Cotutelle and collaboration agreement within HIP and CEA for nuclear material research

Securing sufficient and environmentally sustainable electricity production is one of the main sustainable development challenges for our future. European’s electricity production relies on multiple sources including nuclear power. In particular, four nuclear reactors situated in Olkiluoto and Loviisa produce one third of Finland’s electricity, significantly reducing national reliance on fossil fuels. By avoiding million tons of CO2 emissions every year, increased nuclear power production is an efficient way to meet the greenhouse gas emission targets, and move towards a carbon-neutral society. However, despite its efficiency and low CO2 emission, the risk of radioactive matter contaminating the environment is a strong contraindication and obviously the most important public concern since the Chernobyl and Fukushima’s accidents. Risk minimization and mitigation during the entire nuclear fuel lifecycle from reactor to final disposal are paramount for nuclear safety. In addition to the current nuclear power plants, the next generation of reactors including small modular reactors (SMR) are now extensively studied worldwide in order to prepare the answer of nuclear energy to mankind main challenges. Their development aim for example to minimize waste productions, save natural resources, and produce heat for district heating, desalinated sea water for drink water supply or hydrogen for mobility as electricity co-generation or alternative. To this aim, the new reactor concepts rely on innovative claddings and fuels with enhanced properties and potential for extended lifetime in reactor while keeping safety to its highest standard.

The development and study of new nuclear materials requires cutting-edge experimental and modelling approaches to unravel material properties at the atomic level, especially when those materials are submitted to extreme environment such as for example highly corrosive environment, very high temperature, pressure and irradiation. To this aim, dedicated facilities are often mandatory given the radioactivity generally encountered when dealing with nuclear materials such as nuclear fuels.  In Finland, examples of such facilities are the VTT Center for Nuclear Safety and the Radiochemistry unit of the University of Helsinki. In France, one can refer to the numerous facilities hold by CEA, e.g. Atalante facility in Marcoule. Thanks to those experimental capabilities, researchers can access what is happening at the atomic level in materials. By linking this complex knowledge to the material properties, they have the opportunity to harness and tailor those properties in line with the desired safety and performance.

Among the numerous experimental techniques at our disposal, the X-ray absorption spectroscopy (XAS) is a well-established, non-destructive method used to determine both the oxidation state and the local coordination environment (i.e. number and geometry of neighboring atoms) around a chosen element in materials. In short, it consists in measuring how much X-rays the materials absorb as a function of the energy of the X-rays. Some major advantages of XAS are:

  1.  it is applicable to a broad range of sample types. It can measure crystalline materials, liquids, gases, and amorphous matter, and it requires no special sample preparation;
  2.  it can measure (almost) any element
  3.  it is element specific, and sensitive even at trace concentrations. XAS targets one element at a time. This permits uninterrupted measurements in complex, multi-component samples even in trace quantities (e.g. down to ppm concentrations);
  4.  it is a bulk sensitive method due to the long-range penetration of X-rays in matter;
  5.  it efficiently measures samples contained within protective layers (as often required as radiation safety considerations for highly active samples). 

In the recent years, XAS was successfully applied to the development of new manufacturing and reprocessing processes of nuclear materials, their behavior in reactor and their stability under storage conditions. Historically performed at synchrotron radiation facilities such as the European Synchrotron radiation Facility (ESRF), XAS benefited from the development of beamlines dedicated to actinide and other radioactive materials. However, access to those facilities is difficult especially for radioactive samples and severely time limited. Consequently, a considerable number of experiments do not happen because synchrotron access applications are severely over-subscribed while only a small fraction of beamlines are dedicated to accepting radioactive materials and often impose restrictive activity limits on the samples resulting in an almost systematic need to modify or transform samples before analyses.  In addition, the lack of a synchrotron facility in Finland means that all experiments must be carried out abroad incurring prohibitive costs and difficulties associated with the shipment of radioactive samples across borders.

Alternative at laboratory was recently developed taking advantage of the most recent developments in X-ray optics, X-ray sources, and detectors. One laboratory scale XAS apparatus is now available for researchers at the Center for X-ray Spectroscopy, University of Helsinki. Such laboratory-scale XAS instruments can perform competitively with synchrotron equivalents as demonstrated on nuclear fuels ThO2 (See Figure 1) and UO2 (https://doi.org/10.1016/j.jnucmat.2018.04.034) at the Helsinki Institute of Physics, within the Technology programme.

Figure 1: Unpublished Th L3-edge XAS spectra of ThO2 measured at the Center for X-ray Spectroscopy, University of Helsinki, Finland (black circles), and compared to results collected at the MARS beamline, SOLEIL synchrotron, France (red line).

The unique capability offered by laboratory scale XAS is obviously highly adequate for routine experiments on radioactive materials such as nuclear fuels, and has attracted huge interest in the nuclear research community, and especially the Atalante facility at CEA, France. Indeed, such a device would benefits the research performed at the ATALANTE facility by providing cost-effective, higher activity limited and delay suppressing XAS experiments. Consequently, a collaborative project between CEA and HIP started in 2021, aiming the implementation of a laboratory scale X-ray absorption spectrometer optimized for the study of highly radioactive material studies at CEA and derived from the instrumentation available at the University of Helsinki. This collaborative project was naturally extended with the supervision of a joint PhD thesis for which the creation of a cotutelle agreement was finalized this summer. In short, the cotutelle means that the student is registering to a double degree, being simultaneously a PhD student of two Universities: namely here the University of Helsinki (Finland) and the University of Montpellier (France). The current successful candidate, Simon Orlat, is already conducting the first part of his thesis in Finland and will return to the CEA’s laboratory in France for the second part in 2023. Simon has already finalized the design of the new spectrometer, and started its mounting during summer. He is now writing his first scientific paper and is aiming to turn on the X-rays for the first tests by Christmas, finally opening the opportunities for starting the planned experimental campaign of advanced nuclear fuels using XAS at laboratory. Enthusiast for both the instrumental development and the science one can do with it, Simon is benefitting from both HIP and CEA expertise to build his own research career and complete his PhD thesis within the French requirement of 3 years.

Figure 2. Left, from left to right, Simon Orlat and his HIP supervisor (René Bes) in front of the radiation safety enclosure box where the new X-ray absorption spectrometer is built; right: interior view of the enclosure box with the motorized displacement already mounted and awaiting the X-ray optics, detectors and X-ray source to be installed.

Finally, let’s give to Simon the final word on what is his feeling about this cotutelle.

“As a visiting doctoral researcher, the double degree agreement is a great opportunity for me to take advantage of my stay in Finland. Benefiting from both my home institution and University of Helsinki in terms of support, supervision, equipment and education helps me with my research work and it will be valuable for my career. Nevertheless, one needs to be aware of small details as usual in science. It takes quite long time to establish the agreement and one needs to be ready for extra work to complete the requirements of both institutions, some effort definitively worth it”

This agreement is paving the way to future successful collaboration between HIP, CEA and the University of Montpellier, and is now providing a solid framework for future double PhD degree on very exciting projects about nuclear materials and energy.

