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

Hyvinvoivat työyhteisöt tekevät hyvää tulosta!

Tieteenteko on mahtavaa! Työ on motivoivaa, monipuolista, mukaansa tempaavaa ja sillä on merkitystä. Toisaalta monenlaisia haasteitakin löytyy: Kireä kilpailu rahoituksesta kuormittaa ja epävarmuus työsuhteen jatkosta huolettaa tutkimusryhmien jäseniä. Yliopistoyhteisössä myös esiintyy seksuaalista häirintää ja epäasiallista kohtelua. Sisäinen viestintäkään ei aina toimi. Niinpä huomattavalla osalla meistä on ongelmia työssä jaksamisessa. Jopa puolet Fysiikan tutkimuslaitoksen (HIP) tieteentekijöistä ovat työhyvinvointikyselyissä kertoneet stressistä, työtä haittaavasta väsymyksestä työpäivän aikana ja ongelmista palautua rasituksesta vapaa-ajalla.

Tämä onneksi tiedostetaan koko ajan paremmin, ja HIPissä ja Kumpulan tiedekampuksella onkin viime vuosina kiinnitetty erityistä huomiota työhyvinvointiin ja sen kehittämiseen. Tunnustuksena tästä Helsingin yliopiston Maikki Friberg tasa-arvopalkinto 2019 myönnettiin Kumpulan kampukselle. Tärkeä tekijä on kampuksen joka osastolla toimiva oma työhyvinvointiryhmä. Myös Fysiikan osaston ja HIPin yhteinen työhyvinvointiryhmä pyrkii parantamaan tilannetta mm. järjestämällä erilaisia tilaisuuksia mukavan yhdessäolon ja virkistäytymisen merkeissä, keräämällä ja jakamalla tietoa työhyvinvointiin vaikuttavista asioista ja niiden parantamisesta.

Työhyvinvointiryhmien tärkeä tehtävä on toimia matalan kynnyksen yhteydenottokanavana. Monimuotoisissa ryhmissä on naisia ja miehiä, senioreja ja junioreja, professoreja ja opiskelijoita, montaa eri äidinkieltä puhuvia, tutkijoita ja muun henkilökunnan edustajia. Niinpä jokaiselle toivottavasti löytyy joku, jonka kanssa on helppoa tulla luottamuksella puhumaan mistä tahansa työhyvinvointiin liittyvästä mieltä painavasta asiasta. Fysiikan työhyvinvointiryhmän jäsenistä toiset ovat kokeneempia kuin toiset, mutta kaikki ovat ”tolkun ihmisiä”, jotka pystyvät tukemaan ihmistä hädässä ja tarvittaessa ohjaamaan eteenpäin ammattitaitoisen ja järeämmän avun piiriin.

Fysiikan tutkimuslaitoksella ja koko Kumpulan kampuksella sujuvan ja kunnioittavan yhdessäelon perusta on tuore menettelyohje, Code of Conduct. Tämä erinomainen työkalu määrittelee, miten käyttäytyä työyhteisössä ja miten edustaa yhteisöä ympäröivässä yhteiskunnassa. Ohjeistuksen avulla yliopiston arvot esitellään selkeinä ohjeina, joita jokainen pystyy noudattamaan ja joita jokaisen tulee noudattaa. Code of Conduct -menettelyohjeen avulla hyvinvointia kehitetään ennaltaehkäisevästi, positiivisesti ja aktiivisesti, jotta yhteisömme olisi kaikille mahdollisimman hyvä ja turvallinen paikka työskennellä, opiskella ja vierailla.

Fysiikan tutkimuslaitoksen työntekijät ovat myös aktiivisia yliopistoyhteisöllisessä tasa-arvo- ja monimuotoisuustyössä. Kumpulan kampuksella toimii mm. naisverkosto ja LGTB+ verkosto. Monet Kumpulan fyysikot ovat myös mukana Helsingin tutkijanaiset ry:n ja Suomen fyysikkoseuran naisjaoston toiminnassa. Lisäksi fysiikan osasto ja INAR (Institute for Atmospheric and Earth System Research) ovat aktiivisten työhyvinvointiryhmiensä kautta jäseninä EU:n GENERA verkostossa, jonka tavoitteena on tukea, koordinoida ja parantaa tasa-arvoa fysiikan tutkimusorganisaatioissa Euroopassa ja muualla maailmassa.

Kumpulan kampuksen uudesta menettelyohjeesta tiedotetaan kampuksella monin keinoin.

