In summer 2020, HIP Detector Laboratory had first-ever remote-working summer trainees

The excellent infrastructure of HIP Detector Laboratory serves well for introducing particle physics and its instrumentation for children and youth. Every year, we provide “road-shows” in public events organized by the University, such as Researchers’ Night, bring-your-child-to-work, and tinkering events at University Think Corner. We also welcome high-school students into laboratory for familiarizing themselves with radiation detection. In addition, we have provided one or two week traineeships for middle school students. In summer 2020, two first-ever remote working summer trainees worked in the laboratory under the supervision of laboratory engineer Pirkitta.

Pirkitta, Laboratorioinsinööri. Kokemuksia etäkesätyön ohjaajana toimimisesta.  

Kesällä 2020 toimin työnohjaajana kahdelle 17-vuotiaalle kesäharjoittelijalle. Heidän piti alun perin tulla kahdeksi viikoksi laboratorioon mutta koronavirus muutti suunnitelmat. Ilmaisinlaboratoriolla ei ollut aikaisempaa kokemusta alle 18-vuotiaiden kesäharjoittelijoiden etäohjaamisesta emmekä tienneet mistä olisi saanut neuvoja koska tilanne tuntui olevan kaikille uusi.  

Ennen etätyön alkamista kysyimme harjoittelijoiden mielipidettä tulevasta etätyöstä ja tarvittavista välineistä kuten tietokoneista ja internet-yhteyksistä. Saimme kaksi jokseenkin samanlaista vastausta: ”Zoom ja Teams tulivat tutuiksi jo keväällä etäkoulussa joten eiköhän tuo kesätyö hoidu samaan malliin”.   

Ennen kesää 2020 olen toiminut ohjaajana monille ilmaisinlaboratorioon TET-harjoitteluun tulleille nuorille. Olen huomannut, että asioiden näkeminen käytännössä auttaa työtehtävien hahmottamisessa ja nuoret suoriutuvat monimutkaisiltakin tuntuvista tehtävistä. Nyt kun laboratorioympäristöä ei ollut, aluksi nuorille suunnittelemani kemikaalilainsäädäntöön liittyvät tehtävät alkoivat tuntua huonolta idealta.  Tämän vuoksi päätin hyödyntää nuorten omia kiinnostuksen kohteita kuten Maxilla photoshop-osaamista ja Kaarlolla kuvataiteita.   

Ilmaisinlaboratorion ovien läheisyydestä löytyvät informaatiotaulut laboratorion vaarallisten aineiden ja laitteiden sijainnista ovat Maxin käsialaa. Työ sisälsi photoshopilla piirtämisen lisäksi paljon erilaista yksityiskohtien selvittelytyötä.  Pääasialliseksi yhteydenpitokanavaksi muodostui WhatsApp.    

Kaarlon kesätyönä syntyi lapsille suunnattu koulutusmateriaali ionisoivan säteilyn ilmaisimista. Kaarlo loi materiaaliin visuaalisen ilmeen ja kuvituksen. Itse toimin materiaalin tekstisuunnittelijana. Pidimme yhteyttä ennalta sovituilla Zoom-tapaamisilla.   Nuorten etätyön ohjaajana toimiminen oli hyvin antoisa ja samalla uuvuttava kokemus. Omasta mielestäni tärkeimmiksi tekijöiksi työn onnistumisen kannalta nousivat mahdollisimman luontevan yhteydenpitokanavan löytäminen ja työtehtävien suunnittelu etätyöhön sopiviksi nuorten omia vahvuuksia hyödyntäen.

Summer trainee Max tells about his experience

How I ended up at the Detector Laboratory started with me wanting to work somewhere where I could learn something new. I didn’t want to do superficial mechanical labour which would serve no other purpose other than convenience. I wanted something more than restocking products at a store and simply being a cog in the machine, so I took contact with the Detector Laboratory.

The previous summer that I worked on site at the laboratory was the most fruitful when it came to experience and learning. I was working on site, so I had better opportunities to ask a lot of questions and help with the measurements that were being made. Whenever something came up that I didn’t know what it was or how it worked, I asked about it. I think the main reason that I learnt so much during last year’s summer job at the lab was me asking a lot of questions and getting high quality answers to them. I do value questioning and I think it’s a shame that many people lose that curiosity when they get older, so they stop asking a lot of questions which could otherwise further their understanding.

This summer however I worked from home and while I was able to hone my editing skills when I worked on designing a couple fire safety sheets for the fire department in case a fire broke out, I didn’t have as many opportunities to ask questions that would’ve helped my understanding. While I did learn, I learnt less than I would’ve learnt on site.

While I found no issues working a summer job from home, there were different pros and cons between being at the lab and being at home. Working from home offered more freedom as to how I’d plan my day but as I’ve mentioned before, it wasn’t as good when it came to furthering my understanding. Working on site had the benefit of me being more immersed into the environment and easily being able to ask questions. The tasks that I worked on were very similar at home and on site, but it offered more meaning to the work to see the results shown in real life. If I had to pick whether I worked from home or on site, I’d choose working on site simply for the fact that I’d have better opportunities to learn and further my understanding, but I have absolutely nothing wrong against working from home either.

Summer trainee Max working from home

Kesäharjoittelija Kaarlo kertoo kokemuksestaan

Kesätyöni piti sisältää kaksi viikkoa työskentelyä ilmaisinlaboratoriossa kemikaalilainsäädäntöön ja kemikaaliturvallisuusohjeisiin liittyvien asioiden parissa. Suunnitelmat kuitenkin muuttuivat covid-19 takia. Ensiksi oli tarkoitus, että työtehtävä säilyisi mutta tekisin työn etänä. ”Ylemmästä johtoportaasta” tuli kuitenkin päätös, että kemikaalilainsäädäntö olisi liian tylsää yksin etänä tehtäväksi ja tehtävänkuvaa muutettiin. Uusi työtehtävä oli kuvittaa lapsille suunnattu koulutusmateriaali säteilynilmaisimista.

Harrastan piirtämistä, jonka takia tämä työtehtävä sopi minulle hyvin. Varsinkin toisella viikolla pääsin hyvään työrytmiin ja työn tekeminen ei tuntunut enää työltä. Piirtäessäni pystyin kuuntelemaan musiikkia, luentoja ja podcasteja, joten opin myös paljon muistakin asioista kuin säteilyn ilmaisimista. Minulla ei ole aikaisempaa työkokemusta, joten en voi verrata etäkesätyötä mihinkään mutta kokonaisuudessa pidin erittäin paljon tästä kahden viikon jaksosta.

Alkuun työn tekeminen tuntui haastavalta. En oikein tiennyt mitä tehdä ja aikaa kului turhiin asioihin. Vaikka olen piirtänyt paljon, en ole koskaan joutunut piirtämään tietyn aikataulun mukaisesti, joten alkuun etätyö oli minulle hieman vaikeaa ja ahdistavaakin. Etäältä töiden tekeminen käy välillä yksinäiseksi mutta onneksi pidimme melkein joka päivä Zoom-kokouksia ja tietenkin toisessa huoneessa etätyössä olevat vanhemmat olivat kotona. Vanhemmilta sai myös apua, vaikka sitä ei olisi pyytänytkään. Laboratoriossa työskentely olisi varmasti ollut hauskaa mutta minua ei oikeastaan haittaa, että työt olivat tällä kertaa etänä. Olen erittäin kiitollinen siitä, että sain tällaisen työkokemuksen.