René Bes
University Researcher, Project Leader @ HIP (XTREME)
Department of Physics, Helsinki Institute of Physics
University of Helsinki

Quantum physics and technologies: it’s time to inform society, at large.

Nowadays, when people talk or write about quantum technologies, they mean a wide range of devices that function, in their essence, by exploiting quantum effects. Indeed, the progress made in this field has been astonishing. Since the publication of John Bell’s work in the 1960s, a whole new avenue has opened up, not only thanks to revolutionary advances in the fundamentals of theory, but also thanks to the development of experimental tools that have laid the way for a new era of quantum technology, as evidenced by the Nobel Prize in Physics just awarded to Alain Aspect, John Clauser and Anton Zeilinger.

Such new Quantum Technologies (QT) are related to the recent ability to control and observe matter at the level of individual quantum particles. The Holy Grail among them all is certainly the quantum computer, which promises to solve problems that are intractable today. Quantum computers are expected to profoundly affect life sciences, robotics, artificial intelligence, data storage and security, and potentially every field that relies on computing power. It is believed that they will help us solve many of the great challenges of our century, from healthcare to energy and the environment.

Until recently, QT were the preserve of a small number of scientists. However, the skills needed to tackle these grand challenges are broader and more diverse, involving many other players besides quantum physicists. In this context, education and training are a priority, and specific curricula to address this transformation are being designed all over the world. At the same time, in order to build a society capable of making responsible decisions, it is important that a broader group than just school and university students is informed about quantum science and technology.

To address the challenges and opportunities of a widespread quantum literacy, we conceived and implemented the online platform QPlaylearn (https://qplaylearn.com), with the aim of teaching quantum science and informing about the impact of QT to everyone, regardless of their age or background.

The QPlayLearn (QPL) online platform offers tailored contents for different target groups, focusing on the following: i) Teachers, students and curious learners; ii) Corporate executives, employees, policy makers and journalists; iii) Artists, curators and cultural managers.

Despite diversification following the different needs of each audience, the core of our approach is that different types of intelligence dominate the learning process of each individual. In this regard, QPL develops and curates various multimedia contents to build intuition and engagement through games and videos, grasp physical concepts through easy-to-follow explanations, acquire the formal understanding through the mathematics.

Regardless of the expertise of the target audience, there is always a solid scientific background behind images and examples we use to popularise quantum physics and technology. Multilevel educational resources can help avoiding misleading analogies and oversimplified explanations, a risk in quantum popularisation especially in contexts where the proper mathematical formalism cannot be used.

QPlayLearn is a collaborative project, involving many supporters such as InstituteQ, the University of Helsinki and Aalto University, the startup Algorithmiq Ltd, and contributions from various partners such as IBM and Strangeworks. 

Among the strategic collaborations, we have initiated a discussion with CERN as part of its Quantum Technology Initiative (QTI). As stated in their strategic roadmap published in October 2021, “given that the subject of quantum technologies might be very new in many education institutes or companies, we have the opportunity to look at new ways of delivering courses and share information. Modern, interactive forms of education might complement traditional courseware material offered by academia. A notable example of this approach is the QPlayLearn initiative in Finland, where the approach based on multimedia, gamified learning resources aims at reaching and motivating students as early as high school. The CERN QTI is discussing with QPlayLearn about a collaboration to design content and organise targeted education and innovation events” [https://home.cern/news/press-release/knowledge-sharing/cern-quantum-technology-initiative-unveils-strategic-roadmap].

In particular with Dr. Alberto Di Meglio, CERN QTI coordinator, and Dr. Sofia Vallecorsa, we are planning a series of new jointly developed contents to be released on QPL, and artwork to be possibly displayed at the CERN Science Gateway museum, which will be opening in 2023. [https://sciencegateway.cern/]. QPL has been presented in the International Conference on Quantum Technologies for High-Energy Physics, organised at CERN last week, 1-4 November 2022. We had the opportunity of discussing in more details how to promote and implement this great collaboration. Further updates will then be released shortly.

Sabrina Maniscalco, Professor of Quantum Information and Logic
Department of Physics
University of Helsinki – InstituteQ

Caterina Foti, Postdoctoral researcher
Department of Applied Physics
Aalto University – InstituteQ

CERN, Finland and International relations

      No Comments on CERN, Finland and International relations

Basic physics research is global in nature. It establishes laws that are valid everywhere on Earth, and apparently in the whole Universe. The research is mostly not driven by short term commercial or military interests. This has allowed physicists to serve as bridge-builders between politically competing regions. CERN provides a good example. Following the devastations of World War II Europe was in need of joint projects that would generate collaboration and restore the region’s scientific prowess. CERN’s convention states: “The Organization shall have no concern with work for military requirements and the results of its experimental and theoretical work shall be published or otherwise made generally available.” The convention was signed in 1953 by 12 founding states: Belgium, Denmark, France, the Federal Republic of Germany, Greece, Italy, the Netherlands, Norway, Sweden, Switzerland, the United Kingdom and Yugoslavia.

The Soviet Union soon responded to the establishment of CERN. The Joint Institute for Nuclear Research (JINR) in Dubna near Moscow is an intergovernmental organization established through a convention signed in 1956. Of the eleven founding states the USSR initially contributed 50 percent of the expenses and the People’s Republic of China 20 percent. JINR has at present 19 Member States: Armenia, Azerbaijan, Belarus, Bulgaria, Cuba, the Czech Republic, Arab Republic of Egypt, Georgia, Kazakhstan, D. P. Republic of Korea, Moldova, Mongolia, Poland, Romania, Russia, Slovakia, Ukraine, Uzbekistan, and Vietnam. According to its charter, JINR exercises its activities on the principles of openness to all interested states.

In the aftermath of World War II Finland was careful to balance its collaboration with the two sides of the iron curtain. Joining CERN and JINR was not on the agenda due to the modest national research activities. Research and teaching in elementary particle physics began in Finland only in the 1960’s, mainly at the initiative of professor K. V. Laurikainen [1]. Following a period of discussions and negotiations the collaboration with CERN and JINR started in 1967 on an “ad hoc” project basis. A more formal agreement with JINR followed in 1973. Finland did not need to pay for the infrastructure costs at CERN and JINR, only for the expenses of its own researchers and for the equipment to analyse bubble chamber pictures in Helsinki.  This arrangement was a privilege for Finnish physicists. For example, as a beginning graduate student in Helsinki I was able to spend two years (1969-71) at the CERN theory division, practically in the position of a regular CERN (postdoc) fellow.

The situation of Finland gradually improved, both politically and economically. By the late 1980’s Finland’s per capita GNP was among the highest in the world (due to an overheated economy, as it soon turned out). At the same time the collaboration of Finnish physicists with CERN had expanded, becoming comparable to that of some member states. Experimental collaborations were using big multi-purpose detectors to which the participating universities contributed also financially, in addition to the CERN membership fee of their country. A Finnish group joined the UA1 experiment at CERN in 1979, and so took part in the discovery of the W and Z bosons in 1982. These developments made it difficult to motivate the advantageous ad hoc agreement Finland had with CERN.