Muistakaamme, että hyvinvoiva työyhteisö ei ole vain virallisten työryhmien, vastuuhenkilöiden tai aktiivisten yhteisön jäsenten vastuulla. Meidän kaikkien tulee huolehtia yhteisestä hyvinvoinnista ja kohdella toinen toisiamme kunnioittavasti ja arvostavasti riippumatta erilaisista taustoistamme tai erilaisesta asemastamme. Hyvinvoivat yhteisöt tekevät parempaa tulosta!

Eija Tuominen

Looking inside spent nuclear fuel

      No Comments on Looking inside spent nuclear fuel

July 2019. After a hasty breakfast, scientists from STUK, IAEA and HIP (i.e. me), and a few observers from the European Commission, leave their hotels in Rauma at 6:30 to meet up at the Olkiluoto nuclear power plant at 7:00. After changing into white coveralls and shoes, with hard hat, safety glasses and dosimeters in place, we enter the spent fuel storage by 7:30. While Finland is in holiday mode, we early risers are testing novel instruments to look inside spent nuclear fuel.

Two measurement devices, one installed on top of the other, were lowered into the 15-meter deep pool on the first day of the 1-week measurement campaign. No air bubbles rose from inside the instruments during the lowering, a promising start. Measurements on fuel assemblies started on the 2nd day and continued uninterrupted for the rest of the week. Mind you, not around the clock as accelerator-based experiments: we were “kicked out” of the spent fuel storage by 16:00 every day. This provided plenty of time to discuss the results over dinner in sunny and hot Rauma.

Both neutrons and gamma rays were measured to provide a view of the inside of the spent fuel assembly. The Passive Gamma Emission Tomography (PGET) instrument[1,2] performs tomography using the gamma rays emitted in the radioactive decay of fission products. The most intense of these is the gamma ray from Cs-137. PGET provides two-dimensional cross-sectional images of the spent fuel, with the purpose of checking whether all fuel is in place as declared by the power plant operator. Additionally, the PGET instrument measures the total number of neutrons emitted, a signal also used to verify the operator’s declaration. The Passive Neutron Albedo Reactivity (PNAR) instrument measures neutron multiplication and thus the presence of fissile material inside an assembly[3,4].

Both devices are being developed in the context of nuclear safeguards, the international effort to deter the proliferation of nuclear weapons. Various technical measures are used to verify the declarations made by the signatories to the Treaty on the Non-Proliferation of Nuclear Weapons about their nuclear material and activities.

Since the 1980s, IAEA has developed PGET, in collaboration with some of its Member States including Finland[5]. HIP got involved in this work in 2015 as part of the FiDiPro NINS3 (Novel instrumentation for Nuclear Safety, Security and Safeguards) project. At the end of 2017, IAEA approved the PGET device for inspections. This however did not mean that the development of the device was over. The most urgent need was the development of novel tomographic image reconstruction and image analysis algorithms. With this in mind, a collaboration between HIP and the Department of Mathematics and Statistics of the University of Helsinki was initiated in early 2018. Most of the developing work was performed by MSc student Rasmus Backholm. Rasmus submitted the results to the IAEA Tomography reconstruction and analysis challenge, winning 2nd prize (challenge.iaea.org/news) !

The development of the PNAR device, the first operational one in the world, was initiated by STUK. The NINS3 project was heavily involved in the design by means of Monte Carlo simulations, while the HIP Detector Lab assisted in the construction of the prototype device that was tested successfully last July at Olkiluoto.

Both the PGET and PNAR instruments performed very well, gathering data on different types of spent fuel assemblies with varying properties. We’re all looking forward to the first results of the PNAR device, to see how closely the simulations resemble reality. The new PGET data, combined with measurements from 2017 and 2018, now form a comprehensive data set for the further development and optimization of image reconstruction and analysis algorithms. HIP is continuing the development of the PGET and PNAR methods in a collaboration with STUK. Over the next few years, this capability to look inside spent nuclear fuel will be implemented in the context of the geologic repository of spent nuclear fuel being completed at Olkiluoto (www.posiva.fi). And now and again, new measurement campaigns at spent fuel storage facilities will be organised.

A spent fuel assembly being lowered into the PGET + PNAR device. The device sits 15 meter underwater at the bottom of the spent fuel pool.
PGET measurements in progress. Gathered around the data acquisition and analysis computer are, from left to right, Pauli Peura (IAEA),Tapani Honkamaa (STUK) and Peter Dendooven (HIP).

