Jättimäisiä laitteita, häviävän pieniä hiukkasia

KUVITTELEHAN, että ylittäisit Ranskan ja Sveitsin välisen rajan tuhansia kertoja muutamassa sekunnissa. ”Se on mahdotonta”, sanoisit ehkä. Silti juuri näin tekevät miljardit uudenlaiset ”rajaseudun asukkaat”. Me nimittäin puhumme nyt häviävän pienistä hiukkasista, jotka kiitävät jättimäisen metallirenkaan sisällä syvällä maan alla erään eurooppalaisen tutkimuslaitoksen alueella lähellä Geneven kansainvälistä lentokenttää. Siellä tutkijoilla on apunaan hiukkaskiihdyttimiksi kutsuttuja valtavan suuria laitteita heidän tutkiessaan mielenkiintoista kohdetta: aineen ja kaikkeutta hallitsevien lakien salaisuuksia.

Kurkistus äärettömän pienten etäisyyksien maailmaan

Ihmiset ovat haaveilleet jo vuosituhansia aineen perusosasien löytämisestä. Vuosisatamme alussa tiedemiehille selvisi, että atomi, jota aiemmin pidettiin pienimpänä ja niin ollen jakamattomana aineosasena, koostuu ytimestä ja sitä kiertävistä elektroneista. Myöhemmin havaittiin näidenkin hiukkasten koostuvan vielä pienemmistä osasista. Erään nykyisen teorian mukaan kaikkeudessa oleva aine rakentuu ainoastaan kolmenlaisista perusrakenneosista: elektroneista ja kahdenlaisista kvarkeista. Kaikki muu on tyhjää tilaa.

Kun arkeologit kaivavat esiin esimerkiksi vanhan muurin, he tutkivat tiilien lisäksi myös laastia, jolla tiilet on sidottu yhteen. Vastaavasti fyysikot tutkivat nykyään hiukkasten välillä vaikuttavia voimia. Kuten tutkijat selittävät, kahta hiukkasta voi olla sitomassa yhteen kolmas hiukkanen, jota ne vaihtavat keskenään jotenkin samaan tapaan kuin pallopelissä, jossa kaksi pelaajaa lyövät palloa toisilleen. Ja samoin kuin erilaisissa pallopeleissä – tenniksessä, jalkapallossa, koripallossa, pesäpallossa – käytetään erilaisia palloja, samoin on kullakin voimalla oma välittäjähiukkasensa (tai kokonainen joukko omia välittäjähiukkasiaan). Näiden kahdenlaisten hiukkasten (tiilten ja laastin, pelaajien ja pallojen) tutkimiseen tarvitaan hiukkaskiihdyttimiä.

Ilman hiukkaskiihdyttimiä hiukkasfyysikot olisivat yhtä avuttomia kuin kasvitieteilijät ilman suurennuslasejaan tai tähtitieteilijät ilman kaukoputkiaan. Länsi-Euroopan hiukkasfysiikan tutkimuskeskuksen CERNin alueella on kahden puolen Ranskan ja Sveitsin välistä rajaa laitteistoja, joilla voidaan käyttää useampia kiihdyttimiä yhteen kytkettyinä. Ymmärtääksemme paremmin, mitä näiden laitteistojen sisällä tapahtuu, kuvitelkaamme, että olisimme tuhat biljoonaa kertaa normaalia pienempiä. Nyt voimme lähteä seuraamaan erittäin epätavallista opastamme.

Retki kiihdyttimen sisällä

Hei! Olen yksi niistä miljardeista protoneista, jotka ovat matkaseuranasi SPS:n sisällä. SPS (Super Proton Synchrotron) on CERNin tällä hetkellä suurin hiukkaskiihdytin. Koeta pitää jostakin kiinni, sillä me kiidämme kohta yli miljoona kilometriä vajaassa viidessä sekunnissa.