The arguments by Finnish particle physicists in favour of CERN membership, together with increasing interest from CERN, generated lively discussions in Finland. The annual CERN membership fee was at the time more than 70% of the total funding for natural sciences in the Finnish research council (the Academy of Finland). An efficient use of CERN’s facilities would imply further expenditures. Some of the costs were to be compensated through orders from CERN to Finnish industry, and the opportunities to train young physicists and engineers at an international center of excellence would be valuable. Nevertheless, scientists in other fields and those responsible for Finnish science policy generally felt that CERN membership was far too costly.

Meanwhile, there was a transformation of the political landscape in Europe. The iron curtain was crumbling, culminating in the fall of the Berlin wall in November 1989. Finland had increased possibilities to orient itself towards the West. Aspirations  to join organisations such as the EU were, however, hampered by the abstention from joint projects such as CERN. It became clear that several countries in Eastern Europe would soon join CERN, making Finland’s special arrangement even more conspicuous. Thus political priorities clinched the issue. Official negotiations with CERN started in August 1989, aiming at full membership. Finland joined CERN in January 1991, soon followed by Poland in July and by the Czech and Slovak republics two years later. In 1995 Finland became a member of the European Union, together with Austria and Sweden.

Finland joined CERN as a full member on 28 January 1991. The raising of the Finnish flag at CERN is observed by (from left) Brigitte Søde-Mogensen (Vice Chair, CERN Council), Jaakko Numminen (Head, Finnish Ministry of Education), Carlo Rubbia (CERN Director) and Antti Hynninen (Ambassador of Finland). Photo CERN.

CERN membership was an important milestone in opening Finnish science to international collaboration. Finland joined the European Space Agency (ESA) in 1995, at a cost that was considerably higher than CERN’s. Membership in the European Southern Observatory (ESO) followed in 2004. Science funding turned out not to be a zero-sum game.

Relations between CERN and JINR

Throughout its existence CERN has promoted collaboration with physicists in all countries. The arrangements have often been flexible, as evidenced by its early support of Finnish researchers. Scientific relations of CERN with the Joint Institute for Nuclear Research in Dubna date back to 1957, were formalized in 1963 and contributed to bridging the gap between East and West. Until 1990 this was the only possibility for many East European scientists to participate in CERN research. Over the years, JINR substantially contributed to CERN facilities, including the LHC accelerator and its experiments CMS, ATLAS and ALICE. CERN and JINR started to organise joint schools for young scientists in 1970.  The first school was  held at Loma-Koli in Eastern Finland, with Finnish physicsts serving on the Organisation Committee and as Scientific Secretaries. The joint school was again held in Finland in 1981, and most recently in Portugal in 2017.

The attack by Russia against Ukraine on 24 February 2022 meant an abrupt end to all collaboration between western states and Russia. The CERN Council declared that it terminates CERN’s International Cooperation Agreements with the Russian Federation and the Republic of Belarus. CERN had reciprocal Observer status with JINR, and CERN Council decided:

  • to suspend the participation of CERN scientists in all JINR scientific committees, and vice versa;
  • to suspend or, failing that, cancel all events jointly arranged between CERN and JINR;
  • that CERN will not engage in new collaborations with JINR until further notice;
  • that the Observer status of JINR at the Council is suspended and CERN will not exercise the rights resulting from its Observer status at JINR, until further notice.

The termination of the collaboration agreements will cause disruptions and delays in CERN’s research program. Those practical difficulties are, however, negligible compared with the suffering in the Ukraine.

Aftermath of the war in the Ukraine

We cannot know when and how Russia’s attack will end. Its relations to the western world may remain strained well beyond the termination of the military hostilities. In this situation physicists could contribute to alleviating the tensions, similarly as during the cold war.  It is likely that a majority of Russian physicists oppose the war, although they cannot now express their views without serious consequences. Protests  were aired on the internet soon after the invasion [2,3].  It is important not to allow the war to damage personal relations between physicists. Notably, the CERN Council expressed its support to the many members of CERN’s Russian scientific community who reject the war.

Paul Hoyer
Department of Physics
University of Helsinki

[1] There is a detailed description of the these and later developments in the book “Kuplakammiofysiikasta Higgsin bosoniin” by J. Tuominiemi (2018). https://doi.org/10.31885/9789515150431
[2] https://t-invariant.org/en/2022/02/we-are-against-war-en/
[3] https://newpol.org/russia-community-of-lomonosov-university-against-the-war/

Neljännesvuosisata tieteellistä tutkimusta

      No Comments on Neljännesvuosisata tieteellistä tutkimusta

Fysiikan tutkimuslaitos HIP aloitti toimintansa vuonna 1996.  Asiaankuuluva 25-vuotisseminaari järjestettiin COVID-19 -pandemian takia hieman viivästettynä 20.5.2022 Helsingissä [1]. Seminaarissa käytiin läpi laitoksen historiaa sekä  luotiin katsaus lähitulevaisuuden tutkimuskysymyksiin.  Puhujia seminaarissa oli 9 ja tilaisuuteen ilmoittautuneita noin 90.

Juhlaseminaarin mainosjuliste sekä HIPin historia 1 minuutissa (kuvalinkkien avulla pääset katsomaan videot). Kuva ja videot: Juha Aaltonen.

Tilaisuuden avasi Helsingin yliopiston vararehtori Kai Nordlund. Hänen mukaansa HIP on Suomessa erityislaatuinen tutkimuslaitos, ja yksi harvoista 25 vuoden kunnioitettavan iän saavuttaneista yksiköistä Helsingin yliopistossa.  Sen lisäksi, että HIP on hyvin näkyvä toimija Suomessa, sillä on myös kansainvälisesti tunnettu vahva brändi – esimerkiksi CERNissä ilmaisulla  ”I’m from HIP” voi useimmiten kätevästi kertoa taustastaan.

HIPin alkuvaiheista kertoi seikkaperäisesti fyysikko Mikko Sainio, HIPin pitkäaikainen hallintopäällikkö. HIP perustettiin kolmen erillisen tutkimuslaitoksen yhdistyessä. Teoreettisen Fysiikan Tutkimuslaitos (TFT) perustettiin vuonna 1964 Helsingin yliopistoon. CERN-toimintaan osallistui 1990-luvun alkupuoliskolla Suomesta kaksi laitosta, SEFT (Suurenergiafysiikan tutkimuslaitos Helsingin yliopistossa) ja HTI (Hiukkasteknologian instituutti Teknillisessä korkeakoulussa). Laman myötä alettiin suunnitella näiden sekä TFT:n yhdistämistä, ja SITRAn  yliasiamiehelle Jorma Routille annettiin tehtäväksi laatia yhdistämisestä raportti. Raportti valmistui 6.9.1995, ja siinä todettiin tarve uudelle lainsäädännölle kahden tai useamman yliopiston yhteisen tutkimuslaitoksen perustamiseksi. Tarvittava lainsäädäntö HIP perustamiseksi saatiin valmiiksi vajaassa vuodessa ja ratifioitua 26.7.1996, mikä mahdollisti HIPin toiminnan aloittamisen 1.9.1996 Siltavuorenpenkereen sekä Innopolin tiloissa.

