Posts

Posted on

Protonisuihku kiertää LHC:ta 10. syyskuuta

(tekstiä muokattu 27.8.2008)

LHC:n käynnistyspäivämääräksi on päätetty 10.9.2008. CERN julkisti tämän päätöksen torstaina 7.8. Tuolloin protonit saadaan ensimmäisen kerran kiertämään täyttä ympyrärataa LHC-kiihdyttimen ympäri. Seuraa LHC:n lähtölaskentaa täältä!

LHC-kiihdyttimen komentokeskus

LHC:n kaltaisen laitteen käynnistäminen ei tapahdu yhdellä rysäyksellä. Syyskuun 10. päivä harjoitellaan protonien kierrättämistä aluksi myötäpäivään. Vastapäivään kierrättäminen on vuorossa seuraavaksi. Mikäli kaikki sujuu ongelmitta, protonit kiertävät LHC:ta tuolloin 450 GeV:n energioilla. Tapahtumaa voi seurata televisiosta sekä myös CERNin webcast-linkistä.

Posted on

Kiihdyttimen viilennystä kesäkuumilla

LHC-kiihdyttimen käynnistymisen aikataulusta ei ole vielä varmaa tietoa, mutta ainakaan joissain lähteissä mainittuun heinäkuuhun ei ehditty. Projektilla ei ole ollut mitään suurempia ongelmia, mutta kiihdyttimen kahdeksan sektorin jäähdyttäminen 1,9 kelvinin käyttölämpötilaan vie useita viikkoja. Kyseessä on sentään maailman suurin ja kylmin pakastin!

LHC-kiihdyttimen jäähdytystilanne 30.7.2008
Kuva: LHC:n jäähdytystilanne 30.7.2008. Kaikki sektorit lähestyvät hyvää tahtia 1,9 kelvinin käyttölämpötilaa ja ainoastaan sektorissa 7–8 on muutamia magneetteja yli 4,5 kelvinin lämpötilan. Klikkaamalla kuvaa näet tämänhetkisen tilanteen.

Tällä hetkellä jäähdytysoperaatio alkaa olla loppusuoralla. Seuraavaksi vuorossa on noin 1400 vaihtelevan tasoista käyttöönottotestiä. Näihin kuuluu sähköliitäntöjen toimivuuden varmistus, sillä osat kutistuvat kylmetessään; turvajärjestelmien testaaminen yksitellen; virran kytkentä magneetteihin, ensin yksitellen ja sitten ryhmissä.

Käyttöönottotestien jälkeen kiihdyttimellä tehdään muutamia kuivaharjoituksia, joissa kiihdyttimen käyttöä harjoitellaan normaaliin tapaan, mutta ilman hiukkassuihkua. Samoihin aikoihin koeasemat suljetaan ja viimeiset turvajärjestelmät testataan, jotta kukaan ei voi vahingossa eksyä tunneleihin kiihdyttimen ollessa käynnissä.

Kaiken muun ollessa valmista aloitetaan hiukkassuihkun kierrättäminen ympäri 27 kilometrin mittaista rengasta ja laitteiston hienosäätäminen. Tämä onkin vaativa ja työläs osuus käyttöönottoa, sillä 99,9999% valonnopeudesta kiitävä hiukkassuihku täytyy saada pysymään radallaan 0,3 millimetrin tarkkuudella ja menemään koeasemien kohdalla läpi 0,03 millimetrin säteisestä neulansilmästä. Tähän tarkkuuteen verrattuna suihkujetin lentäminen täydellä vauhdilla läpi Englannin kanaalin tunnelista olisi lastenleikkiä!

Tämän vuoden ensimmäiset ajot tehdään 5+5 teraelektronivoltin energialla, joka on hieman matalampi kuin suunniteltu 7+7 TeV energia. Syynä tähän on muutamien magneettien vaatima uudelleenharjoitus, joka vie useita viikkoja ja suoritetaan siksi vasta jouluseisokin aikaan.

Suunnitelmat ovat vielä toistaiseksi liikkeessä, mutta ainakaan merkittäviä ongelmia ei vielä ole tullut vastaan. Loppukesän aikana pitäisi alkaa tapahtua, joten seuraa blogia!