Kaarlon omakuva kesäharjoittelusta

Max, Kaarlo, Pirkitta ja Eija

Central exclusive physics at LHC: a look forward

We are surrounded by them, composed of them, constantly interacting with them. However with their complex structure and behaviour, protons are still covering a large fraction of the uncharted territory of modern particle physics.

Few classes of instruments allow to probe its constituents with high precision. Among the man-made flavour, the Large Hadron Collider at CERN became widely known to be smashing a few billions of them every fraction of a second (precisely, in normal proton-proton operation mode, bunches of about 1.15×1011 protons are collided every 25 nanosecond) in large detectors under the Rhône plain stretching between Switzerland and France. A handful of physicists are particularly interested in studying the tiny fraction of all possible reactions where protons are surviving this violent encounter. At HIP, this interest is materialised with of a team of half a dozen researchers partaking on both the theoretical and experimental fronts.

A generic two-photon central exclusive process at a proton-proton collider.
A generic two-photon process in proton-proton collisions as studied both phenomenologically and experimentally with the CMS-TOTEM’s PPS.

For the theoretical part, a lasting international collaboration allows the development and maintenance of a tool to estimate numerically the contribution of multiple photon-induced (and more generally central exclusive, and diffractive) processes in proton-proton and heavy ions collisions. Through the factorisation from fluxes of photon emitted from the proton of the central matrix element describing the two-photon process under study, increasingly complex final states can be modelled. These comprise fermion, vector boson, or supersymmetric particles pair production. Its originality with respect to “traditional” equivalent photon approximation principles commonly used to describe this class of processes lies in its transverse-momentum dependent modelling of both the intermediate particle fluxes and matrix elements. This framework also allows to account for multiple kinematic features arising from the non-empty probability of protons to dissociate even in cases of elastic photon emission. It hence provides an interesting toolbox for both the phenomenological and experimental communities to study the effect of proton survival factors at unprecedented energy scales.

On the experimental front, HIP is involved in the development, operation, maintenance, and data analysis of the precision proton spectrometer (PPS), a joint collaboration between the CMS and TOTEM experiments at CERN. Located at about 220 metres on each side of the CMS detector, PPS hosts an array of various technologies of near-beam detectors designed to tag and localise scattered protons moving in close vicinity from the LHC primary beam. A good fraction of central exclusive reactions, this particular class of interactions where only colour-singlet objects (such as photons) are exchanged, involves the “survival” of both protons interacting. Experimentally, this provides a striking signature of a central system with exclusive-like kinematic features, and two leading protons to be observed downstream of the collision point. In PPS, both tracking and timing detectors are embedded in so-called Roman pots stations for proton detection.

Sketch of the TOTEM-PPS apparatus in the CMS environment.
Sketch of one sector of the CMS and TOTEM Roman pots encasing tracking and timing detectors for the observation of forward scattered protons in elastic, central exclusive, or non-diffractive scattering. The various optical elements composing the LHC beamline between the central and forward detectors are depicted in grey/green.

The tracking component consists of silicon sensors (initially edgeless strips as used in TOTEM, then arrays of 3D pixels as developed for the CMS central tracker, with a finer spatial resolution and radiation hardness), allowing the reconstruction of proton transverse positions. Combined with the precise knowledge of optical properties of the LHC beamline elements located between the spectrometer and the proton-proton interaction point, it provides the proton longitudinal momentum loss ξ and the single-sided virtuality t = -q² (well know since the era of deep inelastic scattering experiments at e.g. SLAC or HERA).

scCVD diamond detector as used in PPS timing detector.
Closeup of the scCVD diamond strips installed in the PPS timing detector.

The second PPS component acts as a time of flight detector, where a measurement of the arrival time difference between the two protons (in the case of fully exclusive production) determines the longitudinal coordinate of the collision point. With a precision of about 2 mm per 10 picosecond of time precision, a large suppression of secondary interactions occurring at each crossing of the proton bunches (often referred to as pileup) can be expected from well performing sensors. At HIP, half a dozen researchers are involved in the R&D, testing, characterisation (thanks to a campaign of test beams operated at DESY-II during the second long shutdown of CERN accelerators chain), and commissioning of existing and new single-crystal chemical vapour deposition (scCVD) diamond sensors. Already reaching a timing precision of about 100 ps per proton track as measured in 2018, thanks to an innovative calibration procedure developed for the full readout chain [1], a second station will be installed on both arms at the dawn of LHC’s Run 3 (2021-2023). HIP is in charge of the procurement, quality testing, and integration of the new sensors in the PPS environment, involving a big fraction of the HIP CMS upgrade project members.

In terms of research output, using only a small fraction of the 110 fb-1 collected in 2016-2018 at 13 TeV, the CMS-TOTEM PPS has already demonstrated its ability to operate continuously a near-beam proton spectrometer at nominal LHC luminosity rates through the observation of high-mass lepton pairs correlated with forward proton tracks [2]. This result, still not exploiting the good performances of timing detectors, will soon be joined with additional, more complex final states thanks to the outstanding performance of PPS along LHC’s Run 2.

Laurent Forthomme
Postdoctoral researcher.
Department of Physics and HIP, University of Helsinki

[1] CERN-CMS-DP-2019-034. CERN, Geneva, 2019.
[2] JHEP 07 (2018) 153; e-Print: arXiv:1803.04496 [hep-ex]

Kvarkkiainetta näköpiirissä!

Hiukkasfysiikan Standardimalli kuvaa kolmea luonnon neljästä perusvuorovaikutuksesta: sähkömagnetismia sekä heikkoa ja vahvaa ydinvoimaa. Näistä laskennallisesti ylivoimaisesti vaikeimmin hallittava on vahva ydinvoima, jota vastaavaa Standardimallin osaa kutsutaan nimellä kvanttiväridynamiikka, tuttavallisemmin QCD. Kyseisen teorian monimutkaisuus on seurausta voiman nimestäkin pääteltävissä olevasta asiasta: se on pienillä energioilla eli suurilla etäisyyksillä erittäin vahva. Tästä johtuen esimerkiksi hadronien roolia teorian matalan energian eksitaatioina ei ole pystytty johtamaan analyyttisesti, vaan teorian ns. confinement- eli värivankeusominaisuus on alunperin päätelty havaintojen perusteella ja vasta myöhemmin pystytty numeerisesti mallintamaan tietokonesimulaatioiden avulla.