Viisi vuotta myöhemmin, maaliskuussa 2001, HIP muutti Siltavuorenpenkereeltä ja Innopolista nykyisiin tiloihin, Kumpulan kampuksen uuteen Physicum-rakennukseen.  Toiminta laajentui myös kahden yliopiston erillislaitoksesta monen yliopiston erillislaitokseksi, kun HIPiin liittyivät vuonna 2002 Jyväskylän yliopisto, vuonna 2007 Lappeenrannan teknillinen yliopisto, vuonna 2008 Tampereen teknillinen yliopisto ja vuonna 2018 Säteilyturvakeskus.  HIPin asema Helsingin yliopiston sisällä muuttui vuonna 2016 rehtorin alaisesta erillislaitoksesta osaksi matemaattis-luonnontieteellistä tiedekuntaa.

Mikko Sainio esitteli myös aikasarjoja HIPin tunnusluvuista, mm. tieteellisten tulosten ja julkaisujen määriä sekä tohtorinväitöskirjojen (viime vuosina 8-10 kpl vuodessa) sekä pro gradujen ja diplomitöiden määriä, jotka kuvaavat hyvin HIPin merkitystä alustana tieteellisten ansioiden hankkimiseksi. Lisäksi hän esitteli HIPin yhteiskunnallista vuorovaikuttavuutta (esimerkiksi lukiovierailuja CERNiin, joissa vuosittain käy yli 350 lukiolaista) sekä merkitystä teknologiselle kehitykselle. 

Emeritusprofessori Kari Enqvist kertoi kosmologian tutkimuksen alkamisesta Suomessa. Suomessa toiminta oli vielä 1980-luvulla pienimuotoista, sellaiseksi voi oikeastaan laskea vain professori Matts Roosin pitämät luennot neutriinoista ja ryhmäteoriasta. Vuonna 1997 VTT:n Millilab-laboratoriossa työskentelevä Jussi Tuovinen sai Tekes-rahoitusta Planck-satelliittiin liittyvää radiovastaanotinta varten.  Rahoituksen ehtona oli kuitenkin vaatimus, että tutkimuksella on oltava myös yliopistokomponentti. Tuolloin Helsingin yliopistolla ei ollut sopivaa asiantuntemusta, mutta se kehitettiin ripeästi kokoamalla tutkimusryhmä Hannu Kurki-Suoniosta ja Elina Keihäsestä, joka lähetettiin Italiaan kuukaudeksi perehtymään aihepiiriin ja kehittämään sopiva tutkimusprojekti. Planck-projektista tuli HIPin tutkimusprojekti vuonna 2008.

Myös kosmologian teorian tutkimus kehittyi samoihin aikoihin, ensimmäinen HIPin tutkimusprojekti alkoi 1998 (hiukkaskosmologian projekti), seuraavaa alkoi 1999 (hiukkasteoria ja kosmologia) ja vuonna 2010 olikin jo kaksi projektia käynnissä (kosmofysiikka ja luonnonlait).

Viimeisten 10 vuoden aikana tutkimuskohteiden listasta onkin jo tullut hyvin pitkä. Enqvist totesi lopuksi nähneensä kosmologian tutkimuksen 1980-luvun vaatimattomasta alusta alkaneen kasvun Helsingissä ja Jyväskylässä, mitä on suuresti auttanut HIP – tämä on esimerkki siitä, kuinka HIP voi auttaa uusien tieteenalojen syntymistä ja nousua kukoistukseen.

Jorma Tuominiemi piti esitelmän CMS-kokeen ja TOTEM-kokeen kohokohdista. Hän nosti esille molemmista yhden esimerkkituloksen: Higgsin bosonin löytymisen vuonna 2012 ja odderon-sironnan havaitsemisen vuonna 2021.  CMS-kokeessa HIPillä on ollut tärkeä osuus jälki-ilmaisimen rakentamisessa sekä Higgsin hiukkasten etsinnässä. Vuosina 2010-2011 LHC-kiihdytin toimi aluksi 3.5+3.5 TeV törmäysenergioilla, ja vuonna 2012 4+4 TeV törmäysenergialla. Higgsin bosonia etsittiin erityisesti kahdesta hajoamiskanavasta: H→ZZ→4 leptonin ns. ”kultaisesta hajoamiskanavasta”, sekä H→γγ -kanavasta.  Näissä kanavissa tehdyn löydön lisäksi oli tarpeen vielä mitata spin, jolle saatu arvo 0 varmisti että kyseessä todellakin oli skalaari Higgsin bosoni. Löydöksestä julkaistiin vuonna 2012 Physics Letters B -julkaisun erityisnumero, mitä voidaan pitää kokeellisen Higgs-fysiikan alkuna. Sen jälkeen LHC:n Run 2:ssa on vuosina 2015-2018 mitattu 13 TeV törmäysenergialla yli 6 kertaa enemmän törmäyksiä kuin Run 1:ssä, mikä on mahdollistanut Higgsin bosonin ominaisuuksien tarkat mittaukset.

TOTEM-kokeessa on mitattu kahden protonin kokonaisvaikutusalan lisäksi kahden protonin elastista sirontaa. Vertaamalla tuloksia D0-kokeessa mitattuun protonin ja antiprotonin elastiseen sirontaan pystyttiin todentamaan odderon-hiukkasten olemassaolo. Eri kokeiden mittausten vertailu oli mahdollista, sillä TOTEM-kokeen 2.76, 7, 8 ja 13 TeV törmäysenergioilla tehdyt mittaukset ekstrapoloitiin D0-kollaboraation käyttämään 1.96 TeV törmäysenergiaan. Löydös julkistettiin joulukuussa 2020, ja elokuussa 2021 TOTEM- ja D0-kollaboraatiot julkaisivat yhteisen artikkelin Physical Review Letters -lehdessä. TOTEM-kokeessa HIPillä on ollut merkittävä kontribuutio, sillä HIPin säteily-ilmaisinlaboratoriossa on rakennettu T2-detektorin GEM-ilmaisimet. T2-detektori on ollut keskeisessä roolissa mittaamassa epäelastisten protonitörmäysten määrää, joka on toinen kahdesta tarvittavasta mittauksesta kahden protonin kokonaisvaikutusalan määrittämisessä. Lisäksi HIP on koordinoinut fysiikan analyysit TOTEM-kokeessa sen perustamisesta alkaen ja tehnyt epäelastisten törmäysten määrittämisanalyysit kaikissa TOTEM-kokeen kokonaisvaikutusalamittauksissa.

