LHC:n ensimmäiset 7 TeV:n törmäykset

Tiistai 30.3.2010 jää historiaan päivänä, jolloin ihmiskunta aloitti aineen perusominaisuuksien tutkimisen aikaisemmin kartoittamattomalla energia-alueella. LHC-kiihdytin tuotti ensimmäiset 7 TeV:n protoni-protonitörmäytykset, ja myös käynnisti saman tien niiden rutiininomaisen tuottamisen. Blogissa raportoimme nyt tunnelmista LHC:n Point 5:lta, CERNin rakennuksesta 40 (“fyysikkorakennus”, jossa on selkeä CMS- ja Atlas-rajalinja), sekä Helsingin Kumpulasta.

 

CERNissä LHC:n 7 TeV:n ajon starttia seurattiin useassa eri kohteessa: koeasemilla, kiihdyttimen ohjaamossa, Atlas- ja CMS-fyysikkojen suosiman rakennuksen 40 aulassa sekä pitkin päivää vilkaisuina omilla työasemilla pyörivään LHC:n webcast-lähetykseen.

Heti aamusta lähtien tunnelma CMS:n kontrollihuoneessa Point 5:lla oli innostuneen odottava ja huone kuhisi kiireisestä valmistelusta sekä itse mediatapahtumaa että törmäyksiä varten. Kaikki kynnelle kykenevät asiantuntijat olivat paikalla ilmaisimen operaattorien lisäksi ja välillä tuntuikin, ettei sen paremmin tuoleja kuin tilaakaan meinannut riittää kaikille halukkaille. Onneksi sopu sijaa antaa.

Hienoista pettymystä oli ilmassa, kun ensimmäinen yritys nostaa hiukkassuihkun energiaa 3.5 TeV:iin aamulla epäonnistui. Toisaalta, koska kyse oli sähköisestä häiriöstä pikaisen selvityksen perusteella, tunnelma ei latistunut liikaa ja valmistelut seuraavaa yritystä varten tehtiin suurella innolla. Lopulta lounasaikaan molemmat hiukkassuihkut oli saatu nostettua 3.5 TeV:in energiaan ja lähestulkoon yllätyksenä CMS näki ensimmäiset törmäykset klo. 13. Yllätyksenä siksi, että vaikka ilmaisimen valmistelussa törmäyksiä varten oltiin otettu pieni varaslähtö ja kaikki ilmaisimen osat olivat tiedonkeruumoodissa jo kello 13 (Suomen aikaa klo 14), törmäykset alkoivat n. 20 minuuttia ennen kuin niiden kuviteltiin alkavan LHC:n alunperin antamien tietojen pohjalta! Tämä tietysti sai aikaan valtaisat aplodit kontrollihuoneessa ja videolinkin välityksellä ympäri maailmaa kaikkialla, missä CMS-fyysikot seurasivat päivän tapahtumia.

Panja operoimassa CMS detektoriaKuva 1: Panja Luukka CMS-ilmaisimen valvomossa onnistuneiden ensimmäisten hiukkastörmäysten jälkeen.

ShamppanjaaKuva 2: Shamppanjaa törmäysten kunniaksi P5:lla.

CERNin rakennuksessa 40 hiukkassuihkujen energian lähestyessä klo 13 maissa paikallista aikaa 3.5 TeV:n energiaa väkeä alkoi kertyä sankoin joukoin seuraamaan törmäysten alkua kahdelle puolelle aulaa sijoitetuilta ruuduilta. Atlas-puoli vei tällä kertaa pisteet sujuvammin pyörivästä videolähetyksestä ja kovemmalle säädetystä äänestä, kun taas CMS-puoli veti mojovat aplodit ensimmäisen törmäyskuvan lävähdettyä kokoruudun kokoisena esiin vain minuutteja sen jälkeen, kun hiukkassuihkut alkoivat törmätä.

Kuva 3: Fyysikkoja seuraamassa LHC:n 7 TeV ajon käynnistymistä CERNin rakennuksen B40 aulassa CMS-puolella.

Tapahtumaa seurattiin myös Helsingin CMS Centerissä Kumpulan Physicum-rakennuksessa, jossa pidettiin kaikille avoin mediatapahtuma. Eri puolille maailmaa oli rakennettu 35 CMS Centeriä, joihin toimitettiin CERNin korkean resoluution webcast-kuvaa, ja joissa seurattiin CERNin ja erityisesti CMS-ilmaisimen tapahtumia. Paikalla oli noin viitisenkymmentä henkilöä, joukossa myös Ylen, MTV3:n ja Nelosen kuvausryhmät. Tunnelma muuttui hetkessä jännittyneestä helpottuneeksi, kun valkokankaalle ilmestyneelle törmäyskuvalle päästiin vihdoin aplodeeraamaan.