QCD-teorian toinen hyvin perustavanlaatuinen ominaisuus – vuorovaikutuksen voimakkuuden heikkeneminen suurien energioiden ja pienien etäisyyksien rajalla, ns. asymptoottinen vapaus – antaa mahdollisuuden käyttää analyyttistä häiriöteorian koneistoa tietyissä, hyvin rajatuissa tilanteissa. Yksi esimerkki tästä on kuuluisa ennuste, jonka mukaan riittävän kuumissa tai tiheissä olosuhteissa tavallinen vahvasti vuorovaikuttava aine, siis hadronikaasu tai ydinaine, käy läpi olomuodonmuutoksen faasiin, jossa vapausasteet ovat värivankeudestaan vapautuineita kvarkkeja ja gluoneja. Riittävä on kuitenkin varsin venyvä käsite: tässä tapauksessa se tarkoittaa jopa n. 1012 Kelvin-asteen lämpötiloja tai vastaavasti äärimmäisen korkeita tiheyksiä.

Korkeissa lämpötiloissa kvarkkien ja gluonien muodostamaa eksoottista ainetta kutsutaan kvarkkigluoniplasmaksi. Niin hämmästyttävältä kuin se kuulostaakin, tätä ainetta on onnistuttu tuottamaan hyvin lyhyiksi ajanjaksoiksi törmäyttämällä lähes valonnopeutta kulkevia raskaita atomiytimiä toisiinsa: näitä ns. relativistisia raskasionitörmäyksiä on tutkittu mm. BNL:n RHIC- sekä CERN:n LHC-kiihdyttimissä. QCD:n faasidiagramman toiselle laidalle – hyvin korkeiden baryonitiheyksien ja niihin nähden matalien lämpötilojen alueelle – on huomattavasti hankalampaa yltää maanpäällisissä kiihdyttimissä, mutta motivaatiota tutkimukselta ei puutu. Tiheän kvarkkiaineen muodostamiseen vaadittavia, monta kertaa ydinaineen saturaatiotiheyden 0.16 baryonia/fm3 ylittäviä tiheyksiä voidaan nimittäin saavuttaa hyvin mielenkiintoisessa paikassa: supernovaräjähdysten myötä muodostuneiden neutronitähtien sisällä.

Taiteilijan näkemys neutronitähden rakenteesta. Tähden keskellä näkyvä punainen pallo kuvaa kvarkkiaineesta koostuvaa ydintä, jonka säde voi olla jopa puolet koko tähden säteestä. (Jyrki Hokkanen, CSC)

Kvarkkiaineen mahdollista olemassaoloa neutronitähtien ytimissä on pohdittu jo useiden vuosikymmenten ajan, mutta selkeää ”savuavaa asetta” kvarkkiytimien olemassaololle ei lukuisista yrityksistä huolimatta ole löydetty. Tehtävän vaikeus on helppo ymmärtää, kun muistetaan neutronitähtien olevan meistä vähintään satojen valovuosien päässä sijaitsevia, läpimitaltaan pääkaupunkiseudun kokoisia äärimmäisen tiheitä palloja. Toivoa herättää kuitenkin se, että neutronitähtipopulaation kaikkein perustavanlaatuisimmalla ominaisuudella – niiden massojen ja säteiden muodostamalla ns. MR-käyrällä – on yksikäsitteinen vastaavuus neutronitähtiaineen tilanyhtälön kanssa. Jos pystymme määrittämään tarkan MR-käyrän, saamme siis sivutuotteena tietää, miten tiheän QCD-aineen paine riippuu systeemin tiheydestä.

Aivan viime vuosina neutronitähtiaineen tutkimuksessa on tehty useita merkittäviä edistysaskeleita. Havaintopuolelta mainittakoon entistä tarkemmat sädemittaukset, useammat yli kahden auringon massan neutronitähtien olemassaoloon viittaavat havainnot, sekä ensi kertaa elokuussa 2017 havaittu kahden neutronitähden törmäyksestä lähtöisin ollut gravitaatioaaltosignaali, joka antoi osviittaa siitä, kuinka paljon toisiaan kiertävien tähtien muoto muuttuu ennen varsinaista yhteentörmäystä. Teoriapuolella on puolestaan tehty lukuisia edistysaskeleita – merkittäviltä osin suomalaisvoimin (ks. esim. [1])  – kylmän ja tiheän ydin- ja kvarkkiaineen termodynaamisten ominaisuuksien selvittämisessä. Työsarkaa kuitenkin riittää, sillä hiukkas- ja ydinfysiikan kannalta kaikkein monimutkaisin tiheysalue juuri ydin- ja kvarkkiaineen välisen faasitransition lähellä on vielä pitkälti hämärän peitossa.

Perinteisesti neutronitähtiaineen ominaisuuksia on ennustettu erilaisilla fenomenologisilla ydinfysiikan malleilla. Viimeisten vuosien aikana niille on kuitenkin ilmaantunut varsin erilaisista lähtökohdista ponnistava suomalaishaastaja. Yhdessä Aleksi Kurkelan (CERN ja Stavangerin yliopisto) sekä muiden yhteistyökumppaniemme kanssa olemme nimittäin osoittaneet, että interpoloimalla neutronitähtiaineen tilanyhtälöä matalan ja korkean tiheyden tunnettujen rajojen välillä on mahdollista johtaa sille hyvin rajattuja ja täysin malliriippumattomia ennusteita [2]. Hyvin pian ensimmäisten gravitaatioaaltomittausten raportoimisen jälkeen johdimme yhdessä Eemeli Annalan ja Tyler Gordan kanssa – molemmat silloin Helsingin yliopiston tutkijoita – siihen asti tarkimman malliriippumattoman ennusteen tilanyhtälölle, josta sittemmin muodostui standardireferenssi kyseiselle suureelle [3]. Hivenen myöhemmin ymmärsimme lähestymistapamme kykenevän muuhunkin: oikein sovellettuna se antaa mahdollisuuden johtaa erittäin hyödyllisiä rajoja monille neutronitähtiaineen ominaisuuksille aina äänen nopeudesta lähtien. Aivan erityisesti voimme esittää seuraavan kysymyksen: muistuttaako aine neutronitähtien keskustassa ominaisuuksiltaan enemmän ydin- vai kvarkkiainetta? Vastausta kysymykseen lähdimme etsimään yhteistyössä Joonas Nättilän (Columbian yliopisto) kanssa, jonka erikoisalaa ovat neutronitähtien sädemittaukset.

Neutronitähtitutkijat Aleksi Kurkela sekä Vuorinen kylmän ja melko tiheän aineen keskellä Seattlen lähellä keväällä 2012.

Projektimme lopputulos julkaistiin aivan hiljattain Nature Physics –lehdessä [4]: löysimme vahvaa näyttöä sille, että ainakin kaikkein massiivisimpien neutronitähtien ytimistä todella löytyy kvarkkiainetta. Käymällä läpi n. puoli miljoonaa satunnaisesti generoitua tilanyhtälöä ja poistamalla joukosta havaintoihin yhteensopimattomat yksilöt näimme, että mahdollisten tilanyhtälöiden joukosta lähes kaikki ennustavat massiivisten neutronitähtien ytimien käyttäytyvän kvarkkiaineen tavoin. Tämän lisäksi pystyimme rajaamaan tilanyhtälön käytöksen hyvin tarkkaan siinä tapauksessa, että kvarkkiainetta ei löydy lainkaan: äänen nopeuden täytyy tällöin saavuttaa ydinaineessa lähes valonnopeuden arvo, ja faasitransition ydin- ja kvarkkiaineen välillä tulee olla vahvasti ensimmäistä kertaluokkaa.