Mikko Voutiainen kertoi esitelmässään CMS-kokeen nykypäivästä ja tulevaisuudesta HIPin näkökulmasta. CMS-koe on julkaissut jo yli 1000 tieteellistä artikkelia. HIP on ollut moottori erityisesti Particle Flow -menetelmän kehittämisessä ja hiukkasryöppyjen rekonstruoinnissa, millä on ollut suuri merkitys usealle CMS:n kärkiartikkelille. Hiukkasryöppyjen avulla voi myös tarkentaa mittauksia tyhjiön stabiilisuudesta ja saada selvyyttä siihen, onko maailmankaikkeus luonteeltaan stabiili vai metastabiili.  CMS-kokeen tulevaisuutta on korkean luminositeetin HL-LHC:n toiminnan alkaminen sekä detektorien uudistamiset: esim. jälki-ilmaisimen laajentaminen ja uudet detektorit MIP, PPS ja High Granularity -kalorimetri. Edessä on myös ilmaisimien vähittäinen vaurioituminen käytön seurauksena sekä koneoppimisen ja kvanttilaskennan hyödyntämisen alkaminen. Detektorien uudistamisen myötä jännittävä tutkimus jatkuu.

Juha Äystö esittelee FAIR-hanketta. Kuva: Juha Aaltonen.

Juha Äystö, HIPin entinen johtaja, kertoi Suomen osallistumisesta HIPin kautta FAIR-kokeen valmisteluihin ja toimintaan.Vuosien 1999-2005 teknisen suunnittelun ja Saksan hallituksen periaatepäätöksen jälkeen vuonna 2007 oli FAIRin virallinen aloitus. Vuonna 2017 kokeellinen ohjelma aloitettiin, ja vuonna 2025 odotetaan ensimmäisten kokeiden alkavan. FAIRissä on neljä koetta, joissa NUSTAR-kollaboraation Super-FRS-laitteessa HIPin kontribuutio on suurin. Suomi on toimittanut kokeeseen laitteiston osia. FAIR-osallistuminen on Jyväskylän kiihdytinlaboratorion toimintaa täydentävää, ja uusia mahdollisuuksia on odotettavissa myös kolmesta muusta FAIRin kokeesta.

Kalevi Ekman kertoi CERNistä suomalaisen insinöörin näkökulmasta. CERN on toiminut eräänlaisena roolimallina kehityksessä, esimerkiksi kansainvälistymisessä – 25 vuotta sitten Suomessakin luennot olivat suomeksi tai ruotsiksi, ja harvat ulkomaalaiset opiskelijat saivat vain yrittää tulla toimeen. Tällä hetkellä yli puolet opiskelijoista tulee eri maista tai kulttuureista, ja luennoilla käytetään englantia enenevässä määrin. Hän otti esiin tämänhetkisen investointisuhteen, joka on vain 0.6, mutta joka voisi olla merkittävästi korkeampi mikäli yritykset ja insinöörit kytkeytyisivät vahvemmin CERNiin.  Insinöörin näkökulmasta CERNissä riittää valtavia haasteita: säteilynkestävyys, jäähdytys, CPU-teho, materiaalien ominaisuudet äärimmäisissä olosuhteissa, suprajohtavuus, tyhjiö, magneettikentät jne. Erityisen iso viimeaikainen ohjelma on ATTRACT Phase 2 -ohjelma, jossa kehitetään teknologioita tiedettä ja yhteiskuntaa varten. Kiteytettynä: CERN on taivas hiukkasfyysikoille, ja helvetti insinööreille.

Panja Luukka kertoi puolijohdeilmaisimista, CMS:n jälki-ilmaisimesta ja niiden toimintaperiaatteista sekä HIPissä tehtävästä detektoritutkimuksesta, joka on fysiikan ja insinööritieteen rajapinta.  CMS:n jälki-ilmaisimessa on kaikkiaan 210 neliömetriä pii-ilmaisinten pinta-alaa.  Suomen vastuulla CMS:n Phase-1 upgrade -projektissa oli toimittaa 50% jälki-ilmaisimen kolmannen kerroksen ilmaisimista eli kaikkiaan 250 moduulia. HL-LHC:n myötä luminositeetti kymmenkertaistuu, eli kussakin törmäyksessä on 10.000 hiukkasjälkeä, mistä seuraa kovia vaatimuksia ilmaisimille. Ilmaisintutkimus on poikinut myös tuloksia lääketieteellisen kuvantamisen ja säteilysuojelun saralla, mihin myös STUK on osallistunut.  Kiteytettynä: jälkien rekonstruointi on ensiarvoisen tärkeää, säteilynkestävyys on suurin haaste, jälki-ilmaisimen upgrade on erittäin haastava projekti. Laajaa tuotekehitystä ja uusia ratkaisuja tarvitaan!

Katri Huitu kertoi HIPin tulevaisuuden suunnitelmista ja strategiasta. HIPin kansallisena tehtävänä on jatkossakin vastata suomalaisesta tutkimusyhteistyöstä CERNin kanssa ja koordinoida FAIR-osallistumista sekä syventää yhteistyötä jäsenyliopistojen kesken. HIPin toiminnassa tulee näkymään LHC-kiihdyttimen Run3 vuosina 2022-25, sen jälkeinen huoltotauko 2026-28 ja HL-LHC:n ajojen alkaminen 2029. Suuria tutkimuskysymyksiä tulee olemaan hiukkasfysiikan standardimallin laajennukset, joita voidaan tutkia seuraavan sukupolven kiihdyttimillä: esimerkiksi CERNin lineaarikiihdyttimellä taikka FCC-kiihdyttimellä, jota aletaan rakentaa 2030-luvulla mikäli se päätetään toteuttaa. HIP on myös mukana muissa CERN-aktiviteeteissa (mm. ISOLDE, CLOUD, Robotics, AI) sekä monenlaisessa kehitystyössä (ilmaisimet, kiihdyttimet, materiaalifysiikka, säteilysuojelu).  HIP myös edustaa Suomea APPEC-konsortiossa (Astroparticle Physics European Consortium) ja järjestää opetusta lukiolaisille, AMK-opiskelijoille sekä opettajille.  HIP on myös aktiivinen yhteiskunnallisen vuorovaikutuksen saralla osallistumalla monenlaisiin tapahtumiin, järjestämällä luentoja kouluissa sekä koululaisvierailuja CERNiin.  Toiminta on hienolla mallilla, ja odotamme suurella mielenkiinnolla, millaisia edistysaskelia ja tieteellisiä löytöjä tutkimuksemme tuottaa!

Tapio Lampén
vanhempi tutkija, HIP-projekti (
CMS Experiment)
Fysiikan tutkimuslaitos

[1] https://www.hip.fi/events-news/hip-25-years-silver-jubilee/

Kuvat: Juha Aaltonen.

Mitä CERNin viestintäverkosto tekee?

      No Comments on Mitä CERNin viestintäverkosto tekee?

Kun aloitin viestintäpäällikkönä Helsingin yliopiston Kumpulan kampuksella keväällä 2019, en arvannut työn myötä pääseväni myös näkemään maailman suurinta hiukkaskiihdytintä. Mutta niin vain jo puolen vuoden päästä olin matkustamassa Geneven liepeillä maan alle.

Olin osallistumassa Euroopan ydinfysiikan tutkimusjärjestön CERNin viestintäverkoston kokoukseen verkoston tuoreena Suomen edustajana ja olin innoissani. Tutkimuskeskuksessa pääsin vauhdilla tutustumaan muihin eri jäsenvaltioita edustaviin viestintäverkoston jäseniin, joista osa oli taustaltaan viestijöitä, osa tutkijoita.