Peter Dendooven

[1] T.White, M. Mayorov, A. Lebrun, P. Peura, T. Honkamaa, J. Dahlberg, J. Keubler, V. Ivanov, A. Turunen, Application of passive gamma emission tomography (PGET) for the verication of spent nuclear fuel, in Proc. INMM 59th Annu. Meeting, Baltimore, MD, USA, 2018.

[2]  C. Bélanger-Champagne, P. Peura, P. Eerola, T. Honkamaa, T. White, M. Mayorov, P. Dendooven, Effect of gamma-ray energy on image quality in passive gamma emission tomography of spent nuclear fuel, IEEE Trans. Nucl. Sci., 66 (2019), 487-496. doi.org/10.1109/TNS.2018.2881138

[3]  S.J. Tobin, P. Peura, C. Bélanger-Champagne, M. Moring, P. Dendooven, T. Honkamaa, Utility of including Passive Neutron Albedo Reactivity in an Integrated NDA system for encapsulation safeguards, ESARDA Bulletin 56 (2018) 12-18. https://esarda.jrc.ec.europa.eu/images/Bulletin/Files/B_2018_056.pdf

[4]  S.J. Tobin, P. Peura, C. Bélanger- Champagne, , M. Moring, P. Dendooven, T. Honkamaa, Measuring spent fuel assembly multiplication in borated water with a Passive Neutron Albedo Reactivity instrument, Nucl. Inst. Meth. Phys. Res., A 897 (2018) 32-37. https://doi.org/10.1016/j.nima.2018.04.044

[5] T. Honkamaa, F. Levai, A. Turunen, R. Berndt, S. Vaccaro, P. Schwalbach, A Prototype for passive gamma emission tomography, IAEA Safeguards Symposium (2014)
https://www.researchgate.net/profile/Stefano_Vaccaro/publication/271703328_A_Prototype_for_Passive_Gamma_Emission_Tomography/links/55c4711408aea2d9bdc1e6fa/A-Prototype-for-Passive-Gamma-Emission-Tomography.pdf

Physics research opens new collaboration opportunities for Finnish companies

Helsinki Institute of Physics is advancing the industrial collaboration and technology development in Finnish companies that seek to work in collaboration with CERN. The Institute’s Business Development Team has been actively supporting, in close collaboration with CERN and Business Finland, the launch of four new collaborative R&D&I initiatives moving forward in 2019.

The first project initiative concentrates in modeling how worldwide LHC computing grid data centers could contribute to sustainable computing infrastructure development by becoming more responsible energy citizens. Novel control analysis is conducted to map possibilities to participate in the emerging energy demand response markets, by for instance temporarily lowering the electricity used for cooling, ventilation and computing. Effort multiplied in global data center grid context, and the economic impact is considerable. However, beyond the economic aspects, this project led by Prof. Matti Vilkko from Tampere University seeks to contribute to the Sustainability in Science goals pioneered by Helsinki Institute of Physics, by paving the way for wider adoption of renewable energy production capacity in energy grids. For Finnish firms, the project offers unique partnering opportunities in the fields of HVAC, automation and data centre operations management.

The second project initiative develops Artificial Intelligence and robotics for Large Hadron Collider service and upgrade work. Assistant professors Roel Pieters and Esa Rahtu from Tampere University seek to advance remote inspection, measurement and handling operations in challenging industrial contexts, like the LHC tunnel at CERN. The project offers unique collaboration opportunities for companies working in robotics, automation and object recognition fields.

The third project launched concentrates on superconductors at LHC led by Dr. Tiina Salmi from Tampere University. This highly specialized technology field offers opportunities to superconductor technology development within Finnish advanced materials, cryogenics and software firms.

Last but not least, Dr. Markus Aicheler is currently seeking to ramp up an accelerator and detector materials & mechanics development project, which will offer world-class opportunities for Finnish firms developing new light weight composites, as well as innovative manufacturing and assembly methods.

The industrial collaboration strategy of the HIP Business Development Team includes ramping up research infrastructure centric business incubation services in collaboration with venture capital and business development professionals. The aim is to bring the R&D activities in the scope of the early phase business incubation in order to steer the project outcomes towards results that have strong commercialization potential. Another important activity of the HIP Business Development Team is to develop and improve training for students and professionals in working in the interface of businesses, research infrastructures and universities.

Business Finland Supported CERN R&D Collaboration Meeting @ CERN January 25th, 2019

We are keen to drive projects forward, always interested in new R&D and commercialization ideas, as well as new partnerships, please don’t hesitate to get in touch!