Erityisen mielenkiintoinen tilanne syntyy silloin, jos oletetaan, ettei äänen nopeus tiheässä QCD-aineessa milloinkaan ylitä ultrarelativistisen kaasun arvoa c/√3, jota sen tiedetään hyvin korkeilla tiheyksillä lähestyvän alapuolelta. Tällöin neutronitähtien kvarkkiytimet ovat nimittäin todella kookkaita, ja niiden säteet voivat parhaassa tapauksessa kattaa jopa puolet koko tähdestä. Koska äänen nopeus jää tämän rajan alle kaikissa tunnetuissa fysikaalisissa systeemeissä – mukaanlukien kuuma kvarkkigluoniplasma – on houkuttelevaa spekuloida sillä ajatuksella, että luonto käyttäytyy näin myös korkeiden tiheyksien rajalla. Tällöin tuloksistamme seuraa, että deconfinement-faasitransitio on hyvin suurella todennäköisyydellä vain pehmeä ”crossover”, eikä QCD:n faasidiagrammasta tarvitse lainkaan löytyä ns. kriittistä pistettä.

Kvarkkiydinten olemassaolon varmistuminen olisi valtavan iso edistysaskel neutronitähtien tutkimukselle, ja toisaalta kaikki tiheän QCD-aineen käytöstä rajaavat havainnot kullanarvoisia vahvan ydinvoiman fyysiikalle. Koska interpolaatiomenetelmällä johdetut tulokset tarkentuvat automaattisesti uusien teoreettisten tai kokeellisten tulosten ilmaantuessa, on odotettavissa, että jo lähivuodet tulevat antamaan osviittaa siitä, saavatko uudessa artikkelissamme esitetyt havainnot vahvistusta. Aivan erityisesti meitä kiinnostaa nähdä, pitääkö tekemämme otaksuma äänen nopeuden käytöksestä paikkansa. Paljon on siis pelissä, ja olo vähän kuin Anders Tegnellillä juuri ennen vasta-ainetestien valmistumista: kunpa luonto toimisi meidän ennustamallamme tavalla!

Aleksi Vuorinen
Apulaisprofessori, Projektipäällikkö, Suurenergiafenomelogia (High Energy Phenomenology in the LHC era)
Fysiikan osasto ja Fysiikan tutkimuslaitos (linkkejä asiaan liittyvään uutisointiin)

[1] T. Gorda, A. Kurkela, P. Romatschke, S. Säppi, A. Vuorinen, ”Next-to-Next-to-Next-to-Leading Order Pressure of Cold Quark Matter: Leading Logarithm”, Physical Review Letters 121 (2018) 20, 202701. https://arxiv.org/abs/1807.04120

[2] A. Kurkela, E. Fraga, J. Schaffner-Bielich, A. Vuorinen, ”Constraining neutron star matter with Quantum Chromodynamics”, Astrophysical Journal 789 (2014) 127 https://arxiv.org/abs/1402.6618

[3] E. Annala, T. Gorda, A. Kurkela, A. Vuorinen, ”Gravitational-wave constraints on the neutron-star-matter Equation of State”, Physical Review Letters 120 (2018) 17, 172703 https://arxiv.org/abs/1711.02644

[4] E. Annala, T. Gorda, A. Kurkela, J. Nättilä, A. Vuorinen, ”Evidence for quark-matter cores in massive neutron stars”, Nature Physics (2020)

Materials for future particle colliders

Discovery of the Higgs particles in 2012 became possible because of the tremendous international collaborative effort of a large group of high-energy particle and accelerator physicists and engineers, who enabled the construction of the unprecedentedly powerful 13 TeV Large Hadron Collider, LHC. Yet, not all the mysteries of the Universe were unrevealed by this unique machine.  What is the nature of the dark matter? Why does matter prevail over antimatter? What are the neutrino masses? Answering all these questions requires pushing the energy frontiers even further, beyond the current limits. Scientists are looking for alternative solutions, proposing new design studies covering different energy ranges for new discoveries. 

One of the design studies at CERN for more precise and accurate study of Higgs particles is the new Compact Linear Collider. The concept of CLIC is a TeV-scale high-luminosity linear electron-positron collider that is aimed to be built in stages, at center-of-mass energies 380 GeV, 1.5 TeV and 3 TeV. CLIC uses a novel two-beam acceleration scheme, in which 12 GHz accelerating structures are powered via a high-current drive beam. The development of this technology benefits many other fields based on use of particle accelerators. Among these are medical accelerators for cancer treatment and free electron lasers. The efforts of many international experts in different fields, including the group of Materials scientists at HIP, have resulted in a thorough optimization of CLIC accelerators, increasing energy efficiency for the 380 GeV stage and significant cost reduction that is estimated at the level of 6 billion CHF. A wide range of CLIC physics studies demonstrated the full CLIC physics potential. It was shown that each of the three energy stages build up the knowledge step-wise. It will be possible to measure Higgs width and couplings, top-quark properties, Higgs self-coupling, direct searches etc. The projected start of the tunnel construction in 2026 may enable the first beams by 2035.

The European Strategy for Particle Physics of 2013 (CERN Council, European Strategy Session of Council, 30 May 2013, CERN-Council-S/106 (2013)) states:  “CERN should undertake design studies for accelerator projects in a global context, with emphasis on proton-proton and electron-positron high-energy frontier machines. These design studies should be coupled to a vigorous accelerator R&D programme, including high-field magnets and high-gradient accelerating structures, in collaboration with national institutes, laboratories and universities worldwide.” In response to this, a Future Circular Collider (FCC) study was launched at CERN.  This project aims to build a large collider of 80 to 100 km in circumference (for comparison, the circumference of LHC is “only” 27 km).


International team, working together to decipher the mechanisms of vacuum arcing, includes the groups from CERN, HIP, Hebrew University of Jerusalem and University of Uppsala. In the background, the artistic vision of CLIC built under the Jura Mountains near CERN.

The physics opportunities within FCC include electron-positron (FCC-ee), proton-proton (FCC-hh), electron-proton (FCC-eh) and heavy ion programmes. It will cover the studies of electroweak, Higgs and strong interactions, the top quark and flavor as well as search for phenomena beyond the Standard Model. The same infrastructure (including building of an expensive tunnel) can be used for different FCC programmes. The first programme, FCC-ee is a high precision instrument to study the Z, W, Higgs and top particles, operating at multiple center-of-mass energies, from 91 GeV to 365 GeV. The FCC-hh will reach 100 TeV center-of-mass energy for proton-proton collision and 39 TeV for Pb-Pb collision. Optionally, the FCC-eh will generate the 50 TeV proton beam to collide with the 60 GeV electrons.