Näiden viestintäammattilaisten tiivistä yhteistyötä varten CERN on perustanut verkoston, jota kutsutaan lyhenteellä EPPCN (European Particle Physics Communication Network). Itse vedän Helsingin yliopiston Kumpulan kampuksen yhdeksän hengen viestintätiimiä, mutta vastaan samalla muiden vastuiden ohella Fysiikan tutkimuslaitoksen viestinnästä. Näin pääsin myös CERNin viestintäverkoston jäseneksi.

Verkosto kokoontuu kaksi kertaa vuodessa, kerran CERNissä ja kerran jossakin jäsenvaltiossa. Muutoin pidetään yhteyttä sähköisin välinein. Koronan aikaan pelkästään niin.

Marraskuussa 2019 CERNin viestintäverkosto tapasi viimeistä kertaa livenä, ennen kuin korona pakotti myös viestintäammattilaiset kahdeksi vuodeksi pelkkiin etäkokouksiin. Kuvan videokokous on vuoden 2022 tammikuulta.

Mitä saadaan aikaiseksi?

CERNin mittaustuloksia analysoivat tutkijat etsivät uutta tietoa aineen rakenteesta, mutta tarvitsevat silloin tällöin myös viestintäammattilaisia, jotka auttavat heitä kertomaan tutkimuksesta ja sen tuloksista laajemmalle yleisölle. Viestijät esimerkiksi priorisoivat kohdeyleisöjä, suunnittelevat kampanjoita, rakentavat viestintäkanavia, kirjoittavat tiedotteita, luovat ylipäätään kaunista ja kiinnostavaa sisältöä. Yhdessä tutkijoiden kanssa.

Esimerkiksi toissa vuonna viestintäverkosto käytti runsaasti aikaa yhteisen viestintästrategian tekoon. Hiukkasfysiikalle oli julkaistu eurooppalainen strategia (ESPPU), ja sen toteuttamiseen tullaan tarvitsemaan myös viestintää. Tunnistimme esimerkiksi avainkumppaneita ja lähettiläitä. Väänsimme pääviestejä ja ideoimme tuleville vuosille ”koukkuja” eli tiettyihin hetkiin sidoksissa olevia viestintämahdollisuuksia.

Yksi tuollainen yhdessä tunnistettu viestinnällinen mahdollisuus oli hetki, jolloin Higgsin bosonin löytämisestä oli kulunut kymmenen vuotta. Strategiasta ja suunnittelusta päästään onneksi lopulta aina myös toteutukseen, ja niinpä tänä kesänä bosonin merkkipäivästä viestittiin verkossa ja sosiaalisessa mediassa. Suomessa CERNin viestintäyksikön kirjoittamaa tiedotetta täydennettiin fysiikan tutkimuslaitoksen johtajan Katri Huidun lainauksella.

Higgsin bosonin löytymisen kymmenvuotispäivästä tehtiin CERNin jäsenvaltioissa paikallisesti räätälöityjä uutisia, joita jaettiin myös sosiaalisessa mediassa yhteisesti sovitulla aihetunnisteella #Higgs10.

Samoihin aikoihin osui myös Large Hadron Collider (LHC) -hiukkaskiihdyttimen käynnistäminen. Kiihdyttimelle oli tehty ennalta suunniteltu, kolmen vuoden mittainen päivitys- ja huoltotauko, jonka seurauksena pystytään saavuttamaan ennennäkemättömän suuri törmäysenergia. Siitäkin viestittiin viestintäverkoston yhteisten suunnitelmien pohjalta ja samalla tavalla Suomeen räätälöidysti.

LHC-kiihdyttimen käynnistymistä pystyi seuraamaan Euroopan yleisradiounionin (EBU) välittämässä
livestreamissa.

Mediakäynti kiihdyttimellä

Alkuvuoden 2022 huippuhetki oli suomalaistoimittajien virtuaalinen mediavierailu CERNiin. Vaikka me viestijät, toimittajat ja asiantuntijat istuimme kukin omien näyttöjemme äärellä, olo oli kuin olisimme Sveitsin ja Ranskan rajalla Geneven liepeillä.

Parikymmentä toimittajaa ”kiersi” kahden tunnin ajan Suomen yhteyshenkilön ja IdeaSquaren johtajan Markus Nordbergin johdattamana, kuuli täsmäesityksiä eri kohteissa ja esitti kysymyksiä asiantuntijoille. Pääsimme hetkeksi jopa loikkimaan LHC:n viereen.

Keväällä 2020 15 suomalaistoimittajan ryhmä oli jo valmistautunut matkustamaan mediavierailulle paikan päälle CERNiin. Ilmoittautumiset oli otettu, aikataulu lyöty lukkoon, suomalaisten tutkijoiden tapaamiset suunniteltu, hotellit katsottu. Harvinaisen moni toimittaja oli pystynyt sitoutumaan useamman päivän juttumatkalle, niin paljon CERN ja hiukkastutkimus kiinnosti.

Kun korona perui matkan ja kiihdyttimen huoltokatko ehti päättyä ennen koronaa, pettymys oli käsin kosketeltavaa. Virtuaalimatka ei ollut tietenkään sama asia, mutta onnistui yli odotusten.

CERNin viestintä rakensi eri viestintäkanavissa yhdessä viestintäverkoston kanssa jännitystä, kun LHC:n käynnistys lähestyi.

Tulkkina vieraalla maalla

Tutkijat ovat usein tottuneet kertomaan tutkimuksestaan toisille tutkijoille tai korkeintaan opiskelijoille. Viestijän tehtävä on miettiä, keiden muiden kiinnostus halutaan herättää tai keiden ajatuksiin ja tekoihin vaikuttaa – ja miten se tehdään.

Joskus viestijän olo keskellä fysiikan ilmiöitä on kuin muukalaisella vieraalla planeetalla. Kaikki on kovin kiehtovaa mutta käsittämätöntä. Oudolta kuulostavasta pitäisi pystyä nappaamaan jotakin tunnistettavaa, jonka voisi esitellä niin sanotulle suurelle yleisölle.

Kun halutaan tavoittaa ns. suuri yleisö, asia on ilmastava niin selkeästi, että ”Pihtiputaan mummokin” sen ymmärtäisi. Usein jos asiantuntija haluaa sinnikkäästi käyttää erityistermistöä, jotta ajatus varmasti välittyisi oikein, yritän kiinnittää hänen huomionsa vastaanottajan ajatukseen: Millainen ajatuskupla mummon pään viereen syntyy, kun hän ei ymmärrä jotain termiä? Onko ajatus lähempänä vai kauempana oikeaa kuin silloin, jos asiaa selittäisi astetta yleistajuisemmin?

Suuren yleisön odotukset hiukkasfysiikkaa kohtaan saattavat myös olla yllättävän suuria. Löytyykö jälleen uusi hiukkanen? Järisevätkö fysiikan teoriat? Selviävätkö maailmankaikkeuden mysteerit?

Suurilla odotuksilla on hyvät ja huonot puolensa. Jos 95 % maailmankaikkeudesta on vielä selvittämättä, on perusteltua panostaa sen tutkimiseen. Poliitikot nyökyttelevät. Toisaalta jos tulokset kuulostavat käsittämättömiltä, seuraa turhautuminen.