Pietari Kauttu & Harri Toivonen & Saku Mäkinen (@cern.ch)

Maailman tehokkainta mikroskooppia suunnittelemassa

Heinäkuun lopulla sataviisikymmentä fyysikkoa ympäri maailmaa kokoontui Pariisin latinalaiskortteleihin toiveikkaissa tunnelmissa. Ulkona kaupungilla mitattiin kaupungin kaikkien aikojen lämpötilaennätys. Sisälläkin tunnelma oli paitsi lämmin, myös innostunut ja toiveikas. Kokouksen aiheena oli suunniteltu uusi hiukkaskiihdytin EIC (Electron-Ion Collider), ja toiveikkuuden syynä hyvät uutiset siitä, että päätös sen rakentamisesta saatetaan tehdä jo lähikuukausien aikana. Nykyaikaiset hiukkaskokeet ovat niin suuria hankkeita, että niiden elinkaari alkuperäisestä ideasta suunniteluun, rakentamiseen ja pyörittäminen saattaa viedä lähes keskivertotutkijan ammatillisen uran verran. EIC-kiindytintäkin on suunniteltu jo toistakymmentä vuotta. Ajatus siitä että konkreettiseen rakennustyöhön päästäisiin muutaman vuoden kuluttua nosti tunnelman korkealle.

EICUG-kokous Pariisissa, 22.7.2019, alkuperäinen kuva.

Elektroni-ionikiihdytin koostuisi kahdesta erillisestä hiukkaskiihdyttimestä, joiden suihkut ohjattaisiin törmäämän toisiinsa ruurella energialla. Toisessa kiihdyttimessä liikkuisi elektroneja ja toisessa raskaita atomiytimiä tai polarisoituneita protoneja. Polarisaatio tarkoittaa tässä sitä että magneeteilla käännetään protonien spinit osoittamaan samaan suuntaan törmäyshetkellä. Vuorovaikutus elektronien ja ydinten tai protonien välillä tapahtuu fotonien, eli valon, välityksellä. Laitetta voikin kuvata maailman tehokkaimmaksi mikroskoopiksi, jolla pystyttäisiin näkemään ydinten ja protonien sisäinen rakenne tarkemmin kuin millään aikaisemmalla kokeella. Aiemmissa koejärjestelyissä ionien tai polarisoituneiden protonien tutkimiseen elektroneilla on käytetty vain elektronisuihkuja osumassa paikallaan olevaan kohtioon. Tällöin törmäyksen energia jää pienemmäksi, ja vastaavasti fotonin aallonpituus pidemmäksi eli mikroskoopin tarkkuus huonommaksi kuin EIC:ssä. Lähimmäksi ehkä asettuu Saksassa toiminut elektroneja ja protoneja törmäyttänyt HERA-kiihdytin, jonka energia oli hieman surempi kuin EIC:ssä. Kuitenkaan HERA:ssa ei kiihdytetty atomiytimiä eikä protonien spinejä kyetty hallitsemaan, ja törmäysten lukumäärän määräävä kiihdyttimen luminositeettikin jäi tuhansia kertoja pienemmäksi.

Tällä maailman tehokkaimmalla mikroskoopilla tarkoitus on siis ymmärtää paremmin tavallisen aineen, protonien, neutronien ja atomiydinten, pienemmistä alkeishiukkasista eli kvarkeista ja gluoneista koostuvaa rakennetta. Tutkimalla raskaita atomiytimiä EIC-kiihdyttimen energia ja tarkkuus riittäisi ensimmäistä kertaa tutkimaan tarkasti ns “saturaatioaluetta”, jossa ytimen gluonikenttä on niin suuri ettei gluoneja voida enää käsitellä erillisinä yksittäisinä hiukkasina. Polarisoituneiden protonien tutkiminen taas auttaisi ratkaisemaan protonin spinin arvoituksen: tiedämme kyllä mikä on protonin kokonaisspin, mutta ymmärrämme hyvin huonosti miten se koostuu yksittäisten kvarkkien ja gluonien spineistä ja niiden liikkeeseen liittyvästä pyörimismäärästä. Aikaisempia kiihdyttimiä suurempaa törmäysten luminositeettia taas tarvitaan, jotta mikroskoopilla saadaan protonista kolmiulotteinen kuva, eikä vain tämän yksiulotteinen projektio.