Kuva 4: Helsingissä seurattiin tapahtumia viideltä näytöltä, vasemmalla meneillään CERNin pääjohtajan Rolf Heuerin haastattelu
Kuva 5: Aplodeerausta Helsingissä ensimmäisten törmäyskuvien ilmestyttyä seinälle

Mutta entäpä ensimmäisten törmäysten jälkeen? Lisää törmäyksiä, ja paljon! LHC ei tuottanut 30.10.2010 ainoastaan muutamaa hienoa törmäytystä, vaan aloitti saman tien niiden tuottamisen rutiininomaisella tavalla. Törmäytyksiä alkoi jo alusta alkaen syntyä noin 50 hertzin taajuudella (kullakin koeasemalla), ja seuraavien kolmen tunnin kuluessa saatiin nauhoitettua yli puoli miljoona törmäytystä. Uuden energia-alueen systemaattinen kartoittaminen lähti toden teolla käyntiin!

Linkki CERNin lehdistötiedotteeseen

Point 5:lta raportoi Panja Luukka, rakennus 40:stä Mikko Voutilainen ja Kumpulasta Tapio Lampén.

Omstart!

Maailman suurin kiihdytin valmistautuu CERNin historian pisimpään yhtenäiseen ajoon puolentoista vuoden hiljaiselon jälkeen. Ensimmäisenä löytönä ei ehkä olekaan Higgsin bosoni, vaan selitys pimeälle aineelle.
.
Kuva 1: Ensimmäisiä CMS-kokeella havaittuja 2.37 TeV törmäyksiä. (c) CMS
.
CERNin maailmanmaineeseen nostaneen ja viikkoa myöhemmin kuuluun haaveriin päättyneen startin jälkeen LHC ja tämäkin blogi ovat viettäneet ulospäin suhteellista hiljaiseloa. Kulissien takana on kuitenkin tehty valtavasti työtä 27-kilometrisen kiihdyttimen korjaamiseksi sekä ilmaisinten virittämiseksi parhaaseen toimintakuntoon. Ensimmäinen fysiikka-ajo häämöttää kuukauden sisään, ja pressitoimisto on jälleen valmistautunut CERNin paluuseen julkisuuden valokeilaan.
.
Syyskuun haaverin jälkipeli on ollut LHC:lle melkoinen voimankoitos. Paikaltaan liikahtaneita ja viottuneita tonnien painoisia ja viisitoista metriä pitkiä dipoli- ja kvadrupolimagneetteja joutui lopulta korjattavaksi yli viisikymmentä ja varakappaleet menivät käytännössä viimeistä myöten. Ultrapuhdasta tyhjiöputkea oli siivottava noesta ja eristeenpaloista neljä kilometriä. Parannettuja turvajärjestelmiä varten täytyi asentaa 900 uutta venttiiliä, 6500 ilmaisinta ja 250 kilometriä kaapelia.
.
Kuva 2: Yhteenveto LHC-kiihdyttimille syyskuun 2008 haaverin jälkeen tehdyistä korjauksista. (c) CERN
.
Mittaukset paljastivat liitoksissa toisenkin piilevän tyyppivian, jonka kartoittamiseksi tarvittiin muunmuassa 100,000 käsintehtyä mittausta. Kartoituksen perusteella ensimmäisen fysiikka-ajon energiaksi  on päätetty 3.5+3.5 TeV, puolet LHC:n tavoite-energiasta. Kaksivuotiseksi suunnitellun ensimmäisen ajon jälkee tarvitaan vielä reilu vuosi lisäkorjauksia, jotta päästään lähelle 7+7 TeV:n tavoitetta.
.
Tällä hetkellä LHC on jo hyvää vauhtia valmistautumassa pitkään fysiikka-ajoon. Ensimmäiset pilottitörmäykset 0.9 TeV:n ja 2.36 TeV:n energioilla tehtiin jo joulukuun alussa, ja jälkimmäinen törmäysenergia vei LHC:n lopultakin ennätysten kirjoihin maailman korkeaenergisimpänä törmäyttimenä. Edellinen ennätys, 1.96 TeV, oli Fermilabin yhä toimivalla Tevatron-kiihdyttimellä Yhdysvalloissa.
.
Kokeet ovat analysoineet viime kuukaudet saamaansa kalibrointidataa kiivaasti. Ensimmäiset julkaisut 0.9 TeV:n datasta tehtiin jo muutaman päivän päästä ensimmäisistä törmäyksistä  (ALICE, 1.12.) eikä uusiin 2.36 TeV:n tuloksiinkaan kulunut kauaa (CMS, 7.2.). Melkoinen saavutus, kun jälkimmäisen paperin on allekirjoittanut yli 2400 tutkijaa.
Kuva 3: ALICEN ja CMS:n ensimmäiset tulokset mittasivat törmäyksissä syntyvien varattujen hiukkasten lukumääriä ja energiaa 0.9 TeV:n ja 2.36 TeV:n törmäyksissä. Kuva esittää varattujen hiukkasten keskimääräistä lukumäärää per kulmayksikkö eri kulmilla hiukkassuihkuun nähden. Kohta eta=0 x-akselilla vastaa 90 asteen kulmaa suhteessa törmääviin suihkuihin. (c) CMS
.
Juuri alkaneella talvikonferenssikaudella on luvassa paljon tuloksia LHC-kokeilta, jotka esittelevät kykyään analysoida ensimmäistä dataa. Ainakin CMS-kokeella tilanne vaikuttaa erittäin lupaavalta, sillä koe on jo osoittanut kykynsä käyttää koko ilmaisinta tehokkaasti törmäysten heuristiseen analyysiin. Myös koeasemaa mallintava tietokonesimulaatio on osoittautunut lähes ennennäkemättömän tarkaksi, mikä on erittäin tärkeää datan ymmärtämisen kannalta.
.
Kuva 4: Useita hiukkasryöppyjä tuottanut 2.36 TeV:n törmäys CMS-fyysikoiden käyttämällä Fireworks-ohjelmistolla tarkasteltuna. Vihreät viivat esittävät varattujen hiukkasten ratoja, punaiset ja siniset palkit sähkömagneettisen ja hadronisen kalorimetrin mittaamaa energiaa. Keltaiset kartiot sekä niitä vastaavat palkit esittävät rekonstruoituja hiukkasryöppyjä.
.
Seuraavaksi katseet kääntyvät ICHEP-konferenssiin Pariisissa heinäkuun lopussa. Tähän mennessä koeasemien pitäisi olla viimeisen päälle viritetty ja ensimmäisten standardimallia korkealla energialla testaavien fysiikkatulosten olla tulossa.
.
Jos luonto ja tekniikka sallivat, vuoden loppua kohti voi olla jo ensimmäiset mahdollisuudet murskalöytöihin. Yhdysvaltalainen CDMS-kollaboraatio julkaisi juuri joulun kynnyksellä ensimmäisen mahdollisen vihjeen maapalloa ympäröivästä pimeästä aineesta. Eräs suosituimmista selityksistä pimeälle aineelle ovat massiiviset supersymmetriset hiukkaset, joita LHC:kin odotetaan tuottavan, mikäli niitä on olemassa. CDMS-kokeen tutkimalla energia-alueella ne voisivat hyvinkin olla LHC:n saavutettavissa.
.
.
P.S. Tuo otsikon omstart viittaa (teekkari)spekseissä yleisön usein esittämään toiveeseen saada nähdä äskeiset tapahtumat uudestaan muunneltuina.

Mustia autoja ja hiukkasrockia LHC:n vihkiäisissä

Tiistai 21.10. ei ollut CERNissä tavallinen tiistai — Ranskan ja
Sveitsin raja CERNin lähellä oli suljettu kuten myös CERNiä
ympäröivät tiet, poliisimoottoripyörien johtamat mustien autojen saattueet
singahtelivat ympäriinsä, ja kaikissa seudun liikenneympyröissä
(ja niitähän Ranskassa riittää!) oli poliisi ohjaamassa liikennettä. Oli LHC-kiihdyttimen virallinen avajaispäivä, ja paikalla oli 1500 korkea-arvoisaa vierasta, mm. Sveitsin liittopresidentti Pascal Couchepin sekä Ranskan pääministeri François Fillon. Suomen valtuuskuntaa johti ulkoasiain alivaltiosihteeri Esko Hamilo.

VIP-henkilöiden saattue CERNissä
Harvinainen näky CERNin alueella: moottoripyöräpoliisin johtama saattue [(©) TL]

Aamupäivällä delegaatiot kiertelivät tutustumassa LHC-kiihdyttimeen ja
koeasemiin, jotka oli tapahtumaa varten kytketty pois päältä. Suomen ja Ranskan delegaatiot kävivät tutustumassa mm. CMS-koeluolaan sekä sen kohdalla kulkevaan osaan LHC-tunnelia.

Ranskan pääministeri François Fillon LHC-tunnelissa
Ranskan pääministeri François Fillon tutustuu LHC-tunneliin ja CMS-koeasemaan Jim Virdeen johdolla [(©) CERN]

Iltapäivällä ohjelma jatkui virallisella vihkiäisseremonialla, joka lähetettiin webcast-lähetyksenä. Tilaisuudessa kerrattiin LHC-projektin historia, ja kuultiin monia rohkaisevia puheita. François Fillonin puheen tiivistelmänä voi pitää seuraavaa lausetta, jonka hän myös kirjoitti CERNin vieraskirjaan:

Le CERN et singulièrement le LHC constitue la plus grande expérience scientifique ce siècle et symbolise l’existence d’une civilisation humaine“.

Puheista omakohtaisimman piti CERNin tutkijanakin aiemmin toiminut Portugalin tiede- ja opetusministeri, professori Jose Mariano Gago. Seremonian loppupuolella kukin jäsenvaltioiden edustaja allekirjoitti muistolaatan, minkä jälkeen delegaatit nauttivat syntyperäisen parmalaisen kokin Ettore Bocchian laatiman molekyyligastronomisen juhlaillallisen, joka oli valmistettu mm. nestetypen avulla.

VIP-vieraiden lähdettyä alkoi LHC-magneettien kokoonpanohalliin rakennetussa Nobel-näyttelytilassa LHCFest, henkilökunnalle tarkoitettu 3.000 hengen juhla. Illan itseoikeutettu esiintyjä oli LHC eli Les Horribles Cernettes, maailman ensimmäinen musiikkia www:ssä julkaissut bändi, joka päätti huikaisevan esityksensä tuttuun Collider-kappaleeseen, jonka sanat ovat jo vuodesta 1994 kertoneet oman näkemyksensä siitä, millaisella innolla LHC-kiihdytintä on rakennettu.

LHC - Les Horribles Cernettes vihkimässä LHC-kiihdytintä
Les Horribles Cernettes vihkimässä LHC-kiihdytintä [(©) TL]

CERNin lukuisista muista bändeistä esiintyivät myös Canettes Blues Band ja CERN Jazz Club Reunion. Illan — ja LHC:n miltei 25 vuotta kestäneen suunnittelu- ja rakennusvaiheen — kruunasi vielä live-esitys YouTube-maailmanmaineeseen nousseesta rap-hitistä “Large Hadron Rap“, esittäjänä Alpine Kat itsensä LHC-projektin johtajan Lyn Evansin tukemana.

Alpine Kat räppää yhdessä LHC-projektin johtajan Lyn Evansin kanssa
Alpine Kat räppää yhdessä LHC-projektin johtajan Lyn Evansin kanssa [(©) CERN]

Ensimmäisiä LHC-jälkikuvia kaikilla koeasemilla

Lisäys pe 12.9: Upeita kuvia Atlas- ja CMS-koeasemien kuvasivuilla!

Keskiviikko 10.9. oli valtaisa menestys. Alkuperäinen tavoite, protonien kierrättäminen myötäpäivään, saavutettiin reilun tunnin työskentelyn jälkeen. Iltapäivällä saatiin protoneita kierrätettyä toisen suihkuputken avulla myös vastapäivään.

Harjoittelu LHC-kiihdyttimen avulla jatkui vielä tämänkin jälkeen. Päivän saldoksi tuli 300 täyttä kierrosta kiihdyttimen ympäri, eli alkuperäinen tavoite saavutettiin 30 000%:sti! Yöllä harjoittelua jatkettiin vielä siten, että koeasemien vieressä olevia kollimaattoreita suljettiin, jolloin koeasemilla voitiin havaita niistä syntyviä hiukkassuihkuja.

Seuraavina tavoitteina LHC:lla on kierrättää samoja protoneita muutamien tuhansien, mahdollisesti satojen tuhansien kierrosten ajan. Koska suihku kulkee 11 000 kierrosta sekunnissa, tämä kestäisi vain muutamien sekuntien ajan. Sen saavuttaminen vaatii protonien synkronoimista kiihdyttimen RF-järjestelmän kanssa. Tämän jälkeen päästäänkin itse asiaan: voidaan mahdollisesti tehdä törmäyksiä 450 GeV:in energioilla (mahdollisesti jo lokakuussa), aloittaa protonien energian nostaminen SPS-kiihdyttimen 450 GeVistä 700 GeViin, ehkä 800 GeViin tai jopa 1 TeViin. Näköpiirissä on myös haasteita, kuten kiihdyttimen suprajohtavien magneettien ominaisuuksiin kuuluva snapback-efekti, joka aiheuttaa jo Tevatron-törmäyttimessä havaittua magneettikentän vaihtelua (tästä aiheesta teknisiä dokumentteja: 1 ja 2). Tämän jälkeen päästäänkin kurkistamaan alueelle, jonne ei koskaan aiemmin ole nähty: huikeille 5 TeV:in törmäysenergioille.

Eilisistäkin hiukkasista on jo upeita kuvia. Alla esimerkiksi CMS-koeasemalla havaittuja sekundaarihiukkasten ratoja. Tällaisista kuvista näemme pian sen, mitä LHC-kiihdytin maailmasta paljastaa!

CMS-koeasema ja sen havaitsemat sekundaarihiukkaset, jotka ovat syntyneet myötäpäivään kulkevan LHC-suihkun osuessa kollimaattoreihin.
CMS-koeasema ja sen havaitsemat hiukkaset, jotka ovat syntyneet myötäpäivään kulkevan suihkun osuessa kollimaattoriin.

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!

Maailmanloppu on lähellä?

Musta aukko
Kosmisen koon musta aukko. [lähde: Wikimedia Commons, NASA]

CERNistä ja LHC-kiihdyttimestä on näin kokeiden käynnistymisen lähestyessä näkynyt lehtijuttuja harva se viikko. Lentomatkalla Geneveen silmään pisti kuitenkin tavallisemmasta poikkeava juttu Herald Tribunen kakkossivulla. Painetun lehden juttu on sensaatiomaisesti otsikoitu: “The end is nigh! A big stakes suit to save us all” (Loppu on lähellä! Suuripanoksinen haaste meidän pelastukseksemme). Ensin mieleen tuli aprillipila, mutta lehti oli päivätty maaliskuun viimeiselle päivälle ja otsikkoa lukuunottamatta varsin asiallisesti kirjoitettu.

Lehtijutun mukaan kaksi henkilöä on haastanunut CERNin sekä Yhdysvaltain Energiaministeriön (DOE), Fermilabin ja Yhdysvaltain tiedesäätiön (NSF) oikeuteen Havaijin liittovaltion raastuvassa. Maaliskuun 21. päivänä kirjatussa haasteessa haetaan väliaikaista lykkäystä CERNin LHC-kokeen käynnistymistämiselle, kunnes CERN on tuottanut vaaditut turvallisuusraportit ja ympäristöarvionnit. Haastajien huolena on mahdollisuus, että LHC voi tuottaa mustia aukkoja, jotka syövät maapallon, tai niin kutsuttuja “outokaisia” (“strangelets”), jotka voisivat muuttaa koko planeetan strange-kvarkeista koostuvaksi aineeksi. Continue reading “Maailmanloppu on lähellä?”

Matka alkaa

Lento CERNiin lähtee muutaman päivän päästä ja huomenna pitäisi jo alkaa pakata muuttoa varten. Mikäpä siis mainiompi aika aloittaa uusi blogi 🙂 Seuraavien vuosien suunnitelma on selvä: muutetaan Geneveen, löydetään kauan etsitty Higgsin bosoni LHC-kiihdyttimen CMS-koeasemalla ja voitetaan Nobelin palkinto (yhdessä 6000 muun fyysikon kanssa).

Jotta en karkaa liian nopeasti eteenpäin, niin taustoitetaanpa hieman. CERN (Conceil Europeen pour la Recherche Nucleaire) eli Euroopan hiukkasfysiikan tutkimuskeskus on 20 jäsenmaan (Suomi mukaanlukien) yhteisesti rahoittama laboratorio Genevessä Ranskan ja Sveitsin rajalla. Se on yksi maailman suurimmista ja arvostetuimmista laboratorioista ja keskittyy aineen rakenteen tutkimiseen. 1950-luvulta periytyvästä nimestään huolimatta CERN ei juurikaan tee ydinfysiikkaa, vaan tutkimuskohteena ovat nykyään atomiytimiä paljon pienemmät alkeishiukkaset ja perusteorioihin liittyvät ongelmat.

Tänä kesänä CERNiin valmistuu maailman suurin hiukkaskiihdytin, LHC (Large Hadron Collider) eli Suuri Hadronitörmäytin. Suuri on tässä yhteydessä hyvinkin perusteltu sana, sillä kiihdytin on 27 kilometriä pitkä rengas, joka on sijoitettu tunneliin sata metriä maan alle. Kiihdyttimen nimessä esiintyvät hadronit ovat kvarkeista muodostuvia hiukkasia, joihin kuuluvat muun muassa protonit, neutronit, atomiytimet sekä sadat erilaiset mesonit ja baryonit, joita voidaan tuottaa hiukkaskiihdyttimillä. Alkuvaiheessa LHC törmäyttää protoneita eli vetyatomin ytimiä, mutta myöhemmin voidaan törmäyttää myös raskaampia atomiytimiä kuten lyijyä tai kultaa.

Kiihdyttimellä tuotettavia korkea-energisiä törmäyksiä havainnoidaan neljällä koeasemalla: suurilla yleiskäyttöisillä ilmaisimilla CMS (Compact Muon Solenoid) ja Atlas (A Toroidal LHC Apparatus, mutta myös mytologian jätti), raskasydintörmäyksiin suunnitellulla ilmaisimella Alice (anglosaksinen versio Ihmemaan sankarista Liisasta) sekä b-kvarkkien fysiikkaan tarkoitetulla LHCb-ilmaisimella. Itse aloitan työni CMS-kokeessa, jossa työskentelee myös parikymmentä muuta suomalaista tutkijaa Fysiikan tutkimuslaitokselta. Kaikenkaikkiaan CMS-kokeessa on mukana yli 3000 tutkijaa 180 yliopistosta ja tutkimuslaitoksesta. Atlas-kokeessa on vastaava määrä tutkijoita, mutta Alice ja LHCb ovat hieman pienempiä.

LHC-kokeiden päätavoite on löytää hiukkasfysiikan Graalin malja, jo yli kaksikymmentä vuotta etsitty Higgsin bosoni. Se on hiukkasfysiikan niin kutsutun standardimallin viimeinen puuttuva palanen. Standardimallin mukaan tyhjäkään ei ole tyhjää, vaan avaruuden täyttää Higgsin kenttä. Higgsin bosoni on Higgsin kentän ilmentymä, joka voidaan havaita hiukkasena kuten fotoni voidaan havaita sähkömagneettisen kentän “valohiukkasena”. Higgsin kenttää taas tarvitaan selittämään alkeishiukkasten kuten elektronien ja kvarkkien havaittu massa.

CMS Higgs event
Kuva: Simuloitu Higgsin bosonin hajoaminen CMS-kokeessa.

Kaikki, etenkään teoreetikot itse, eivät ole täysin vakuuttuneita, että standardimallin kuvaama Higgsin kenttä on olemassa sellaisenaan. Niinpä kilpailevia teorioita ja ennustuksia riittää: säieteoria, supersymmetria, ylimääräiset avaruusulottuvuudet, mikroskooppiset mustat aukot… Meidän kokeellisten hiukkasfyysikkojen tehtävänä on analysoida LHC:n protoni-protonitärmäyksistä kerätty data huolellisesti ja tehdä omat päätelmämme. Se onkin tutkimuksen jännittävin osa: astumme ennen kartoittamattomalle energialueelle, jossa voi tapahtua jotain aivan odottamatonta. Kyseessä ei olisi ensimmäinen kerta, kun uuden alueen tutkiminen tuo odottamattoman löydön, joka vie tiedettä aimo harppauksen eteenpäin. Mukana on siis myös mukava ripaus löytöretkeilijähenkeä.

Mutta nyt takaisin matkavalmisteluihin. Ensi viikolla olen jo CERNissä, jossa en ole käynyt yli neljään vuoteen, joten tutkittavaa (ja kuvattavaa sekä kirjoitettavaa) varmaan riittää. Viikon päästä CERNissä on avoimien ovien päivä ja ainutkertainen tilaisuus päästä tutustumaan LHC-kiihdyttimen tunneliin ennenkuin koe käynnistyy. Kiihdytin on aivan syystä sadan metrin syvyydessä, joten kokeiden ollessa käynnissä tunneliin ei ole enää menemistä säteilyvaaran takia. Ehkäpä tapaan myös jonkun vanhan kollegan, joka voisi kertoa tänne viimeisimmistä kuulumisista CERNissä.