Ennen kuin voimme mennä varsinaiseen SPS-renkaaseen, meidän täytyy saada esikiihdytys pienemmissä laitteissa, jotta saavuttaisimme nopeuden, joka on yli 99 prosenttia valon nopeudesta, mutta valoa nopeammin (noin 300000 kilometriä sekunnissa tyhjiössä) me emme sentään pääse. SPS:ssä vauhtimme kasvaa enää vain 0,4 prosenttia. Toisaalta massamme kasvaa suuresti, sillä energiamme kasvaa huimasti, 10 GeV:stä 400 GeV:hena, ja tähän juuri fyysikot tähtäävät. SPS ei siis ole kiihdytin sanan varsinaisessa merkityksessä, vaan sitä voidaan pikemminkin verrata linkoon, jossa kivi pyörii ympäri tasaista vauhtia tullen samalla painavammaksi.

Olemme nyt päässeet SPS:n rengasmaiseen tyhjiöputkeen. Renkaalla on ympärysmittaa lähes seitsemän kilometriä, ja se on sijoitettu maan alle kaivettuun useitten metrien levyiseen tunneliin. Kun kiihdytin ei ole käytössä, teknikot voivat ajaa tunnelissa polkupyörällä.

Päästyämme putkeen 744 ohjausmagneettia ottavat meitä heti kädestä kiinni. Nämä voimakkaat sähkömagneetit ohjaavat meidät kulkemaan pitkin lähes ympyränmuotoista rataa. Muutoin keskipakoisvoima paiskaisi meidät paksuille seinille, jotka imevät meistä lähtevän vaarallisen säteilyn. Koska me niin mielellämme hajaantuisimme, meidät täytyy 216 toisenlaisen magneetin avulla koota tiheäksi, kapeaksi suihkuksi. Nämä magneetit ovat verrattavissa linsseihin, joilla majakan valolaitteen valo keskitetään kauas näkyväksi kapeaksi keilaksi.

Emme olisi päässeet putken eli renkaan sisällä alkua pitemmälle, ellei suurinta osaa niistä hiukkasista, joihin voisimme törmätä, olisi raivattu pois tieltä siten, että putkeen on saatu aikaan hyvä tyhjiö. Jokaisella uudella kierroksella me saamme lisää energiaa kiitäessämme suoralla osuudella olevien 20 metrin pituisten suurtaajuusonteloiden läpi. Niissä syntyvä sähkömagneettinen aalto antaa meille osan energiastaan samalla tavoin kuin meren aalto antaa sillä ratsastavalle lainelautailijalle vauhtia.

Reilun puolen sekunnin päästä me poistumme kiihdyttimestä 10 biljoonan hiukkasen kimppuina. Meidät ohjataan pois liikeradaltamme törmäämään esimerkiksi metallilevyyn tai johonkin kaasuun tai nesteeseen riippuen siitä, millaisesta kokeesta on kysymys. Osa protonien ja kohdehiukkasten välisessä yhteentörmäyksessä vapautuvasta energiasta muuttuu useimmiten lyhytaikaisesti aineeksi. Tapahtuu siis kutakuinkin päinvastoin kuin ydinreaktorissa, jossa aine muutetaan energiaksi. Törmäyksessä syntyneitä hiukkasia tutkitaan sen jälkeen monimutkaisiin hiukkasilmaisimiin liitetyillä tehokkailla tietokoneilla.

Nyt minun täytyy valitettavasti sanoa hyvästit. Mutta jos sinulla on vielä jokunen minuutti aikaa, voit tutustua erääseen vielä jännittävämpään kokeeseen.

Hiukkassuihkujen törmäyttäminen

Protonit, joista edellä oli puhe, törmäsivät paikallaan olevaan kohteeseen. Suuri osa niiden energiasta kuitenkin ”tuhlautui” törmäyksessä kohdehiukkasiin. Kun esimerkiksi 400 GeV:n protoni törmää paikallaan olevaan protoniin, energiaa voi vapautua vain 28 GeV:n verran uusien hiukkasten tuottamiseen.