All this impressive physics is not possible without the expertise of the people from many different fields involved in the building of the ambitious machines. Rather unexpectedly, materials physics happened to be in the core of the cost-efficiency of the construction. One of the largest part of the construction costs is the accelerating structures, which are electromagnetic waveguides made of industrial Cu. However, these are needed in a quantity that can match the length of a multi-km accelerator! The accelerating structures of the μm precision geometry are designed to face unprecedented high-gradient electromagnetic waves to carry bunches of GeV or even TeV accelerated particles. It is important to minimize the failure probability of these structures, while push the value of the fields as high as possible. One of the most mysterious phenomena known as vacuum arcing sets physical limits on how high electric fields at a metal surface can be raised. Understanding the cause of this phenomenon can push the working limits higher up, improving the performance of the acceleration, while reducing the costs and possible failure routes. The theoretical model incorporating multiphysics processes on multi- length and time scales, which we develop at HIP, aims to decipher the complex phenomenon, helping to set up a control over the detrimental and wasteful power consumption source.

Long-established expertise in the physics of radiation effects at the Accelerator Laboratory of the University of Helsinki places the group also in the right position to deal with the problems of high flux proton and heavy ion irradiation on materials of beam facing components for future FCC accelerators. On the other hand, huge superconducting magnets build all around the FCC circumference require a very thorough analysis of the quality of the superconducting films. Here again, the Helsinki Accelerator Laboratory is able to offer the unique opportunity of positron annihilation measurements combined with the theoretical modelling of the thin film growth. Joining efforts with the accelerator physicists and engineers, the materials scientists can help to expand the frontiers of high-energy physics beyond the imagined!

Flyura Djurabekova
Prof. in Materials in Extreme Environments
Department of Physics and HIP, University of Helsinki

Corona considerations

      No Comments on Corona considerations

Greetings from inside the closed borders of the Uusimaa region in southern Finland!

We are living in exceptional times all around the world due to the coronavirus pandemic. The travel restrictions between and within countries severely affect our highly mobile research community. The Helsinki Institute of Physics member universities have closed their premises and CERN is practically in total lockdown. The borders of Uusimaa region in southern Finland are closed; there are heavy restrictions on peoples’ movement and gatherings all over Europe. We are not meeting in each other’s offices; we are not visiting anybody or anywhere. Experimental activities are largely on hold. All this would have been unthinkable just a short while ago.

Still, the world goes on and the Earth keeps revolving. The universities continue operating; teaching continues; we are receiving our salaries, as there are no mass layoffs or furloughs in the research sector; universities have not generally suspended recruitments but open and advertise positions normally. Research funding agencies grant extensions to the funding periods; universities extend the expiration dates of old studies along with other deadlines; meetings are taking place and decisions are being made; research continues – not all experiments are on hold.

Everyone working at home is challenge to us all. How do we know and decide what to do, especially if many of our usual tasks are impossible remotely? How do we succeed in switching to remote teaching? How do we lead a research group or project when parts of our plans are impossible to follow? How do we keep up and know what other people are doing. How do we ensure that people have meaningful work to do remotely? How do we support our colleagues and students?

The working environment at home is not necessarily ideal. The small kitchen table may not be suitable for large computer screens and the wooden chair may start to strain. It may get crowded with the whole family at home all day. On the other hand, some of us may feel extremely lonely; missing family far away in another country; worrying about loved ones and their health; missing friends and work community. It is all too easy to become gloomy; in fact, it would be strange to feel completely normal all the time now.

However, it is not all despair and misery. Time of crisis often stops us to think about our lives. We may re-discover the importance of our family, friends, and colleagues. We may appreciate the extra time spent with our families. We may start calling and contacting old friends, parents, and siblings more often. We may find it refreshing and productive to work in isolation without the daily distractions of office. With travel and many other things disappearing from our calendars we may find more time for work – and free time. We may find more time to think and plan our work, perhaps further and deeper than before. We may even finally learn that new skill or tool.

We are learning and forced to adopt new ways of doing things. We routinely have remote Zoom, or similar, meetings. We have virtual coffee breaks. We have virtual group meetings and all kinds of virtual informal gatherings. Some of us even have virtual dinners and get-togethers with our friends. Many seminar series continue in a remote mode, as researchers still want to talk about their work and ideas.

We will have to endure for a while, but eventually we will come through. The new world may be a bit different from what it was before. Our way of working may change. Perhaps we realize that the occasional remote work we never bothered to try, or were not encouraged to, is actually an excellent idea and increases productivity. Perhaps we start to reconsider travelling. Meeting face-to-face is sometimes indispensable and often beneficial, but is it always necessary and without an option. Especially for a distributed organization such as Helsinki Institute of Physics, this is a time for opportunities as well. We have surpassed geographical boundaries and suddenly our faraway colleague is as near as our office neighbor. We may want to keep something from these times.

Eventually we will come through. In the meantime, let us all take care of our own wellbeing. Be compassionate to yourself if you are not outperforming yourself. Do not forget the ergonomics at home. No matter where you are, the best working position is always the next one. Take breaks, shift positions, move. Let us also look after our colleagues and students, ask how they are doing, organize virtual gatherings.

Not many things remind us of new beginnings and brighter times ahead as well as the spring. I encourage you all to try and find joy and optimism by observing nature – and not only at the subatomic or cosmological scales. See how nature starts to blossom and fill with life, how trees, bushes and ground are turning green, and hear the birds singing.


Keep well and in good spirits! See you soon.

Antti Väihkönen
Research Coordinator
Vice Director, Helsinki Institute of Physics

 

Some useful links with information regarding the corona situation:

https://www.helsinki.fi/en/news/coronavirus-situation-at-the-university-of-helsinki

https://www.aalto.fi/en/aalto-university/information-on-coronavirus

https://www.jyu.fi/en/current/coronavirus-instructions/coronavirus-instructions

https://www.tuni.fi/en/news/latest-updates-on-the-coronavirus

https://www.lut.fi/web/en/news/-/asset_publisher/lGh4SAywhcPu/content/current-coronavirus-instructions-and-recommendations-at-lut-university

https://hse.cern/news-article/coronavirus-information-measures-and-recommendations

https://thl.fi/en/web/infectious-diseases/what-s-new/coronavirus-covid-19-latest-updates

Keskikokoisten tähtien kohtaloon uutta tietoa beetahajoamiskokeesta Jyväskylässä

Tähtien elinkaari riippuu niiden koosta. Auringon kokoiset pienehköt tähdet päätyvät lopulta valkoisiksi kääpiöiksi. Massiiviset tähdet (M ≳ 10MAurinko) räjähtävät näyttävänä supernovana jättäen jälkeensä neutronitähden tai raskaimmissa tapauksissa mustan aukon. Väliin jäävien keskikokoisten tähtien (M ≈ 7 − 11MAurinko) kohtalo on kuitenkin pitkään ollut epäselvä. Tämä on yllättävää, sillä keskikokoiset tähdet ovat hyvin yleisiä. Niitä syntyy ja kuolee yhtä paljon kuin kaikkia niitä massiivisempia tähtiä yhteensä. Jyväskylän yliopiston kiihdytinlaboratoriossa äskettäin tehdyllä fluori-20 isotoopin beetahajoamista tutkivalla kokeella saatiin olennaista tietoa keskikokoisten tähtien evoluution mallintamiselle [1,2].