Posted on

Tutkijan ajokortti

Viiden vuoden uurastukseni väitöskirjatyön parissa on nyt päätöksessä ja sen palkintona tutkijan “ajokortti” eli tohtorin tutkinto. Oikeastaan tutkinto myönnetään virallisesti vasta muutamia viikkoja myöhemmin, mutta tutkinnon tärkein tulikoe, väitöstilaisuus, on jo kunnialla suoritettu. Jopa kahteen otteeseen! Continue reading “Tutkijan ajokortti”

Posted on

Aivovientiä kiihdyttimeltä toiselle

LHC-kiihdytin ja sen kokeet houkuttelevat fyysikoita maailman joka kolkasta, ja erityisesti Chicagon lähistöllä olevasta Fermilab-laboratoriosta, jonka D0– ja CDF-kokeet lopettelevat vähitellen toimintansa LHC:n käynnistymisen myötä. Yksi esimerkki muuttoliikkestä on Sveitsiin muuttanut blogimestarimme Mikko, jonka työ D0-kokeessa huipentui TKK:n väitöstilaisuuteen.

Mikko on tehnyt viimeiset neljä vuotta Chicagon D0-kokeessa väitöskirjaa hiukkasryöppyjen energiamittauksista. Väitöskirja hyväksyttiin TKK:lla 1.7.2008 olleessa väitöstilaisuudessa. Mikon mukana siirtyy tärkeää käytännön osaamista CERNin CMS-kokeeseen.

Väitöstilaisuus alkoi asiaankuuluvalla tavalla: frakkiin pukeutuneet väittelijä, kustos ja vastaväittäjä saapuivat saliin, ja yleisö nousi seisomaan. Kustoksen, TKK:n professorin Rainer Salomaan alkusanojen jälkeen Mikko piti aluksi 20 minuutin yleisesitelmän eli lectio precursorian, jonka jälkeen vastaväittäjä, Sveitsin ETH Zurich -korkeakoulun professori Günther Dissertori piti oman 10 minuutin yleisesitelmänsä, jonka jälkeen päästiin itse asiaan: yksityiskohtaiseen väitöskirjan tarkastamiseen ja siinä esiintyvien asioiden tenttaamiseen.

Yhteensopivuutta kymmenessä kertaluvussa

Kahden tunnin innostuneen väittelyn jälkeen vastaväittäjä piti loppupuheenvuoronsa, joka loppui yleisön odottamiin sanoihin: “suosittelen väitöskirjan hyväksymistä”. Kustos vielä tarkisti, ettei yleisöllä ollut väitöksestä mitään huomautettavaa, minkä jälkeen hän julisti tilaisuuden päättyneeksi, ja päästiin nauttimaan kakkukahveista helpottuneissa tunnelmissa.

Nyt jäämme jännittyneinä odottamaan, onko Mikon tuoma kalibrointitaito se ratkaiseva maali joka siirtää CMS-kokeen 1-0 johtoon Higgsin hiukkasen metsästyksessä.

Kuva jalkapalloilusta
Pian nähdään, onko kalibrointi kohdallaan… ( (c) Wikipedia)

Posted on

Hiukkasenkestäviä hiukkasilmaisimia

CMS silicon detectors installed to their support mechanics
Kuva 1. CMS-kokeen piinauhailmaisimia kiinnitettynä hiilikuidusta valmistettuun tukirakenteeseensa.

Hiukkassäteilyn aiheuttamat kidevirheet vaikuttavat jälki-ilmaisimien toimintaan samoin kuin jos digikameran kuva alkaisi pikkuhiljaa muuttua rakeiseksi ja lopulta häviäisi kokonaan kohinaan samaan tapaan kuin telkkarin kuva silloin kun kanavaa ei ole kunnolla viritetty.

Säteilyn aiheuttamat vauriot vaikuttavat pii-ilmaisimen ominaisuuksiin kolmella tavalla. Ensinnäkin ilmaisimen vuotovirta kasvaa sitä enemmän, mitä enemmän sitä säteilytetään. Tämä vaikuttaa suoraan “kuvan rakeisuuteen”. Lisäksi kulutettu teho on yhtä kuin jännite kertaa virta, ja LHC koeasemineen tarvitsee yhtä paljon sähköä kuin Geneven kaupunki yhteensä. Vuotovirran tuottama teho muuttuu lämmöksi, joka on pakko jollain tavalla johtaa pois sata metriä maan alla sijaitsevasta koeasemasta. Muussa tapauksessa CMS ja ATLAS alkaisivat hyvin nopeasti muistuttaa saunan kiuasta. Jokainen jääkaappinsa kanssa kesäkuumalla tuskaillut tietää, miten hankalaa jäähdytys voikaan olla. Continue reading “Hiukkasenkestäviä hiukkasilmaisimia”

Posted on

LHC:ssä säteilee – muutakin kuin Higgsin hiukkanen

Kun LHC-kiihdytin lähtee käyntiin, saadaan kerättyä ennennäkemätön määrä tietoa aineen perusrakenteesta. Samalla olemme erikoisen ongelman edessä: ilmiöt, joista keräämme dataa, vahingoittavat mittalaitteita.