Tilanne ei vielä tyydyttänyt tutkijoita, sillä hiukkassuihkujen energia haluttiin saada hyödynnetyksi tehokkaammin. Lopulta he keksivät panna hiukkassuihkut törmäämään toisiinsa. SPS:ssä antiprotonisuihku (protonien vastahiukkasia; niillä on samansuuruinen massa kuin protoneilla mutta vastakkaismerkkinen sähkövaraus) ohjataan törmäämään ”nokittain” vastakkaiseen suuntaan kiertävään protonisuihkuun. Kun 270 GeV:n protoni ja 270 GeV:n antiprotoni törmäävät toisiinsa, kaikki niiden energia (540 GeV) vapautuu käytettäväksi uusien, raskaampien hiukkasten synnyttämiseen.

Voitettuaan antiprotonien tuottamiseen, varastointiin ja kiihdyttämiseen liittyvät ongelmat CERN kykeni vuonna 1983 esittämään todisteita eräitten erittäin lyhytikäisten hiukkasten, W- ja Z-bosonien, olemassaolosta. Kuten useimmat tällaisissa kiihdyttimissä tuotetut hiukkaset, bosonitkaan eivät säily kauan – alle biljoona biljoonasosasekuntia – vaan ne muuttuvat energiaksi tai muiksi hiukkasiksi. Koska Z-bosonit ovat sata kertaa painavampia kuin protonit, ne ovat raskaimpia hiukkasia, mitä toistaiseksi on löydetty.

Aina vain suurempia laitteita

Parhaillaan etsitään eri puolilla maailmaa yhä raskaampia uusia hiukkasia, varsinkin välittäjähiukkasia (artikkelin alussa mainittuja pelipalloja). Siihen tarvitaan tietysti entistä tehokkaampia laitteita. Niinpä CERNin alueelle lähelle Geneveä alettiin vuonna 1983 rakentaa uutta kiihdytinrengasta. Sille on annettu nimilyhenne LEP (Large Electron-Positron [Collider]). Tämän elektronien ja positronien (elektronien vastahiukkasten) kiihdyttämiseen tarkoitetun laitteen ympärysmitta tulee olemaan 27 kilometriä. On odotettavissa, että näillä uusilla ”hiukkasammuksilla” fyysikot pystyvät pilkkomaan ainetta entistä pienemmiksi osasiksi.

”Mutta mitä hyötyä kaikesta tällaisesta sitten on?” voi joku kysyä. Jollei oteta lukuun joitakin pieniä kiihdyttimiä, joilla sairaaloissa tuotetaan hiukkasia syöpäsolujen tuhoamiseen tai radioaktiivisiksi merkkiaineiksi, hiukkaskiihdytintekniikan hyödyt näyttävät tosiaan vähäisiltä. Silti fyysikot etsivät innokkaasti yhä tarkempaa vastausta kysymykseen: mistä aine koostuu? Sen tähden he epäilemättä pyrkivät tunkeutumaan yhä syvemmälle äärettömän pienten etäisyyksien maailmaan – paradoksaalista kyllä – entistä mahtavampien kiihdyttimien avulla.

[Alaviitteet]

[Tekstiruutu s. 21]

Erilaisia hiukkasia

Elektronit: Hiukkasia, joilla on negatiivinen sähkövaraus. Elektronin sähkövaraus on samansuuruinen kuin protonin. Silti sen massa on vain noin kahdestuhannesosa protonin massasta. Elektronit kiertävät atomiydintä, ja elektroneja on aina saman verran kuin protonejakin.

Protonit: Hiukkasia, joilla on positiivinen sähkövaraus. Sähkövaraus samansuuruinen kuin elektroneilla. Jokaisen atomiytimen rakenneosia. Vedyn ytimenä on yksi protoni.

Neutronit: Hiukkasia, joiden massa on melkein samansuuruinen kuin protoneilla. Niillä ei ole sähkövarausta. Toinen rakenneosa kaikkien muiden atomien ytimissä paitsi vedyn ytimissä.

