Emeritusprofessori Juha Äystö, pesulan kellarista kansainvälisiin kiihdytinlaboratorioihin

teksti: Anu Kankainen

Emeritusprofessori Juha Äystön mittavaan, kansainväliseen uraan mahtuu monenlaista tutkimusta. Maailmalla hänet tunnetaan kiihdytinpohjaisen ydinfysiikan asiantuntijana ja erityisesti ioniohjaintekniikan kehittäjänä ja soveltajana ydinfysiikan tutkimukseen, josta hän sai arvostetun Euroopan Fyysikkoseura EPS:n Lise Meitner -palkinnon vuonna 2010. Juha on toiminut myös ISOLDE-laboratorion johtajana CERNissä 1999-2002 ja Fysiikan tutkimuslaitoksen johtajana 2012-2015, sekä ollut CERNin Scientific Policy Committeen jäsen 2008-2013. Hän on myös yksi Fyysikkoseuran fellow-jäsenistä. Juha on merkittävästi vaikuttanut Jyväskylän yliopiston kiihdytinlaboratorion kehittymiseen nykyiseksi kansainvälisen mittaluokan kiihdytinlaboratorioksi. Kiihdytinlaboratorio sai EU-tiederahoitusta jo vuodesta 1993 lähtien, ja lopulta EU:n Large Scale Facility statuksen ensimmäisenä Suomessa vuonna 1997. Akatemian huippuyksiköksi se valittiin ensimmäistä kertaa vuonna 2000.

Uran alku: Nisulankadun pesulan kellarin MC20 syklotroni

Juha aloitti fysiikan perusopinnot kotikaupungissaan Jyväskylässä heti valmistuttuaan ylioppilaaksi Jyväskylän lyseosta vuonna 1967. Opinnot etenivät nopeasti. Vuonna 1970 Juha suoritti LuK-tutkinnon ja liittyi professori Kalevi Vallin uuteen isotooppiseparaattorilla tutkimusta tekevään ryhmään. Vuotta aiemmin Jyväskylän yliopiston fysiikan laitos oli saanut omat tilat Nisulankadulta paikasta, jossa oli aiemmin toiminut leipomo ja pesula. Tänne pesulan kellariin hankittiin Jyväskylän ensimmäinen syklotroni, MC20, jolla oli ratkaiseva merkitys Juhan uralle. Myös fysiikan laitoksen innostava ilmapiiri, jonka luojina 1970 luvulla olivat mm. professorit Juhani Kantele, Pertti Lipas, Kalevi Valli, Kari Eskola, Eero Byckling, Pekka Pyykkö, Vesa Ruuskanen, oli hieno kasvuympäristö nuorelle fyysikon alulle.

MC20 syklotronin käyttöönottoon liittyi aluksi monenlaisia haasteita. Se tilattiin Scanditronixilta Ruotsista, mutta ennen toimitusta tehdyissä testeissä Uppsalassa se ei toiminut ollenkaan odotetulla tavalla. Syklotroni päätettiin kuitenkin ottaa vastaan, ja se saapui Jyväskylään joulukuussa 1973. MC20 piti saada toimintakuntoon omin voimin, ja siinä vetovastuun otti laboratorioinsinööri Esko Liukkonen, mutta silloiset jatko-opiskelijat, nykyiset emeritusprofessorit, Juha Äystö ja Rauno Julin, osallistuivat siihen myös aktiivisesti, samoin monet muut. Kaikilla oli kova hinku saada uusi syklotroni toimimaan. Ja se onnistui! Keväällä 1974 syklotronista saatiin ulos jo ensimmäisiä testisuihkuja.

MC20:n kylkiäisenä saatiin myös magneettinen isotooppiseparaattori. Ajatuksena oli kytkeä se MC20:n syklotroniin ja tuottaa puhtaita radioaktiivisia ionisuihkuja ydinfysiikan tutkimusta varten. Lähtö- ja vertailukohtana pidettiin vuonna 1967 perustettua CERNin ISOLDE-laboratoriota. Väitöstyönään Juhan tehtävänä oli kehittää tämä menetelmä, ja mielellään tehdä siitä vielä parempi kuin ISOLDElla. Valittuun heliumhuuhtelumenetelmään Juha oli tutustunut jo ensimmäisellä ulkomaan tutkimusvierailullaan 1972 Berkeleyssä, jossa Ghiorson tutkimusryhmä oli ensimmäisenä käyttänyt tätä ”He-jet” –menetelmää. Ensimmäiset MC20-syklotronilla tuotetut neutronirikkaat isotoopit massaseparoitiin ”online” 1975 ja Juhan väitöskirja valmistuikin pian tämän jälkeen 1977. Vaikka menetelmä oli onnistunut, se ei ollut vielä parempi kuin ISOLDElla. Tarvittiin vielä jotain uutta, jotta siihen päästäisiin.

Kuva: Juha Äystö (vas.), Rauno Julin ja Esko Liukkonen asentamassa suihkuputkilinjaa vuonna 1974. (Kuva: Juha Äystön kokoelmat)

Syklotronin syntysijoilla Kaliforniassa 1978-79 ja 1984-85

Heti väitöksen jälkeen Juha lähti post doc –tutkijaksi Lawrence Berkeley laboratorioon Kaliforniaan vuosiksi 1978-79. Berkeley oli siihen aikaan ydinfysiikan ”mekka”, maailman ensimmäisen syklotronin kotipaikka, jossa työskenteli nobelisteja ja huippututkijoita eri puolilta maailmaa. Professori Joseph Cernyn tutkimusryhmässä käytettiin heliumhuuhtelumenetelmää ilman separaattoria lähinnä keveiden protonirikkaiden ytimien tutkimukseen. Juha oli mm. mukana mittauksissa, joissa pystyttiin tuottamaan ja tutkimaan eksoottisia 20Mg, 24Si ja 35Ca isotooppeja ensimmäistä kertaa maailmassa. Kalifornian vuodet olivat erityisen merkityksellisiä Juhalle. Ulkomailla olo avasi silmät uudella tavalla ja synnytti verkostoja, jotka ovat kestäneet näihin päiviin asti. Juha vieraili Berkeleyssä vielä toisen kerran, ”staff scientist” –tutkijana vuosina 1984-85, jolloin tutkimus keskittyi mm. uuteen radioaktiivisen hajoamisen muotoon, beetaviivästettyyn kahden protonin emissioon.

Paluu Jyväskylään ja IGISOL-menetelmän synty

Nisulan kellarin laboratoriossa tutkimus- ja kehitystyö oli intensiivistä 1970- ja 80-luvuilla. Ymmärrettiin, että oli keksittävä jotain uutta, jolla voitaisiin haastaa esimerkiksi ISOLDE, joka pystyi tuottamaan radioaktiivisia ionisuihkuja lähinnä jalokaasuista ja alkalimetalleista. Tarvittiin siis menetelmä, joka olisi riippumaton ionien kemiallisista ominaisuuksista ja joka olisi tehokkaampi kuin aiemmin testattu heliumhuuhtelumenetelmä. Tämä antaisi etulyöntiaseman maailman muihin kiihdytinlaboratorioihin nähden. Kehitys- ja testaustyössä auttoi se, että syklotronin käyttö oli melko joustavaa siihen aikaan. Käytöstä sovittiin keskenään eikä syklotronilla ollut erillisiä operaattoreita. Tämä oli joustavaa, mutta vaati myös paljon työtä. Tutkijat olivat vastuussa omien mittaustensa aikana myös ionilähteen ja syklotronin ajamisesta sekä niissä ilmenneistä ongelmista.

Ensimmäisen Berkeleyn visiitin jälkeen 1980-luvun alussa Juha kehitti Kalevi Vallin ja Juha Ärjeen kanssa määrätietoisesti ionien on-line separointia uudenlaisella ioniohjainmenetelmällä. Alkuvaiheessa panostettiin hillittömästi kehitystyöhön, sillä ei ollut oikeastaan mitään hävittävää. Tämä tuottikin tulosta. Ensimmäiset uudenlaiseen ioni-ohjaimeen liittyvät paperit julkaistiin 1980-luvun alussa. Konferensseissa ihmeteltiin, voivatko jyväskyläläisten tulokset olla totta, niin ihmeelliseltä tämä uusi menetelmä vaikutti. Vuonna 1984 Physics Letters B:ssä julkaistiin ensimmäinen fysiikkapaperi, jossa tätä uutta IGISOL (Ion Guide Isotope Separator On-Line) – menetelmää käytettiin 51Fe ja 55Ni –isotooppien tuottamiseen. Nämä isotoopit ovat lyhytikäisiä ja vaikeita ionisoida perinteisillä ISOL-laitteistoilla käytettävillä ionilähteillä. Työ osoitti IGISOL-menetelmän vahvuuden.

Ensimmäisten mittausten jälkeen ioniohjainta kehitettiin soveltuvaksi fissiossa tuotettujen neutronirikkaiden ytimien tutkimukseen. IGISOL-laitteisto osoittautui erittäin kilpailukykyiseksi – sillä pystyttiin tuottamaan ja tutkimaan ensimmäistä kertaa maailmassa lähes 20 uutta ydinfissiossa syntynyttä isotooppia. Tulokset aiheuttivat kiinnostusta maailmalla ja Jyväskylä kansainvälistyi. Yhteistyöprojekteja syntyi paljon mm. japanilaisten, puolalaisten, ranskalaisten ja saksalaisten kollegoiden kanssa. IGISOL-menetelmä alkoi kiinnostaa laajemminkin. Tänä päivänä vastavanlaiseen periaatteeseen perustuvia ioniohjaimia tai sieppareita on käytössä kiihdytinlaboratorioissa eri puolilla maailmaa. Juha sai työstään arvostetun Euroopan Fyysikkoseuran Lise Meitner –palkinnon vuonna 2010.

Uusi raskasionisyklotroni ja kiihdytinlaboratorio Ylistönrinteelle 1992

Juha toteaa, että ”Tutkimuslaitteilla on kokeellisessa tutkimuksessa iso merkitys. Täytyy pystyä innovoimaan ja kehittämään uusia menetelmiä.” Tämä on ollut perusta myös Jyväskylän yliopiston kiihdytinlaboratorion kehittymiselle kansainväliseksi kiihdytinlaboratorioksi. 1980-luvun alussa laitoksella suunniteltiin jopa 800 MeV:n suprajohtavaa syklotronia, mutta esitys torpattiin Valtion tiedeneuvostossa. Kuitenkin hankkeen saaman positiivisen tieteellisen arvion kannustamina tehtiin uusi, halvempi esitys normaalista MC106 syklotronin hankkimisesta vuonna 1986. Tähän hankkeeseen saatiin myös valtion tuki Jyväskylän yliopiston silloisen rehtorin Martti Takalan suurella myötävaikutuksella. Kilpailutuksen kautta syklotroniksi tuli lopulta K130 Scanditronixilta.

Uuden syklotronin ajoitus oli erinomainen, sillä 1980-luvulla oli kehitetty uusi ECR-ionilähdetekniikka. Juha oli tutustunut ECR-ionilähteisiin jo Berkeleyn vuosinaan, ja ymmärsi, että yhdistämällä ECR-tekniikan ja uuden syklotronin, Jyväskylä saisi hyvän sauman tehdä kansainvälisesti uraauurtavaa ydinfysiikan tutkimusta. Ensimmäinen ECR-ionilähde rakennettiin yhteistyössä Uppsalan kanssa.

K130-syklotronilla tuotettiin ensimmäiset suihkut Jyväskylässä tammikuussa 1992. Fysiikan laitos oli vielä tuohon aikaan Nisulankadulla, mutta kohtiohallia jo rakennettiin Ylistönrinteelle. Uusi IGISOL-laitteisto oli ensimmäinen koeasema, koska se oli lähimpänä syklotronia. Siellä IGISOL olikin vuoteen 2010 asti. Tuona aikana tutkimus laajentui ja kehittyi monella tavalla koko tutkimusryhmän sekä monien uusien, nuorten tutkijoiden voimin. Alettiin tuottaa ytimiä raskasionifuusioreaktioilla fission ja kevytionireaktioiden lisäksi. Laserspektroskopiaa isotooppien hienorakenteen ja ytimien varaussäteiden tutkimiseksi alettiin tehdä yhteistyössä Manchesterin ja Birminghamin yliopistojen kanssa. Menetelmä otti merkittävän askeleen Jyväskylässä, jossa käyttöönotetun RFQ-laitteen avulla ionit voitiin kimputtaa ja viilentää, mikä paransi laserspektroskopian herkkyyttä noin kymmentuhatkertaisesti. Sama menetelmä otettiin ISOLDE-laitteistolla käyttöön lähes 10 vuotta myöhemmin.

Yksi keskeisistä kehityssuunnista IGISOL-laitteistolla oli JYFLTRAP Penningin loukun yhdistäminen suihkulinjaan. Penningin loukulla pystytään määrittämään lyhytikäistenkin ytimien sidosenergioita mittaamalla niiden atomimassoja erittäin tarkasti (~10 ppb). Sen tuomiseen Jyväskylään liittyi paljon kansainvälisiä kontakteja. Juha oli ISOLDElla CERNissä vuonna 1996, jolloin siellä rakennettiin ISOLTRAP -Penningin loukkua. Sillä oli tehty joitakin kokeita aktiivisuudella, joka oli kerätty kalvolle, mutta ei suoraan yhdistettynä suihkulinjaan. Merkittävä tuki RFQ:n ja Penningin loukun kehitys- ja innovaatiotyölle tuli Juhan johtamasta EU:n rahoittamasta EXOTRAPS (1998-2001) yhteistyöprojektista, jossa oli Jyväskylän lisäksi mukana mm. ISOLDE, GSI, GANIL ja Mainz. Jyväskylän Penningin loukkua suunniteltiin yhteistyössä saksalaisen GSI-laboratorion kanssa. Laitteen vaatimat 7 Teslan suprajohtavat magneetitkin tilattiin yhdessä. JYFLTRAP osoittautui menestykseksi. Tähän päivään mennessä sillä on mitattu jo yli 300 isotoopin atomimassat. Koko IGISOL-laitteisto siirtyi vuoden 2010 jälkeen kiihdytinlaboratorion laajennettuun osaan. IGISOLin 30-vuotinen taival julkaistiin The IGISOL Portrait –teoksena Springerillä vuonna 2012. Tutkimustyö jatkuu edelleen vilkkaana ja kansainvälisenä. Yksi sen tärkeimmistä tavoitteista on tuottaa uutta tietoa ytimien ominaisuuksista mahdollisimman kaukana stabiilien isotooppien ”laaksosta”. Tutkimukseen liittyy läheisesti myös alkuaineiden syntymekanismien ymmärtäminen maailmakaikkeudessa. Tämä on vielä osittain ratkaisematon kysymys, jota ydinastrofysiikka tutkii ydinfysiikan ja astrofysiikan menetelmin.

CERN, Fysiikan tutkimuslaitos HIP ja FAIR

 Juhalla on ollut useita merkittäviä kansainvälisiä rooleja tiedeyhteisössä. Hän oli puheenjohtajana Euroopan ydinfysiikan ja kiihdytinlaboratorioiden yhteistyöelimessä NuPECCissa 1999- 2002. Vuosina 1999-2002 hän toimi ISOLDE-laboratorion johtajana CERNissä. Siellä työskentely oli toisaalta haastavaa mutta mielenkiintoista, koska se tarjosi linkit sekä ydinfysiikan että alkeishiukkasfysiikan yhteisöihin. Heti Suomeen palaamisen jälkeen Juhaa pyydettiin CERNin INTC:n (ISOLDE and Neutron Time-of-Flight Experiments Committee) puheenjohtajaksi, jonka ominaisuudessa hän pääsi osallistumaan myös CERNin Scientific Policy Committeen (SPC) kokouksiin. SPC:n tehtävänä on arvioida tieteellistä toimintaa ja avustaa CERNin johtoa ja neuvostoa. Myöhemmin Juha kutsuttiin sen varsinaiseksi jäseneksi vuosiksi 2008-2013. Tämä oli merkittävä tehtävä monessakin mielessä. SPC:ssä sai ensikäden tietoa asioista ja pystyi vaikuttamaan oman tutkimusalansa asioihin. Samaan aikaan CERNissä tapahtui LHC:n rakentaminen ja esimerkiksi Higgsin hiukkasen löytäminen kesällä 2012. Noin 12-jäsenisen SPC:n tasosta kertoo jotain se, että Niels Bohr on ollut sen ensimmäinen jäsen, samoin kuin useampi Nobel-palkittu. Juha on tähän mennessä ollut ainoa suomalainen jäsen SPC:ssä.

Juhalla on ollut myös merkittävä rooli Fysiikan tutkimuslaitoksella (Helsinki Institute of Physics, HIP) ja sen johtajana 2012-2015. HIP perustettiin 1996, jolloin Juha oli CERNissa vierailevana tutkijana ISOLDElla. Hänet kutsuttiin HIP:in johtokuntaan edustamaan opetusministeriötä ja muuta Suomea. Samoihin aikoihin Suomi liittyi Juhan myötävaikutuksella ISOLDEn ja LHC:n ALICE raskasionikokeen jäseneksi, minkä yhteydessä HIPin rooli tuli tärkeäksi. Jyväskylän yliopisto liittyikin Helsingin yliopiston ja Teknillisen Korkeakoulun jälkeen kolmantena jäsenyliopistona HIPin toimintaan. Kun Juha palasi CERNistä Jyväskylään 2003, perustettiin HIP:in ydinaineen ohjelma, jonka johdossa hän toimi vuoteen 2012 asti.

HIP koordinoi CERNin lisäksi myös FAIR-laboratorioon suuntautuvia tutkimushankkeita Suomessa. Juha on vaikuttanut merkittävästi Suomen liittymiseen FAIRiin ja sen saamiseksi HIPin sateenvarjon alle. Juhan ollessa NuPECC:in puheenjohtajana valmisteltiin Euroopan ydinfysiikan tiekarttaa nimeltä Long Range Plan 2004. Tuohon liittyen tehtiin myös raportteja radioaktiivisten ionisuihkujen tuottamisesta, jotka johtivat lopulta melko tiukkoihin keskusteluihin GSI:llä vuonna 2000. Mutta asia eteni. Suomessa myös Dan-Olof Riska innostui FAIR-projektista, ja lähti vahvasti ajamaan asiaa. Lopulta Suomi liittyi mukaan FAIR-projektiin yhtenä osakkaana Ruotsin kanssa konsortiona. Juha uskoo, että FAIRistä tullaan vielä hyötymään paljon, sillä se tarjoaa kokonaan uuden lähestymistavan kiihdyttimillä tehtävässä fysiikassa ja sen sovelluksissa.

Näyttääkö kaikki tällä hetkellä hyvältä? Mitä suomalaisessa tiedemaailmassa voitaisiin tehdä paremmin?

70-luvun lähtökohdista lähtien ei voi valittaa, todella paljon parempaan ollaan menty. Suomalaisen yliopistomaailman yhteen hiileen puhaltaminen vaatisi vielä aika paljon lisää työtä. Tarpeetonta kilpailua tai oman imagon nostamista muiden asioiden edelle tulisi vähentää. Maakunnissa tehty laadukas tutkimus pitäisi myös huomioida ja välttää turhaa pääkaupunkikeskeisyyttä. Profilointityö on tässä hyödyllistä. Olennaisinta tutkimuksen kannalta on, että on vahvaa kansainvälistä yhteistyötä tutkimuksen kannalta. Tutkimuksen hyödyntäminen on sitten enemmän kansallisesti sovellettavissa.

Toinen asia, johon Juha toivoisi muutosta, on tieteellisten hankkeiden arviointiprosessit. Suomessa ne ovat usein kuin musta laatikko, vuorovaikutusta ei ole. Esimerkiksi akatemiatutkijakandidaatteja ei haastatella, vaikka käytäntö on hyvin yleinen muualla maailmassa. Avoimuus ja vuorovaikutusperiaate ovat tärkeitä elementtejä rahoituspäätöksissä.

Haastattelun lopuksi Juha kysyy minulta, tiedänkö mikä oli ensimmäinen suomalainen tutkimusinstrumentti avaruudessa. Se oli vuoden 1995 lopussa laukaistun SOHO-satelliitin mukana oleva ERNE-hiukkasilmaisin. ERNE:n kehittämisestä olivat vastuussa turkulaiset fyysikot, mutta ilmaisimen säteilynkestävyyttä ja toimivuutta testattiin ensimmäisenä Jyväskylän vanhalla MC20 syklotronilla. Ja kestihän se, niin maassa kuin avaruudessa toimien aina vuoteen 2016 asti Esimerkiksi tällainen säteilynkeston testaus, jota kiihdytinlaboratoriossa tarjotaan nykyisin useille kansainvälisille firmoille, perustuu vahvasti perustutkimukseen ja sen tarjoamiin laitteisiin. Tämän lisäksi ydinfysiikan perustutkimuksella on myös paljon potentiaalia lääketieteellisissä sovelluksissa ja energia-alalla.

 

Leave a Reply

Your email address will not be published.