Tarinan on hyvä olla mahdollisimman kiehtova ja vetävä, mutta totta ja arkiseen kiinnittyvää. Olen täysin varma, että kaikesta pystyy kertomaan myös niin, että tavallinen viestijäkin sen ymmärtää. Jopa hiukkasfysiikasta.

Tule kertomaan minulle, viestitään yhdessä!

Johanna Pellinen
viestintäpäällikkö
Helsingin yliopisto

Ramping up towards LHC Run 3

      No Comments on Ramping up towards LHC Run 3

The CMS experiment is one of the four large experiments at the LHC. Since the beginning of data-taking in 2010, the CMS Collaboration has published more than 1100 scientific papers on a highly diverse range of particle physics topics. On 4 July 2012, a several decades-long wait came to an end as the ATLAS and CMS experiments announced the discovery of the Higgs boson [1]. Ten years on, the particle physics community celebrates this extraordinary achievement [2] and looks forward to a bright future for research with the restart of LHC operations.

LHC ramping up 

After the successful Run 1 operations of the LHC, with a centre of mass energy of 7-8 TeV, a second data-taking period at 13 TeV energy followed in 2015-2018, Run 2. The number of events that an experiment observes is proportional to a quantity called luminosity – a measure of how many collisions are occurring in the detector [7]. CMS accumulated about 140 fb-1 of integrated luminosity during Run 2. The third data-taking period, Run 3, is commencing this summer at a record centre of mass energy of 13.6 TeV and is expected to deliver a record amount of integrated luminosity as well.

The Friday after the Easter weekend, 22 April 2022, marked the official start of Run 3. On that day CMS recorded beam splash events that happen when a single proton beam hits a one-meter-thick collimator in the vicinity of the CMS detector, resulting in a spray of particles (mostly hadrons and muons) travelling further to the detector as one huge “splash” of particles as seen in Figure 1 (left). Beam splashes are used by the experiments to test their numerous sub-detectors and to synchronise them with the LHC clock. According to the current LHC schedule [3], the regular proton physics runs at nominal luminosity (with 1200 circulating bunches) are foreseen to commence in early August.


Figure 1: The left event display (22 April 2022) shows the detector lit up by a beam splash event, the first and simplest type of particle collisions created by the LHC. They are the result of a single proton beam hitting a collimator placed in the beamline in the vicinity of the CMS detector [4]. The right event display (27 May 2022) shows the signal left in the detector by one of the collisions happening during the first LHC Run 3 fill with “stable beams” declared. Only then the full detector can be operated safely during collisions. These collisions took place at injection energy (450 GeV) [5].

In recent days, some further important milestones have been reached in the commissioning phase: Figure 1 (right) shows the signal left in the detector from some of the first collisions that took place at the injection energy of 450 GeV (cf. target beam energy of 6.8 TeV). May 27th was the first time that LHC declared “stable beams” during Run 3. Only then the full detector can be operated safely during collisions. Already a few days later, on May 31st, the first collisions at nominal beam energies of 6.8 TeV took place in order to perform the first van der Meer scans of Run 3. These scans measure the transverse distribution of particles in an accelerator beam and are fundamental to a precise determination of the instantaneous luminosity of an accelerator [6,7].


Figure 2: The main page of the LHC status displays is the so-called LHC Page 1. It summarizes the most important properties at a glance and is important not only for the accelerator team but also for the scientists of the experiments.
The left status display shows the end of Run 2 proton-proton collisions in October 2018 [8], the middle display shows the first stable beams of Run 3 on 27 May 2022 [9] and the right display shows the first fill nominal beam energy of 6.8 TeV on 31 May 2022 [9].

One does not need any affiliation with CERN in order to monitor the status of LHC operations. The so-called LHC Page 1 is publicly available [9] and examples of the display at the end of Run2, during the first stable beams of Run 3, and during the first fill with nominal beam energy are shown in Figure 2. The  LHC Page 1 summarizes the most important properties at a glance and is important not only for the accelerator team but also for the scientists of the experiments. For example, the shift crew physically present in the CMS control room adjusts the operation mode of the detectors according to the status of the accelerator. Only when LHC declares stable beams, reliable data for physics analysis is recorded, reconstructed, and later distributed to analysts all around the world.

CMS detector ready for Run 3

Dealing with a large number of simultaneous interactions in a single bunch crossing (pile-up) is the price one has to pay in order to reach the highest luminosity in the three years of Run 3. The maximum instantaneous pile-up in Run 3 will be similar to that of the 2018 data taking period but the average larger. The machine plans to maintain the maximum instantaneous luminosity for several hours at the beginning of each fill. Such challenging pile-up warranted the recent CMS experiment upgrade of key components to resolve the multiple interactions and efficiently analyze the data. For example, the CMS pixel tracking detector, after undergoing an important upgrade between 2016 and 2017, has been further upgraded in its innermost layer in order to handle the high rates of Run 3. The Helsinki CMS Upgrade project was responsible for the quality assurance of all pixel detector bare modules after flip-chip bonding.

Furthermore, the hadronic calorimeter (HCAL) has been improved with enhanced readout granularity along the shower depth; the first stations GE1/1 of the Phase 2 upgrade detectors for the High Luminosity phase of the LHC, the Gas Electron Multiplier (GEM) detectors, have been installed; and the High-Level Trigger (HLT) system is equipped with GPUs in order to accelerate some online reconstruction tasks.

The greater integrated luminosity will allow the CMS Collaboration to shed more light on rare phenomena. In particular, with Run 2, multiple SM predicted processes reached or nearly missed the first sensitivity: multiple first pieces of evidence and observations were reported in the past few years, and more will come with Run 3, where conventionally the evidence is claimed when the signal has a significance of 3 standard deviations and observation when the significance is 5 standard deviations. In addition to doubling the integrated luminosity, further improvements in searches for unknown phenomena are expected also from improved triggers and improved online reconstruction.

Boosting analysis efficiency

The Helsinki CMS group is known for its world-leading expertise in jet physics, as recently discussed in the HIP blog [11], and prominently awarded with an ERC Consolidator grant [12] to CMS Experiment project leader Mikko Voutilainen. The co-leadership of the CMS physics object group for jets and MET (JetMET), the largest physics object group in CMS with more than a hundred active members, will continue to be in Helsinki hands (2020-2022: Henning Kirschenmann; 2022-2023: Mikko Voutilainen). The achievements of the group are instrumental for the physics output of the whole collaboration as almost every physics analysis is either directly or indirectly relying on hadronic objects maintained by the group.


Figure 3: As one of the first CMS in-person workshops after the long Covid-related hiatus, the CMS JetMET workshop “Ramping up to LHC Run 3” took place in Florence in April 2022 with strong Helsinki involvement in organization and contributions. The workshop paved the way towards achieving ultimate physics performance with hadronic objects for Run 2 and Run 3 analyses [18].

The JetMET workshop in Florence in April 2022 (Figure 3) was a milestone in taking stock of achievements on Run 2 data and paving the way towards ultimate precision for future physics analyses.

