Avointen ovien päivä — suprajohtavuuden juhlaa

Kuluneena viikonloppuna CERNissä järjestettiin avointen ovien päivä, jonne itsekin ehdin osallistua vain henkilökunnalle varattuna lauantaipäivänä. Vastaava avointen ovien päivä CERNissä järjestettiin viimeksi vuonna 2004 CERNin 50-vuotisjuhlan kunniaksi, jolloin yli 30.000 kävijämäärä yllätti järjestäjät. Tällä kertaa odotettiin jopa edelliskertaa enemmän kävijöitä, sillä kiihdyttimen käynnistyttyä kesällä koeasemilla ja LHC-tunnelissa vierailu ei enää ole yleisölle mahdollista.

Suurimpina vetonauloina avointen ovien päivän aikana olivat luonnollisesti massiiviset koeasemat CMS, Atlas ja Alice sekä itse tunnelissa vierailu. Koska koeasemat ja LHC-tunneli sijaitsevat sata metriä maan alla, rajoittavana tekijänä yleisövierailulle on alas vievien hissien kapasiteetti. CERNin ilmoituksen mukaan koeasemien ja tunnelin päiväkapasiteetti on 15.000 ihmistä, joten aivan kaikille mahdollisuutta mahdollisuutta maan alla vierailuun ei pystytty tarjoamaan.

Itsekään en päässyt toivomalleni CMS-koeaseman vierailulle lippujen mentyä jo heti aamutuimasta. Atlas-koeasemankin jonon ollessa 2–3 tunnin mittainen päädyin tunnelivierailulle, jonne pääsi noin puolen tunnin jonotuksella. Mukava ja opettavainen kokemus kuitenkin tämäkin. Koeasemien lähellä tunnelissa on melkoinen määrä hiukkasten hallintaan suunniteltua suihkuoptiikkaa, jossa riittäisi hyvin ainesta kokonaiseen juttuun.

Maan pinnallakin ohjelmaa oli järjestetty kiitettävästi. Yleisöesitysten yhtenä kantavana teemana oli suprajohtavuus, johon LHC:n toiminta pitkälti perustuu. Itsessänikin heräsi pieni lapsi, kun MaNEPin pisteessä pääsi leikkimään nestetypellä ja suprajohtavilla magneeteilla sekä ajamaan suprajohtavalla potkulaudalla. Hauskempaa kuin Linnanmäellä!

Asiaa tuntemattomille on ehkä paikallaan pieni kertaus suprajohtavuudesta. Suprajohtavuus on matalissa lämpötiloissa (tyypillisesti alle typen nesteytymislämpötilan -196 C) tapahtuva ilmiö, jossa joidenkin aineiden sähkönvastus ja sisäinen magneettikenttä katoavat täydellisesti. Magneettikentän poistuminen suprajohteesta tunnetaan myös Meissnerin ilmiönä, johon esimerkiksi maglev- eli leijujunien ja edellämainitun potkulaudan toiminta perustuu. Sähkönvastuksen katoamisen kautta taas saadaan aikaiseksi hyvin voimakkaita sähkömagneetteja, joita hiukkaskiihdyttimien lisäksi käytetään muunmuassa lääketieteellisessä magneettikuvauksessa (MRI).

Hiukkassädettä LHC:llä taivuttavat suprajohtavat dipolimagneetit (kuvassa) luovat yli 200.000 kertaa maan magneettikenttää voimakkaamman kentän, jolla lähes valonnopeudella kiitävät protonit saadaan taivutettua 27 kilometrin mittaiselle ympyräradalla. LHC:n rakentamiseen tarvittiin kaikenkaikkiaan 1232 kappaletta 15 metriä pitkiä dipolimagneetteja. Suomalaisena voi ylpeänä todeta, että yhden kahdeksasosan dipolimagneettien suprajohtavasta kaapelista on toimittanut Outokumpu Copper Products (nykyään Luvata). Outokummun Porin tehtailta tuli myös CMS-koeaseman keskeisen magneetin kaikki suprajohde, minkä ansiosta se palkittiin CMS:n arvokkaimmalla Crystal Award -palkinnolla.

Kuva: Dipolimagneetti LHC-tunnelissa. [(c) CERN]

Suprajohteilla on kriittisen lämpötilan lisäksi myös kriittinen magneettikenttä, jonka yläpuolella suprajohtavuus katoaa. Tämä kriittinen magneettikenttä onkin tärkein rajoite LHC:n magneettien voimakkuudelle. Kriittinen magneettikenttä on sitä suurempi, mitä kylmempää suprajohtava materiaali on, joten LHC:n dipolimagneetit jäähdytetään reilusti kriittisen lämpötilan alapuolelle 1.9 kelvinin (eli -271 C) lämpötilaan. Näissä lämpötiloissa jäähdyttimenä käytettävä nestemäinen helium muuttaa olomuotoaan supranesteeksi, jonka virtausvastus (eli viskositeetti) on täysin nolla. Supranesteillä, kuten suprajohteillakin, on monia yllättäviä ominaisuuksia, joista ehkä toiste lisää.

Suprajohtavien magneettien kriittistä kenttää voidaan lisätä myös “kouluttamalla”: magneettikenttä nostetaan niin suureksi, että suprajohtavuus katoaa ja magneettikenttään varastoitunut energia purkautuu hetkessä sähkönvastuksen kautta, lämmittäen samalla suprajohdetta voimakkaasti ensimmäisenä suprajohtavuuden menettäneiden kohtien alueella. Tapahtuma tunnetaan englanniksi nimellä “quench”, joka voidaan suomentaa vaikka “sammuttaa” tai “karkaista (terästä)”. Tämän jälkeen magneettien annetaan palautua muutamia tunteja, kunnes prosessi taas toistetaan.

Kun magneetteja on koulutettu muutamia kertoja, kriittistä magneettikenttää saadaan nostettua yli 8,3 Teslan (tavoite on 9 Teslaa), jota tarvitaan suunnitellun seitsemän teraelektronivoltin suihkuenergian saavuttamiseen. Kaikki LHC:n magneetit on käsitelty ennalta kuvatulla tavalla. Yllättäen, ja hieman huolestuttavastikin, muutamat dipolimagneeteista eivät koulutuksesta huolimatta kestäneetkään tavoiteltua magneettikenttää viimeisimmissä testeissä. Näinollen LHC käynnistetään aluksi matalammalla 5+5 teraelektronivoltin protoni-protoni törmäysenergialla.

Lauantaipäivän päätteeksi kuultiin vielä LHC-projektin johtajan Lyn Evansin puhe projektin historiasta sekä CERNin pääjohtajan Robert Aymarin päätesanat (ranskaksi, joten suurin osa meni valitettavasti itseltäni ohi). Evansin puheessa tuli hyvin ilmi, kuinka monta “kriisiä” projektin aikana oli tullut vastaan. Tämä ei ole aivan odottamatonta massiivisessa projektissa, jossa työskennellään koko ajan nykyteknologian äärirajoilla ja toisinaan rajoja venyttäen. Kaikista kriiseistä oli kuitenkin selvitty CERNiläisten sinnikkäällä puurtamisella, vaikka aikataulu olikin välillä venynyt joitain kuukausia. Tietysti mukaan mahtui myös lukematon määrä loistavia onnistumisia, joissa kaikki on mennyt täysin suunnitelmien mukaan tai paremminkin. Jännityksellä siis ensimmäisiä törmäyksiä odottamaan.