Hiukkaskatedraalit

Wapun ympäryspäivinä sain viimeinkin tilaisuuden vierailla sekä Atlas- että CMS-koeasemilla. Ensimmäisestä kierroksesta kiitos Maarit Whitelle, joka on rakennusinsinöörinä vastannut muun muassa Atlaksen rakennusvaiheessa tarvittavista telineistä. Muutoinhan Suomi ei virallisesti ole mukana Atlas-kokeessa.

Atlas-kokeessa pääsin vierailemaan juuri viime hetkellä, sillä koeasema suljettiin vierailijoilta vierailuani seuranneena arkipäivänä. Tunnelin sisäänkäynnillä olivat jo valmiina odottamassa iirisskannerit ja jykevät teräsovet, joiden ohi ei kutsumaton tulija hevin pääse. Edellisenä päivänä Atlas-kokeeseen oli ehtinyt tutustua myös Saksan liittokansleri Angela Merkel, joka on muuten koulutukseltaan fyysikko. Aivan hiljattain vierailun olivat tehneet myös saksalaiset ja ranskalaiset kuvausryhmät, jotka kiersivät CERNissä ympäri viikkoa.

Kuva: Atlas-koeasema. Pohjalla seisova ihminen antaa vähän mittaskaalaa. [(c) Atlas collaboration]

Koeasemien valmistuminen on toki mainio asia, mutta vierailijana viimeisistä auki olevista rakosista ei enää kovin paljoa nähnyt. Oheisesta arkistokuvasta kuitenkin näkee, miten vaikuttava ilmestys Atlas on. Kooltaan suurin koskaan rakennettu hiukkasilmaisin ja varmaan myös suurin tieteellinen instrumentti. Ison osan Atlaksesta muodostavat myonien radan taivuttamiseen tarkoitetut kahdeksan valtavaa avointa toroidimagneettia. Ilmava rakenne tekee Atlaksesta suhteellisen kevyen ja keskimääräinen tiheys on matalampi kuin veden. Tilavuudeltaan kahdeksan kertaa pienempi CMS-koeasema sitä vastoin on nimensä (compact) mukaisesti hyvinkin tiivis ja painaa kaksi kertaa enemmän kuin Atlas.

Atlas-ihmiset muistavatkin aina silloin tällöin piikitellä, että Atlas kelluu vielä silloin, kun CMS jo uppoaa. Englantia puhuvien tutkijoiden korvaan lyhenne CMS nimittäin taipuu helposti “see-a-mess” eli “näe-sotku”. Tähän sutjakkaimmat CMS-tutkijat tietysti muistavat huomauttaa, että CMS-koeasemahan havaitsi Higgsin ensimmäisenä. Higgsin bosonille nimensä lainannut Peter Higgs näet teki ensimmäisen LHC-visiittinsä huhtikuussa nimenomaan CMS-koeasemalle.

Todellisuudessa CMS- ja Atlas-tutkijat tietenkin elävät sulassa sovussa vastakkaisilla puolilla samaa tornitaloa. Yhteisenä tavoitteena on löytää Higgsin bosoni ja/tai supersymmetria, mutta pientä kilpailua syntyy tietenkin siitä, kumpi ensimmäisenä julkaisee löydön. Toistaiseksi mukana Higgs-kisassa ovat myös tutkijatoverimme Atlantin takaa Fermilabista. Tässäkin suhteessa kilpailu on varsin tervettä ja monet tutkijat tekevät yhtä aikaa töitä sekä Fermilabin Tevatronin että CERN:in LHC:n kokeissa ja siirtävät näin Tevatronilla kertynyttä kokemusta eteenpäin.

CMS-koeaseman vierailua vetivät jälki-ilmaisinprojektimme tutkijatohtorikaksikko Jaakko Härkönen ja Panja-Riina Luukka. Itsekin pääsin mukaan puolivirallisella oppaan statuksella, sillä samalla vierailukerralla oli mukana lukuisa määrä suomalaisia lukiolaisia sekä Fysiikan tutkimuslaitoksen uusia kesäopiskelijoita. Suomessa onkin pidetty hyvin huolta CERN:istä ja hiukkasfysiikasta tiedottamisesta, ja lukiolaisvierailuja sekä kesäopiskelijoita käy paljon suhteessa maamme kokoon.

Kuva: CMS-koeasema 5. toukokuuta. Kuvan keskellä asennetaan jälki-ilmaisinta.

CMS-koeaseman sulkeminen tehdään hieman myöhemmin kuin Atlaksen, joten tarjolla oli vaikuttavat näkymät ilmaisimen sisuskaluihin. Oheisessa itse otetussa kuvassa näkyy uloimpana CMS-kokeen myoni-ilmaisinkammiot (punaiset ja valkoiset), sitten kokeen valtava suprajohtava magneetti (harmaa rengas) ja messinkinen hadronikalorimetri. Sisempänä ovat piilossa sähkömagneettinen kalorimetri sekä jälki-ilmaisin, jonka pikseliosaa keskitasanteella ollaan juuri monen tutkijan voimin valmistelemassa. Oikealla näkyy koeaseman läpi kulkeva suihkuputki.

Jälki-ilmaisin on sen verran herkkä instrumentti, että aivan kokematonta asentajaa sen pariin ei päästetä. Kuvanottohetkellä mallilaitteen parissa olivat työskentelemässä muun muassa Pixel-kollaboraation puheenjohtaja Roland Horisberger, suomalainen mekaniikkainsinööri Antti Onnela sekä ilmaisimen suunnittelijoita. Oikea ilmaisin asennetaan vasta huolellisen harjoittelun jälkeen.

Hiukkasten ratoja mittaava jälki-ilmaisin on monessa suhteessa vaikuttava instrumentti. Teknologialtaan ilmaisin muistuttaa jossain määrin digikameran valoherkkää kennoa, mutta ilmaisinten yhteenlaskettu pinta-ala on lähempänä lentopallokentää (yli 200 neliömetriä) kuin pikkurillin kynttä. “Pikseleitä” ilmaisimessa on 65 miljoonaa, joka ei sinänsä ole paljoa verrattuna tyypillisen järjestelmäkameran yli kymmeneen megapikseliin. Tässä tapauksessa “kuvia” tosin otetaankin 40 miljoonaa kertaa sekunnissa, kun tyypillinen digikamera jää paljon alle neljänkymmenen.

CMS- ja Atlas-kokeista riittäisi superlatiiveja useammankin jutun aineksiksi: maailman suurin solenoidimagneetti, tuotettu tietomäärä per sekunti suurempi kuin kaikilla maailman puhelinverkoilla yhteensä, painoa lähes sadan Boeing 747-lentokoneen verran ja osia enemmän kuin Saturn V-kuuraketissa, kaikki kasattuna mikrometrien tarkkuudella… Ymmärtänette, mikä näissä “leluissa” saa tutkijat ja insinöörit innostumaan. Kulttuurisena saavutuksena kyseiset koeasemat ovat hyvin verrattavissa katedraaleihin ja ovathan ne kooltaankiin jo vastaavia. Sieltä se tieto paistaa, ilmaisimen ytimestä!