In the last couple of years, several generations of machine learning algorithms have repeatedly boosted the performance of jet identification or “tagging” algorithms. In particular, the adoption of dynamic graph convolutional neural networks such as ParticleNet [13] has helped to increase the sensitivity of analyses enormously with respect to earlier techniques. These new techniques are also applied to regression problems of jet mass [14] and – in a Helsinki thesis project – to jet energy corrections [15], promising gains also beyond the tagging challenge.

With ever-increasing datasets, the possibilities for more precise calibrations and more sensitive physics analyses are expanding. However, the wealth of data comes with the challenge of actually processing those datasets in order to prototype, develop, and test more advanced calibration techniques in an agile way. A customized JetMET version of the very compact CMS data format nanoAOD, with just 1-2 kB/event size [16], the efficient data analysis adopting columnar analysis techniques based on the scientific python package ecosystem and commodity big data technologies [17], and the automation of workflows [15,19] are crucial inputs to keeping up with the challenge. 

By actively exploring, adapting, and developing these analysis tools and techniques, the Helsinki team and the JetMET group are full steam ahead towards repeated cycles of (r)evolution in the mission to reach ultimate precision and maximise the CMS physics insight.

Henning Kirschenmann
Senior Researcher, Docent, HIP-project (CMS Experiment)
Helsinki Institute of Physics

[1]: Higgs 10 symposium https://home.cern/news/news/cern/higgs10-save-date 
[2]: Higgs 10 series https://home.cern/news/series/higgs10 
[3]: CERN/LHC Schedule https://edms.cern.ch/ui/file/2664630/LATEST/2022-LHC-schedule_v1.1.pdf 
[4]: CERN/CMS; CMS-PHO-EVENTS-2022-021-3 https://cds.cern.ch/record/2810645?ln=en 
[5]: CERN/CMS; CMS-PHO-EVENTS-2022-012-7https://cds.cern.ch/record/2807179
[6]: Van der Meer Scan Luminosity Measurement and Beam-Beam Correction https://arxiv.org/abs/2012.07752 
[7]: https://cms.cern/news/how-does-cms-measure-luminosity 
[8]: https://home.cern/news/news/accelerators/final-lap-lhc-track-protons-2018 
[9]: https://op-webtools.web.cern.ch/vistar/vistars.php  
[10]: https://ep-news.web.cern.ch/content/cms-experiment-prepares-run-3 
[11] https://blog.hip.fi/jetit-hiukkasfysiikan-eturintamalla/ 
[12]:https://www.hip.fi/blog/2022/03/17/new-erc-funded-projects-to-be-launched-at-the-university-of-helsinki/ 
[13]: https://arxiv.org/abs/1902.08570
[14]: https://cds.cern.ch/record/2777006 
[15]: Jet Energy Corrections with GNN Regression using Kubeflow https://www.youtube.com/watch?v=iqbsbXZDjs8 
[16]: https://cds.cern.ch/record/2752849 
[17]: https://arxiv.org/abs/2008.12712 
[18]: https://indico.cern.ch/e/jme2022
[19]: https://ethesis.helsinki.fi/repository/handle/123456789/34786

Kaasutäytteisten säteilynilmaisinten kehitystyö HIPissä ja sen edeltäjissä

Kaasutäytteisiä säteilynilmaisimia käytetään laajasti ionisoivan säteilyn mittaamiseen. Tämän tyypin ilmaisimissa säteily irrottaa täytekaasun atomeista elektroneja, jotka kerätään ilmaisimeen liitettyyn lukuelektroniikkaan, jolloin saadaan tietoa säteilyn ominaisuuksista. Fysiikan tutkimuslaitoksessa (HIP) ja sen edeltäjissä on tutkittu ja kehitetty kaasutäytteisiä ilmaisimia kansainvälisiin tieteen suurhankkeisiin jo vuosikymmenten ajan. Alkupiste kaasutäytteisten säteilynilmaisinten tutkimus- ja kehitystoiminnalle  voidaan ajoittaa 1980-luvun puoliväliin, kun Fysiikan tutkimuslaitoksen edeltäjä Suurenergiafysiikan laitos (SEFL) liittyi mukaan CERNin LEP-hankkeeseen. Laitokseen perustettiin ryhmä osallistumaan DELPHI-koeaseman hadronikalorimetrin soihtumoodissa toimivien lankakammioilmaisinten suunnitteluun, testaukseen ja myös itse kokoonpanoon suomalaisen muoviteollisuuden avustuksella (ks. kuva). Tätä varten perustettiin tarvittava infrastruktuuri Siltavuorenpenkereen laboratorioon ja myöhemmin v. 1987 Otaniemen uuteen teknologiakylään. Ilmaisinmoduulit tarkkuusmuoviosineen toimitettiin CERNiin vv. 1986-87 [1].

Soihtuilmaisinmoduuli DELPHI-koeasemaan [kuva Jouni Heino].

Kaasutäytteisten ilmaisinten kehitystyö jatkui 1990-luvun alussa perustetun Suurenergiafysiikan tutkimuslaitoksen (SEFT) Otaniemen teknologiakylän naapuriin valmistuneen uuden Innopoli-rakennuksen avarissa laboratoriotiloissa. Tutkittavat tekniikat olivat pääasiassa yksi- ja monilankakammiot samaten kuin uudet mikronauha-kaasuilmaisimet (MSGC), joista toivottiin vaihtoehtoa suuren hiukkassäteilyintensiteetin olosuhteissa. Hyvin merkittävä tutkimushaara oli myös Kari Kurvisen käynnistämä ns. ikääntymistutkimus kaasutäytteisillä ilmaisimilla. Samaten jatkettiin geneeristä ilmaisintutkimusta.

Samoihin aikoihin, kun Fysiikan tutkimuslaitos (HIP) perustettiin (syksy 1996), ilmaantui myös uudenlainen, mikrokuvioitu kaasuilmaisinteknologia. Tämä Fabio Saulin kehittämä ilmaisin sai nimekseen GEM (Gas Electron Multiplier) eli kaasuelektronimonistin. GEM-ilmaisimen rakenne on hyvin yksinkertainen. Sen tärkein osa on ohut komposiittikalvo (ks.kuva), joka koostuu eristävästä muovikalvosta (paksuus 50 – 75 μm) ja sen molemmilla puolilla olevasta metallipinnoitteesta (paksuus n. 5 μm). Komposiittikalvon läpi on lisäksi työstetty erittäin tiheä, säännöllinen reikäkuviointi. Metallipinnoitteiden välille on kytketty suurjännite, joka saa aikaan hyvin voimakkaan sähkökentän reikien sisälle, joka moninkertaistaa jo ionisaation yhteydessä syntyneiden, alkuperäisten elektronien määrän. Varauspilvi kerätään lopuksi erillisen sähkökentän avulla lukulevylle, josta saadaan selville tulevan säteilyn paikka- ja energiainformaatio.

Leikkauskuva kaasuelektronimonistinkalvosta (GEM) simuloiden elektronivyöryä yhden reiän sisällä. