdy edes renkaiden metrien rautakerroksiin, hidastuvat vain vähän ja karkaavat hajoamaan lopullisesti koepistettä ympäröivään peruskallioon.

ATLAS

Kaaviokuva ATLAS-laitteistosta. Kuvassa näkyy hyvin laitteen kerrostunut rakenne. Etualalla oleva oranssi rengas on magneetti ja näkyy hyvin myöhemmissä kuvissa. (Kuva: ATLAS)

ATLAS:n kaikki komponentit lasketaan alas melkein satametristä pystysuoraa kuilua pitkin. Kuvassa näkyvät kolme valkoista täplää ovat alhaalla olevien kypäriä. Laitteen kokoaminen koeluolassa on kuulemma vähän hankalaa. Louhimisbudjettia kun nipistettiin ja luola jäi alkuperäisiä suunnitelmia pienemmäksi.

CMS ei ole ainoa LHC:n suurista kokeista. ATLAS on itseasiassa vielä suurempi (46m x 25m) — joskaan ei yhtä painava.

Sekä CMS että ATLAS mittaavat samanlaisia törmäyksiä. Niiden rakenne on myös samanlainen. Toisaalta niiden rakenne on myös täysin erilainen. Yhtäläiset piirteet — magneetit, kerrostunut rakenne — johtuvat siitä, miten tänä päivänä osataan parhaiten hiukkasilmaisin rakentaa. Kumpikaan ryhmä ei tahallaan rakenna huonoa ilmaisinta vain välttääkseen ratkaisemasta teknisiä ongelmia samalla tavalla kuin toinen! Erot taas johtuvat vastaavasti erilaisista teknisistä ratkaisuista ja pyrkimyksistä. CMS:n rakenne on nimensä mukaisesti kompakti. Siinä ei ole juuri ilmaa, vaan paljon rautaa ja ilmaisimet onkin sijoitettu laitteen kantaviin rakenteisiin sisälle. ATLAS on paljon ilmavampi rakenteeltaan. ATLAS ei myöskään “seiso itse” vaan tarvitsee ylimääräisiä tukirakenteita.

Molemmista ratkaisuista on etunsa ja haittansa — ATLAS on ainakin helpompi huoltaa, koska “ilmatiloihin” mahtuu myös ihmisiä. CMS pitää purkaa melkein osiinsa jotta yksittäiseen ilmaisimeen on mahdollista päästä käsiksi.

Vierailuryhmämme kokoontuu katselemaan ATLAS:ta sen toisesta päästä katsoen. Kuvassa alhaalla näkyvä aukko on jo kiihdytintunnelia. Vastaisella seinällä on samanlainen ja seinien keskipisteessä on törmäyspiste.

Kuvassa näkyy hyvin yksi magneeteista (oransseilla raidoilla koristeltu putki). Alueelle jolla kaksi työmiestä seisoo tulee lopulta hadronikalorimetrit ja muu sisempi havaintolaitteisto.

Vierailuja koepisteillä ei suositella klaustrofobisille.

Molemmilla kokeilla mitataan samoja ilmiöitä. Yksi syy rakentaa kaksi erillistä koetta on tietysti varmistaa, että edes jompikumpi tuottaa haluttuja tuloksia —- ennenkaikkea halutulla tarkkuudella. Riski siitä, että CMS tai ATLAS ei “toimisi” on pieni, mutta riski siitä, ettei jommallakummalla saavuteta odotettua mittaustarkkuutta on jo todellinen.

Toinen syy rakentaa kaksi laitetta on ns. statistiikka. LHC:lla on rajallinen elinikä ja on ilmiselvää, että 20 vuoden päästä se on jo purettu. Hiukkasfysiikka rakentuu hyvin paljon tilastojen varaan, sillä monia törmäyksissä muodostuneita hiukkasia ei koskaan suoranaisesti havaita vaan ainoastaan niiden hajoamishiukkasten jälkien perusteella. Yksittäinen jälki voidaan kuvata usein erilaisin hajoamisprosessein. Eri hajoamiset voidaankin erottaa vasta keräämällä paljon yksittäisten törmäysten tietoja ja rakentamalla niistä tilastollisia päätelmiä. Harvinaisten hiukkasten havaitseminen vaatii siis paljon dataa. Tähän tarkoitukseen kaksi mittalaitetta on selvästi parempi kuin yksi.

Toivottavasti pidit tästä lyhyestä kuvauksesta CERNistä sekä CMS ja ATLAS -kokeista! Jos olet kiinnostunut fysiikasta ja osaat englantia niin kannattaa käydä sekä CMS:n että ATLAS:n kotisivuilla katsomassa kuvia ja animaatioita laitteiden rakentamisesta ja toiminnasta!

Maanantaina, 18 heinäkuuta 2005