Keskikokoisten tähtien loppuvaiheessa niiden sisin osa koostuu happi-neon tai happi-neon-magnesium seoksesta. Sisuksen korkeassa lämpötilassa (T = 108 K–1010 K) ja tiheydessä (ρ = 108–1010 g cm-3) atomit ovat täysin ionisoituneita. Ytimillä ei ole enää elektroniverhoa vaan elektronit muodostavat relativistisen Fermikaasun. Koska Paulin kieltosäännön mukaan kahdella tai useammalla elektronilla ei voi olla sama kvanttitila yhtä aikaa, tuottaa tämä niin sanottu degeneroitunut elektronikaasu paineen, joka vastustaa painovoimaa ja tähden luhistumista. Tämän paineen ja keskikokoisten tähtien kehityksen kannalta on olennaista, kuinka nopeasti sisuksessa runsaimmin esiintyvät ytimet, neon-20 ja magnesium-24 sieppaavat elektroneja. Elektronisieppaus on heikon vuorovaikutuksen prosessi, jossa atomin ydin sieppaa elektronin, ytimessä oleva protoni muuttuu neutroniksi ja samalla emittoituu elektronin neutriino. Se on siis käänteinen reaktio β -hajoamiselle, jossa ytimen neutroni muuttuu protoniksi ja samalla emittoituu elektroni sekä elektronin antineutriino.

Elektronisieppaukset vaikuttavat monella tapaa tähden kehitykseen. Ne vähentävät elektronien lukumäärää ja niistä johtuvaa painetta tehden supernovaräjähdyksen todennäköisemmäksi. Tällaiseksi elekronisieppaussupernovaksi on ehdotettu muun muassa vuoden 1054 supernovaa, jonka jäänne on Rapusumu. Elektronisieppaukset muuttavat myös ainetta neutronipitoisemmaksi vaikuttaen suoraan sen koostumukseen. Ehkä kaikkein tärkein vaikutus elektronisieppauksilla on kuitenkin tähden lämpötilaan. Elektronisieppaukset voivat viilentää tähteä esimerkiksi niin sanotulla Urca-prosessilla, jolla on merkittävä rooli esimerkiksi neutronitähdissä. Elektronisieppaukset voivat myös tuottaa lämpöä. Näin tapahtuu juuri neon-20 isotoopin tapauksessa keskikokoisten tähtien sisuksessa. Elektronisieppauksen myötä neon-20 isotoopista tulee fluori-20 isotooppi, joka edelleen sieppaa elektronin. Tämä johtaa happi-20 isotoopin viritystilalle, jonka energia purkautuu gammasäteilynä ja tähden sisus lämpenee. Kun lämpötila kasvaa riittävän isoksi, happi alkaa fuusioitumaan, minkä seurauksena lämpömäärä lisääntyy hallitsemattomasti. Tähti räjähtää joko kokonaan tai osittain jättäen jälkeensä kääpiötähden.

Tähden kohtalon kannalta on olennaista, ehtivätkö elektronisieppaukset kuumentaa tähden sisusta ja johtaa räjähdykseen ennen kuin tiheys ylittää kriittisen pisteen. Jos kriittinen tiheys ylitetään ennen kuumenemisesta johtuvaa räjähdystä, tähden kohtalona on supernova ja neutronitähti. Tässä vaa’ankielen asemassa on neon-20 isotoopin perustilalta fuori-20 isotoopin perustilalle tapahtuva elektronisieppaus. Se on erittäin harvinainen niin sanottu kaksinkertaisesti kielletty siirtymä, mutta se tapahtuu jo alemmissa lämpötiloissa kuin sallitut siirtymät viritystiloille. Perustilalta perustilalle tapahtuva siirtymä voi tuottaa juuri sen tarvittavan lisäenergian, joka riittää syöksemään tähden kohti hallitsematonta lämmöstä johtuvaa räjähdystä.

Jyväskylän yliopiston kiihdytinlaboratoriossa tehdyn kokeen avulla voitiin ensimmäistä kertaa kokeellisesti määrittää neon-20 perustilalta fluori-20 perustilalle tapahtuvan elektronisieppauksen nopeus. Tämä oli viimeinen puuttuva palanen, joka tarvittiin keskikokoisten tähtien sisuksessa tapahtuvien elektronisieppausten määrittämiseen. Mittauksessa tutkittiin käänteistä siirtymää eli fluori-20 isotoopin perustilan β -hajoamista neon-20 isotoopin perustilalle. Radioaktiiviset fluori-20 isotoopit tuotettiin K130-syklotronin kiihdyttämällä 9 MeV:n deuteronisuihkulla, joka osui bariumfluoridi-kohtioon IGISOL (Ion Guide Isotope Separator On-Line) -laitteistolla. Tuotettu fluori-20 ionisuihku ohjattiin mittauspisteeseen, jossa se pysäytettiin ohueen hiilikalvoon.

β -hajoamisessa vapautuva energia jakautuu emittoituvan elektronin ja sen antineutriinon kesken. Tuloksena on jatkuva elektronispektri, jonka päätepisteen energia vastaa hajoamisessa vapautuvaa kokonaisenergiaa. Haasteena fluori-20 isotoopin perustilalta perustilalle tapahtuvan beetahajoamisen tutkimisessa on se, että noin 99,99% hajoamisista tapahtuu neon-20 isotoopin ensimmäiselle viritystilalle, joka välittömästi purkautuu 1.6 MeV gammasäteenä. Koska tämä siirtymä dominoi beetaspektriä sen päätepiste-energiaan (5.4 MeV) asti, täytyy perustilalta perustilalle tapahtuvan siirtymän voimakkuuden määrittämiseksi tutkia sitä osaa spektristä, joka sijoittuu sen yläpuolelle (5.4-7.0 MeV). Tämä tehtiin käyttäen uudelleen kunnostettua magneettista elektronispektrometriä, jota oli 1980-luvun lopulla käytetty ahkerasti elektronispektrien mittaamiseen Jyväskylässä. Spektrometrin magneettikenttää säätämällä valittiin ja ohjattiin vain kaikkein energeettisimmät elektronit kauempana olevalle muoviselle tuikeilmaisimelle, jolla fluori-20:n beetaspektrin loppuosa mitattiin.

Mittaus osoitti, että fluori-20:n perustilalta neon-20:n perustilalle tapahtuva siirtymä on odotettua voimakkaampi. Sen voimakkuutta kuvaava log ft-arvo, 10.89(11), on yksi suurimmista mitatuista arvoista tällaiselle erittäin harvinaiselle beetasiirtymälle 2+ ja 0+ tilojen välillä. Voimakas siirtymä lisää elektronisieppausten todennäköisyyttä useilla kertaluvuilla. Tällä on ratkaiseva vaikutus keskikokoisen tähden kehitykselle. Koska elektronisieppaukset tapahtuvat helpommin, lisää se lämmöntuottoa ja todennäköisyyttä sille, että tähti räjähtää joko kokonaan tai osittain jättäen jälkeensä happea, neonia ja rautaa sisältävän kääpiötähden ja himmeän tyypin Ia supernovan. Romahtaminen neutronitähdeksi ei siis vaikuta enää niin todennäköiseltä vaihtoehdolta.