LHC-kiihdyttimen koeasemat, CMS, ATLAS, ALICE ja LHCb muistuttavat perusrakenteeltaan toisiaan. Kaikissa näissä koeasemissa on pii-ilmaisimista koottu jälki-ilmaisin (englanniksi tracker) lähimpänä hiukkassuihkujen törmäyskohtaa.

Teoreettiset laskut ennustavat, että LHC pystyy tuottamaan Higgsin hiukkasen ainoastaan yhden kerran sadasta miljardista protonisuihkujen törmäyksestä ja tämän vuoksi LHC:ssä törmäytetäänkin hiukkasia 40 MHz taajuudella. Tällöin voidaan muutamassa vuodessa kerätä riittävästi tietoa, jota analysoimalla voidaan osoittaa Higgsin hiukkasen olemassaolo tai mahdollisesti se, ettei sitä olekaan.

Kaikista törmäystapahtumista vain murto-osa pystytään tallentamaan. Suurin osa poisheitetyistä törmäystapahtumista on kuitenkin ilmiöitä, jotka jo hallitsemme ja valintamekanismi pitää huolen, että mahdollisimman paljon kiinnostavista törmäystapahtumista tallennetaan. Mutta! Jokainen törmäys – tallennettu tai ei – tuottaa hiukkassäteilyä, joka vaurioittaa koeasemien mittalaitteita. Kovimmalle säteilyrasitukselle joutuvat hiukkasten ratoja mittaavat jälki-ilmaisimet, koska ne ovat lähimpänä protonisuihkujen törmäyskohtaa. Niinpä CMS-kokeeseen osallistuvan suomalaisryhmän eräs tärkeä tutkimusaihe on pii-ilmaisimien säteilynkeston parantaminen ja siihen tähtäävä perustutkimus. Continue reading “LHC:ssä säteilee – muutakin kuin Higgsin hiukkanen”

Posted on

Paljon tietoa tyhjästä

LHC-kiihdytin tuottaa paitsi valtavan määrän protonien törmäyksiä, myös käsittämättömän suuren määrän mittaustietoa: saman verran kuin miljardi samanaikaisesti webissä surffailevaa ihmistä kuluttaisi. Tietomäärän oikea-aikainen siirtely ja käsittely vaatii sekin huipputekniikkaa. Tapio oli kahden viikon ajan CERNissä osallistumassa LHC-kokeiden yhteiseen tietojenkäsittelyharjoitukseen.

Kun LHC-kiihdytin käynnistyy, se tuottaa vastakkaisiin suuntiin kiihdytettyjen protonikimppujen törmäyksiä neljässä eri törmäyspisteessä parhaimmillaan 40 miljoonaa kertaa sekunnissa. Yksittäisten protonien törmäyksiä kertyy kaikkiaan 600 miljoonaa kappaletta sekunnissa. Jokaisesta törmäystapahtumasta kertyy talletettavaa tietoa yhden hyvälaatuisen digivalokuvan verran (noin 1 MB), joten LHC-kokeiden tietojenkäsittelyn haasteet ovat samaa suuruusluokkaa kuin miljardin valokuvan käsittely sekunnissa.

Gold-ion collision at STAR experiment
Kulta-atomien törmäyksen tuloksena syntyneiden hiukkasten ratoja yhdysvaltalaisen RHIC-laboratorion STAR-kokeessa. ( (c) STAR collaboration )

Kaikki valokuvat eivät kuitenkaan ole säästämisen arvoisia, eikä myöskään kaikkien törmäysten mittaustuloksia säästetä jatkokäsittelyä varten. Vain noin yksi kymmenesmiljoonasosa mitatusta tiedosta, noin 100 Megatavua sekunnissa, säilytetään jatkokäsittelyä varten. Continue reading “Paljon tietoa tyhjästä”

Posted on

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.

Atlas
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. Continue reading “Hiukkaskatedraalit”

Posted on

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. Continue reading “Vorot vierailla”