Kvarkit: Hiukkasia, joista protonien ja neutronien ajatellaan koostuvan. Kvarkit eivät esiinny yksittäin vaan aina yhdistelminä, yhdessä toisten kvarkkien kanssa. Jokaisella on sähkövaraus, suuruudeltaan yksi tai kaksi kolmasosaa elektronin sähkövarauksesta.

Bosonit: Hiukkasia, jotka välittävät voimia muiden atomia pienempien hiukkasten välillä. Kun hiukkanen luovuttaa bosonin, toinen hiukkanen liittää sen itseensä.

Energian muuttuminen aineeksi

Kiihdytys antaa energiaa: Kun tennispallo putoaa jalalle, se ei tee kipeää. Mutta jos pallo tulee kovaa vauhtia ja osuu suoraan nenään, se voi satuttaa pahastikin. Mistä johtuu, että vauhdilla tullut pallo voi olla vaarallinen? Pallo saa nopeuden kasvaessa lisää energiaa, ja tämä energia vapautuu jälleen pallon törmätessä johonkin, tässä tapauksessa nenään. Kiihdyttimen päätarkoituksena onkin juuri kasvattaa hiukkasten energiaa kiihdyttämällä ne suuriin nopeuksiin.

Tiivistyneen energian muuttuminen aineeksi: Energian muuttumisessa aineeksi ei ole kysymys määrästä vaan tihentymisestä. Jos riittävä määrä suurenergiaisia nopeasti liikkuvia hiukkasia tiivistyy pieneen tilaan, niistä voi niiden törmätessä johonkin kohteeseen tai vasten toisiaan syntyä uusia hiukkasia (eli ainetta).

Ainetta syntyy – mutta vain häviävän vähän: Energiaa valtavat määrät kuluttavissa kiihdyttimissä ei synny paljon ainetta. ”25 vuoden aikana tehdyissä kokeissa on syntynyt ainoastaan milligramman verran ainetta”, kerrotaan eräässä CERNin virallisessa julkaisussa.

[Tekstiruutu/Kuva s. 22]

Lehmän valmistusohjeet

”Lehmän valmistaminen on helppoa. Tarvitaan vain suuri määrä perusaineksia, u- ja d-kvarkkeja sekä elektroneja. Ensimmäiseksi valmistetaan protonit. Protoniin tarvitaan kaksi u-kvarkkia ja yksi d-kvarkki. Tämän jälkeen valmistetaan muutamia neutroneja, ja kuhunkin niistä tarvitaan yksi u-kvarkki ja kaksi d-kvarkkia. Seuraava vaihe on atomien kokoaminen. Lehmän valmistamiseen tarvitaan etupäässä hiili-, happi-, vety- ja typpiatomeja – –. Vetyatomin valmistusohje on melko yksinkertainen: yksi protoni ja yksi sitä kiertävä elektroni. Hiilen valmistaminen onkin monimutkaisempaa – –.

”Seuraavaksi atomit täytyy koota molekyyleiksi. Vettä on helppo valmistaa. Otetaan yksi happiatomi ja kaksi vetyatomia. Muihin molekyyleihin tarvitaankin jo sitten satoja tai jopa tuhansia atomeja. Lopuksi näistä atomeista rakennetaan muutama kymmenen miljardia elävää solua, ja niistä sitten kootaan huolellisesti lehmä.

”Tällaiset valmistusohjeet antaa CERN. Ne ovat täysin tarkat, mikäli työhön varataan riittävästi aikaa ja seurataan niitä arvoituksellisia piirustuksia, joiden avulla on jo tehty yksi lehmä.” – L’Express, ranskalainen viikkolehti.

Kenen käsialaa nämä ”arvoitukselliset piirustukset” sitten voisivat olla? Ainoastaan sen korkeassa asemassa olevan älyllisen olennon, josta Raamatussa puhutaan Luojana, Jehova Jumalana. – Psalmi 104:24.

[Kaavio/Kuvat s. 20]

(Ks. painettu julkaisu)

LEP

SPS

site Prévessin

site Meyrin

FRANCE

SUISSE

[Lähdemerkintä]

CERN, Geneve