Tuloksella on merkitystä myös räjähdyksessä tuotettujen alkuaineiden määrille. Räjähdyksessä ympäristöön levinnyt materiaali sisältää paljon muun muassa titaani-50, kromi-54 ja rauta-60 isotooppeja. Lähellä tapahtunut keskikokoisen tähden räjähdys voisi siten selittää esimerkiksi havaitut poikkeavat titaani- ja kromi-isotooppien suhteet joissain meteoriiteissa, tai rauta-60 isotoopin alkuperän syvien merien pohjasedimenteissä. Räjähdysmekanismin tarkempi ymmärtäminen vaatii vielä yksityiskohtaisempia mallinnuksia tähdessä tapahtuvasta konvektiosta eli lämmönvirtauksesta. Se on kuitenkin astrofyysikoiden tehtävä, ydinfyysikot ovat nyt hoitaneet oman osuutensa tässä asiassa!

Kokeessa käytetty elektronispektrometri IGISOL-hallissa Jyväskylän yliopiston kiihdytinlaboratoriossa. Kuvassa vasemmalta lukien Oliver Kirsebom, Marjut Hukkanen, Anu Kankainen, Cobus Swartz ja Wladek Trzaska. (Kuva Wladek Trzaska)

Anu Kankainen, apulaisprofessori, Jyväskylän yliopisto

Lähteet:
[1] O. Kirsebom et al., Physical Review Letters 123, 262701 (2019).
https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.123.262701 ;
Open Access: http://urn.fi/URN:NBN:fi:jyu-202001201323

[2] O. Kirsebom et al., Physical Review C 100, 065805 (2019).
https://doi.org/10.1103/PhysRevC.100.065805
Open Access: http://urn.fi/URN:NBN:fi:jyu-202001201304

HIP and CompactLight

      No Comments on HIP and CompactLight

The European project CompactLight (XLS) (http://www.compactlight.eu) is about to enter its third and last year of funding. We intend to design a hard X-ray Free-Electron-Laser (FEL) facility beyond today’s state of the art, using the latest concepts for bright electron photo injectors, very high-gradient X-band structures at 12 GHz, and innovative compact short-period undulators. If compared to existing facilities, the proposed facility will benefit from a lower electron beam energy, due to the enhanced undulator performance, be significantly more compact, as a consequence both of the lower energy and of the high-gradient X-band structures, have a much lower electrical power demand and a smaller footprint. More info about FELs in general can be found at https://en.wikipedia.org/wiki/Free-electron_laser

CompactLight gathers the world-leading experts in these domains, united to achieve two objectives: disseminate X-band technology as a new standard for accelerator-based facilities and advance undulators to the next generation of compact photon sources, with the aim of facilitating the widespread development of X-ray FEL facilities across and beyond Europe by making them more affordable to build and to operate.

We as HIP, and more specifically, the Accelerator Technology project, contribute with the Integration efforts of the linac. We look at the specific subsystems on which no explicit work is attributed and harmonize those with the various ongoing tasks in the linac. Additionally, we contribute to the overall coordination of data and reporting infrastructure as well as outreach.

Last June HIP hosted the second annual review of the entire project and welcomed almost 60 participants in the hotel Rantapuisto close to Helsinki https://indico.cern.ch/event/804400/. The workshop triggered a lot of constructive discussions and the project checked off multiple milestones. We as hosts were happy about the exclusively positive feedback about the overall experience and the beauty of Finland which the participants were able to enjoy during a cruise dinner and a guided tour of Suomenlinna.


Figure 1: participants of second annual review of CompactLight in hotel Rantapuisto (Helsinki) organized by HIP

Markus Aicheler
CERN – CLIC study / HIP – Accelerator Technology
www.hip.fi/acctech

Summer jobs at CERN/ESRF and CERN Bootcamp

      No Comments on Summer jobs at CERN/ESRF and CERN Bootcamp

Visit CERN or ESRF in summer 2020? Have a look the three-month summer job positions at CERN or ESRF, and also the one-week intensive course CERN Bootcamp (5 ECTS at UH, students of all fields welcome!).

Apply for the summer job positions at latest on January 31, and for the CERN Bootcamp at latest on February 9, 2020.

More information: www.hip.fi/summies .

CERN also arranges visit for people who are just dropping by: https://visit.cern/tours/guided-tours-individuals .

How to engage the brightest talents in science

I have just finished yet another course at the university. Well ok, it is about 15 years if I recall correctly since obtaining previous credits and this time I did not have much to say whether to do the university pedagogy course or not. Expectations were not that high after hearing comments about previous courses and the lectures taking place amid a hectic work period. The pedagogy course I completed was enlightening. I did not only learn about different teaching techniques, theories, assessment methods, importance of feedback, self-reflection etc., but thanks to participants from different faculties I also got a glimpse of how teaching is conducted elsewhere in the university.

Until very recently, and apart from random lectures and supervision of students, I had not been involved in teaching nor witnessed how it has developed. Teaching has taken big steps since I graduated. The digital revolution was just around the corner, but still lectures typically involved chalk, blackboard and lots of copying. Behavioristic teaching methods ruled the lecturing scene and the same lecture notes were rotated time and again.  

Benefits from digitalization have been discussed a lot and without a doubt they are plenty. However, digitalization can also distract learning processes. Information is easily available on demand, ask Google for example. Mobile devices seem to be difficult to be set aside for lectures, in particular for diginatives. One should not only focus on opportunities made possible by digitalization, but also continuously develop other aspects of teaching. The concept of Primetime learning developed by Pekka Koskinen and colleagues [1], physicist of course, works as a prime example where new teaching techniques meet potential of modern technology.

University teaching is based on research. While research is a mission for many of us, teaching is too often a mandatory assignment. Thus it is not surprising if lecturers do not always throw themselves into their teaching duties. That is unfortunate and shortsighted. Lecturers should take teaching seriously and make sure that students’ motivations remain high. This is increasingly important, especially in physics and natural sciences in general where the number of applicants per year have not taken off. Fortunately, university researchers are characteristically ambitious and willing to perform good lectures. In ideal case, lecturers are the leading experts in the field they are teaching. But it is also the task of grammar and high schools to make sure the level of education remains high. The PISA results obtained in Finland over the last decade are of concern [2]. At the same time, it is our responsibility for taxpayers to present and explain our own research in clear and understandable manner.

Physics was, and from what I have learned from current students it still is, more laborious than most of the other subjects. Nevertheless, we have to push the graduate students through their masters within the same time frame as other subjects do. The same applies for post-graduate studies. Our challenges are clear, how to attract the best talents and the most motivated students not only to choose physics, but to graduate as well. Regardless to say, but if the target number of master thesis per year is higher than the number of accepted students, the challenge is immense, one might even consider it impossible.

The traditional lecturing still has its place in the university. All the new teaching platforms, methods and environments are meaningless without a competent and enthusiastic teacher. I would not have chosen academic career and experimental nuclear physics if I hadn’t had inspiring lecturers. My bread comes from fundamental research and everyday I learn new things as if I was still at school. When my time comes to teach, I hope I can pass on the same passion and inspiration as my mentors did.

Engaging general public in science during Tutkijoiden yö in Jyväskylä.

Engaging general public in science during Tutkijoiden yö in Jyväskylä.

