Vorot vierailla

Lontoosta palaamista seuranneella viikolla ohjelmani täytti CMS-kokeen fysiikan päivät, joiden teemana oli valmistautuminen ensimmäisten viikkojen datan analysointiin. Raportti tästä tulee tosin vasta nyt viikon myöhässä työn ulkopuolisista kiireistä johtuen. Vaikka Sveitsi on Euroopankin mittakaavassa turvallinen maa, on näpistysten määrä ollut nousussa. Pääsin valitettavasti itsekin todistamaan tämän, kun vorojen matkaan tarttui laukkuni mukana läppäri, kännykkä, passi ja CERNin kulkukortti. Kukkaro onneksi jäi huomaamatta ja säästyin pankkikorttien uusimiselta. Itse anastus tapahtui autosta vieressä ollessani ilmeisesti suunnilleen tähän tyyliin. Asian selvittelystä koitui sen verran ylimääräistä työtä, ettei puhti enää uuteen kotiin muuton (tähän asti asuin CERNin hostellissa ja kollegoiden vieraana) ja käytetyn auton hankinnan jälkeen riittänyt kirjoitteluun.

CERNin kulkuluvan uusimiseksi riitti toimittaa Sveitsin poliisille tehty rikosilmoitus kulkulupatoimistoon. Passin uusimiseksi piti sitä vastoin tehdä varta vasten matka noin kahden tunnin ajomatkan päähän Berniin Suomen Sveitsin suurlähetystöön, jonka naapuriin YK:n pääsihteerikin oli juuri samaan aikaan tekemässä vierailua (tämä aiheutti pientä kiertotietä matkaan). Pääsihteerin vierailu ei sinänsä ole niin iso uutinen, sillä pitäähän YK toiseksi suurinta päämajaansa juuri täällä Genevessä (suurin on New Yorkissa).

Mikäli aikaa olisi ollut enemmän, olisi Bernissä voinut tehdä myös vierailun Albert Einsteinin patenttitoimistovuosien aikaiseen kotiin, joka on fyysikolle pienimuotoinen pyhiinvaelluspaikka. Siellä syntyivät Albertin uskomattoman tuotteliaan vuoden 1905 julkaisut erityisestä suhteellisuusteoriasta, aineen atomiteoriaan perustuva selitys Brownin liikkeelle sekä kvanttimekaaninen malli valosähköiselle ilmiölle, joka toi Einsteinille aikanaan Nobelin palkinnon. Samassa vuoden 1905 Annalen der Physikin numerossa Einstein julkaisi myös vaatimattomamman väitöskirjansa tulokset. Nämä vuoden 1905 saavutukset olivat niin merkittävät modernin fysiikan alueella, että niiden 100-vuotisjuhlana 2005 vietettiin kansainvälistä fysiikan vuotta.

Mutta palataanpa takaisin fysiikan päivien ohjelmaan. Kantavina teemoina oli, kuinka ensimmäisten päivien dataa saataisiin nopeasti puhdistettua, kalibroitua ja hyödynnettyä fysiikan tekemiseen. Itseäni eniten kiinnostavana osuutena oli datan käyttö hiukkasryöppyjen energian kalibrointiin, sillä työskentelin tämän parissa aiemmin Fermilabissa ja jatkan alkuun saman aiheen parissa myös CMS-kokeessa.
Hiukkastörmäyksien selvittelyyn pitää törmäyksessä syntyneiden hiukkasten energia mitata tarkasti. Mutta miten tiedetään, mitä energiaa laitteiden hiukkasen aiheuttama signaali vastaa?

Hiukkasryöppyjen energiaa voidaan kalibroida pääasiassa kahdella tavalla: joko hyödyntämällä tarkkaan viritettyä Monte Carlo-simulaatiota ilmaisimesta tai käyttämällä hyväksi tunnettujen hiukkasten massoja ja liikemäärän säilymistä. Nämä kaksi menetelmää eivät ole toisensa poissulkevia, vaan molempia käytetään eri vaiheissa kokeen elinkaarta ja ne täydentävät hyvin toisiaan. CMS-kokeessa ensimmäisten päivien kalibrointi perustuu simulaatioon, jossa hyödynnetään testisuihkuissa tehtyjä mittauksia ilmaisinelementtien ominaisuuksista. Tämä kalibrointi varmennetaan ja tarkennetaan aidolla törmäysdatalla niin pian kuin mahdollista. Datan määrän lisääntyessä simulaatiota voidaan hienosäätää vastaamaan mittauksia yhä tarkemmin ja näin simulaatio ja data toimivat toistensa vetoapuna.

Hiukkasryöppyjen energian kalibrointi dataa hyödyntäen on varsin monivaiheinen prosessi. Lähtökohtana on LHC-tunnelissa aiemmin sijainneen LEP-kokeen mittaama Z-bosonin massa n. 91 GeV, joka tunnetaan noin viiden desimaalin tarkkuudella. Z-bosoni hajoaa usein kahteen elektroniin, joiden massakeskipiste-energia on sama kuin Z-bosonin massa kerrottuna mittausvakiolla C, joka saadaan näin määritettyä. Toisinaan Z-bosonia vastapäätä syntyy hiukkasryöppy, jonka poikittainen liikemäärä tiedetään liikemäärän säilymisen takia samaksi kuin Z-bosonin hajoamisesta syntyneiden elektronien liikemäärä ja saadaan siten myös määritettyä.

Z-bosonin hajoamisten lisäksi voidaan hyödyntää runsaslukuisempia törmäyksiä, joissa syntyvät toisensa tasapainottava fotoni ja hiukkasryöppy. Fotonien mittausvakio C* tiedetään lähes samaksi kuin elektronien mittausvakio C. Pienet eroavaisuudet näiden kahden välillä voidaan laskea hyödyntäen yksityiskohtaista Monte Carlo -simulaatiota ilmaisimesta ja kyseisten hiukkasten vuorovaikutuksesta aineen kanssa. Korkeaenergisten hiukkasten ja aineen vuorovaikutusten simulointiin alunperin CERNissä kehitettyä Geant-ohjelmistoa käytetään nykyään myös muun muassa annoslaskentaan hoidettaessa syöpää sädehoidolla. CERNissä hiukkasfysiikan ohessa syntyneistä käytönnän sovelluksista löytyy siis muutakin kuin vain World Wide Web (eli tämä web, jota juuri nytkin käytät).

Viimeisenä askeleena hiukkasryöppyjen kalibroinnissa voidaan hödyntää todella runsaslukuista kahden toisensa tasapainottavan hiukkasryöpyn tuotantoa (kuvassa), joilla eri ilmaisimen alueet saadaan kalibroitua toistensa suhteen tarkasti eri energisillä ryöpyillä. Tarkkuutta vaativiin sovelluksiin voidaan joutua lisäksi myös huomioimaan, että hiukkasryöpyt voivat syntyä eri kanavien kautta. Mikäli ryöppy syntyy kimmahtavasta gluonista, se voi sisältää 1.5–2 kertaa enemmän hiukkasia kuin syntyessään kimmahtavasta u, d tai s-kvarkista. Tämä johtuu siitä, että gluoneilla on kaksinkertainen määrä vahvan vuorovaikutuksen värivarausta verrattuna keveisiin kvarkkeihin, mikä johtaa vastaavasti suurempaan hiukkastuotantoon.

Kuva: Kahden korkeaenergisen hiukkasryöpyn tuotanto D0-kokeessa Fermilabissa (vasemmalla myös kolmas matalaenergisempi). Liikemäärän säilymislakien vuoksi hiukkasryöpyt syntyvät usein vastakkain poikittaisessa tasossa hiukkassäteeseen nähden.

Yhteenvetona fysiikan päivistä todettiin, että huomattavaa edistystä on datan hyödyntämiseen valmistautumisessa on tapahtunut, mutta paljon riittää vielä tehtävääkin ennen lokakuuta. Yhtenä uutena kehityssuuntana oli Physics Analysis Toolkit (PAT, työkalupakki fysiikka-analyysiin), jonka avulla 2600 tutkijan kollaboraatio on tarkoitus saada puhaltamaan paremmin yhteen hiileen, kun aitoa dataa alkaa lopulta tulla. Seuraankin mielenkiinnolla, miten uunituoreen PATin dokumentaatio ja mallianalyysien kirjoitus lähiviikkoina etenee.