EIC-kiihdyttimen rakennuspaikaksi on ehdolla kaksi amerikkalaista laborotoriota. Toisessa, JLabissa, on jo elektronikiihdytin valmiina ja sen lisäksi täytyisi rakentaa protoni- ja ydinkiihdytin. Brookhavenissa taas on jo protoni- ja ydinkiihdytin, jonka seuraksi tarvittaisiin elektronikiihdytin. Molemmista versioista on jo olemassa tekniset suunnitelmat. Kunhan ministeriötasolla tehdään päätös kiihdyttimen rakentamisesta ylipäätään, joudutaan seuraavaksi valitsemaan näiden kahden sijainnin väliltä. Suomalaiset tutkijat ovat tämän alan, varsinkin elektroni-ydintörmäysten teoreettisessa tutkimuksessa eturivissä. Tätä kautta olen itsekin EIC-kokouksiin osallistunut, tällä kertaa kokouksen ohjelman joidenkin osien järjestelijänä kutsumassa puhujia ja luomassa tarjoituista puheista mielenkiintoista ohjelmaa. Olisi hienoa, jos myöskin kokeellisella puolella suomalaiset pääsisivät lähivuosina näihin kokeisiin mukaan!

CERN Courier-lehden 5-6/2019, kansikuvassa olevan protonin gluonikentän rakennetta kuvaavan simulaation on tehnyt Heikki Mäntysaari Jyväskylän yliopistosta. Linkki lehteen.

Tuomas Lappi

Ideointia ja innovointia – CERN Bootcamp 2019

Kesäkuun ensimmäisenä viikkona CERNin Ideasquare-rakennukseen kokoontui 20 opiskelijaa Helsingin seudun ammattikorkeakouluista ja Helsingin yliopistolta. Viikon tehtävänä oli etsiä ratkaisuja globaaleihin haasteisiin palvelumuotoilun menetelmien avulla. Kyseessä oli korkeakoulujen yhteisesti järjestämä CERN Bootcamp -intensiivikurssi, joka nyt järjestettiin toista kertaa.

Huhtikuussa opiskelijoille oli pidetty Kick Off -tapahtuma Laurea-ammattikorkeakoulun kampuksella Tikkurilassa. Tuolloin opiskelijat muodostivat pienryhmät, ja aloittivat tiedonkeruun CERN-viikkoa silmälläpitäen. Kullakin pienryhmällä oli ratkaistavana jokin globaali yhteiskunnallinen haaste: tutkimustiedon käyttäminen sosiaalisessa päätöksenteossa, ilmastonmuutos, kaupunkilaisten terveyden edistäminen luontoon perustuvilla ratkaisuilla taikka pakolaisten yhteiskunnallisen integraation edistäminen.

Value Proposition Canvas
Value Proposition Canvas Jukka Ojasalon esittelmänä (kuva Juha Aaltonen)

CERN ja IdeaSquaren inspiroivat tilat innoittivat opiskelijat keskittymään ja uppoutumaan haasteisiinsa tavalla, joka ei olisi ollut muualla mahdollista. Opiskelijat tulivat kaikki eri opinto-ohjelmista ja hyvinkin erilaisista taustoista, mikä edesauttoi monipuolista ideointia ja luovaa ryhmätyötä. Valtaosa ajasta käytettiin ryhmätyöhön, ja lisäksi viikon ohjelmaan kuului tunnelmaa keventäviä harjoituksia, asiantuntijaluentoja, palvelumuotoilun menetelmien esittelyä, tutustumisvierailuja ja asiantuntijahaastatteluja CERNissä sekä Geneven alueella (mm. YK:ssa ja muissa kansainvälisissä organisaatioissa). Lisäksi IdeaSquaren henkilökunta sekä lukuisat vierailijat keskustelivat opiskelijoiden kanssa, ja osallistuivat ideointiin. Erityisen kiinnostava vierailukohde viikon aikana oli pienessä ranskalaisessa Cessyn kylässä 100 metriä maan alla sijaitseva CMS-koeasema, jossa ryhmä pääsi keskiviikkoaamuna käymään suomalaisten Panja Luukan, Juska Pekkasen ja Antti Onnelan johdolla.

Menossa CMS-koeasemalle
CMS-koeasemalle mentiin 12 henkilön ryhmissä, tätä ryhmää opastaa Juska Pekkanen (kuva Juha Aaltonen)

Opiskelijaryhmien työn tuloksia esiteltiin yleisölle perjantaina iltapäivällä. Ryhmät esittelivät ensin lyhyesti ratkaisunsa omaan haasteeseensa, minkä jälkeen yleisö pääsi esittämään kysymyksiä. Keskustelu oli innostunutta ja eloisaa. Lopuksi IdeaSquaren johtaja Markus Nordberg (Head of Resources Development, CERN IPT-DI) jakoi kaikille osallistuneille osallistumistodistukset, ja toivotti kaikille hyvää kotimatkaa seuraavalla ohjeella: Think big and do good.

Tapio Lampén