Janne Pakarinen
University researcher
HIP-ISOLDE project leader, University of Jyväskylä

[1] Basic Studies in University Pedagogy, University of Jyväskylä,
https://www.jyu.fi/edupsy/fi/yliopistopedagogiset-opinnot/ype_en

[2] P. Koskinen, J. Lämsä, J. Maunuksela,  R. Hämälainen and J. Viiri, Primetime learning: collaborative and technology-enhanced studying with genuine teacher presence, IJ STEM Ed 5, 20 (2018).
https://doi.org/10.1186/s40594-018-0113-8

[3] PISA 2018 results, https://www.oecd.org/pisa/publications/pisa-2018-results.htm

Higgsin bosonin sisaruksia jahtaamassa

      No Comments on Higgsin bosonin sisaruksia jahtaamassa

Hiukkasfysiikasta tohtoriksi lokakuussa 2019 väitellyt Santeri Laurila etsi väitöskirjassaan Higgsin bosonin sähkövarauksellisia sukulaishiukkasia LHC-hiukkastörmäyttimen datasta. Ennätyksellisen suuri törmäysenergia ja kehittyneet analyysimenetelmät mahdollistivat aiempaa paremman etsintätarkkuuden.

Vuonna 2012 Euroopan hiukkasfysiikan tutkimuskeskuksessa CERNissä tehtiin historiaa, kun tutkijat ilmoittivat havainneensa uuden alkeishiukkasen. Kyseessä oli Higgsin bosoni, jota oli etsitty lähes 50 vuotta. Uusien hiukkasten metsästäminen jatkuu CERNissä edelleen. Monet teoreettiset fyysikot ovat esittäneet, että Higgsin bosoneita voi olla useita erilaisia. Jo havaitulla Higgsin hiukkasella ei ole sähkövarausta, mutta monet teoriat sisältävät myös sen sukulaishiukkasia, joilla on negatiivinen sähkövaraus kuten elektronilla tai positiivinen varaus kuten protonilla.

Merkkejä näistä jo havaitun Higgsin bosonin sähkövarauksellisista “sisaruksista” etsitään maailman suurimmalla ja tehokkaimmalla hiukkastörmäyttimellä, Large Hadron Colliderilla (LHC). LHC-törmäyttimen avulla voimme tutkia luontoa energia-alueella, johon ihmiskunnalla ei ole koskaan aiemmin ollut pääsyä. Kun protoneja törmäytetään toisiinsa yhä suuremmilla liike-energioilla, todennköisyys Higgsin bosonien syntymiselle kasvaa. Tämä pätee myös sähkövarauksellisiin Higgsin bosoneihin, jos niitä on olemassa. Väitöskirjassani etsinkin sähkövarauksellisia Higgsin bosoneita ennätyksellisen suurienergisistä törmäyksistä.

Väitöstutkimukseni tulokset julkaistiin kansainvälisen CMS-kollaboraation yhteisenä artikkelina arvostetussa Journal of High Energy Physics -lehdessä kesällä 2019. Todisteita sähkövarauksellisten Higgsin bosonien olemassaolosta ei saatu, mutta tulokset jättävät tilaa mahdollisuudelle, että etsitty signaali nousisi näkyviin, kun tulevaisuudessa analysoidaan suurempi määrä dataa. Laadin väitöstutkimukseni osana kansainvälistä tutkijaryhmää, jossa oli Fysiikan tutkimuslaitoksen tutkijoiden lisäksi mukana fyysikoita mm. Massachusetts Institute of Technology -yliopistosta Yhdysvalloista, Kyprokselta ja Meksikosta.

Vuonna 2012 löydetty Higgsin hiukkanen oli niin kutsutun hiukkasfysiikan standardimallin viimeinen puuttuva palanen. Standardimallin ajatellaan olevan osa laajempaa, toistaiseksi tuntematonta teoriaa. Monet luonnokset tällaisesta teoriasta sisältävät sähkövarauksellisia Higgsin bosoneita, joten niiden löytyminen viitoittaisi tietä kohti laajempaa teoriaa.

Väitöskirjan tekeminen hiukkasfysiikasta on auttanut minua ymmärtämään, kuinka jännittävää aikaa elämme tieteen näkökulmasta: tiedämme luonnosta enemmän kuin koskaan ennen, ja samalla ymmärrämme kuinka vähän oikeastaan tiedämme. Edistyneen teknologian ja kansainvälisen yhteistyön ansiosta ihmiskunnalla on kuitenkin käsissään avaimet yhä laajempaan ymmärrykseen.

Energia muuttuu aineeksi

LHC-hiukkastörmäytin sijaitsee 27 kilometrin ympyrätunnelissa Geneven lähellä, Sveitsin ja Ranskan rajalla. LHC:ssa protoneita, eli vetyatomien ytimiä, kiihdytetään tyhjiöputkissa hyvin lähelle valonnopeutta. Vastakkaisiin suuntiin kulkevat protonisuihkut ohjataan törmäämään toisiinsa. Törmäyksessä vapautuvasta energiasta voi syntyä uusia hiukkasia, kuten Higgsin bosoneita. Tätä energian muuttumista massaksi kuvaa Einsteinin kuuluisa yhtälö E=mc2.

Suomalaiset tutkijat ovat mukana törmäyksiä mittaavassa CMS-kokeessa, jolla kerättiin myös väitöskirjassani käytetty data. CMS on kerrostalon kokoinen koelaitteisto, joka mittaa törmäyksissä syntyneiden hiukkasten aiheuttamia signaaleja. CMS-koe on kansainvälinen yhteistyöhanke, jossa on mukana olevat n. 3000 tutkijaa ja yli tuhat insinööriä työskentelevät 231 tutkimuslaitoksessa ympäri maailman. Fysiikan tutkimuslaitos koordinoi Suomen osallistumista CMS-kokeeseen.

Koneoppimisesta tehoa data-analyysiin

Väitöskirjassa analysoitu data kerättiin vuoden 2016 kokeissa. Sen jälkeen uutta dataa on kerätty kolminkertainen määrä. Uuden datan analysointi on parhaillaan käynnissä.

Samalla tutkimusryhmämme Helsingissä kehittää yhä tarkempia menetelmiä datan seulomiseen. Käytämme esimerkiksi uusimpia koneoppimismenetelmiä erottelemaan eri tyyppisiä törmäystapahtumia toisistaan. Viime vuosina kerätyssä datassa riittääkin analysoitavaa vielä pitkäksi aikaa, ja 2021 alkaen LHC:ssa törmäytetään protoneja todennäköisesti entistäkin suuremmalla energialla.

Fysiikan tutkimuslaitoksen tutkija Santeri Laurila taustallaan CMS-kokeen mittauslaitteistoa. CMS-koeasema sijaitsee LHC-hiukkastörmäyttimen tunnelissa CERNissä. Kuva: Juska Pekkanen.

Lisätietoja väittelijältä:
Alkeishiukkasfysiikan tutkija, FT Santeri Laurila, Helsingin yliopisto, 044 2630 995, santeri.laurila@helsinki.fi

Linkki väitöskirjaan: https://helda.helsinki.fi/handle/10138/305652
Linkki Journal of High Energy Physics -lehden artikkeliin: https://arxiv.org/abs/1903.04560

Santeri Laurila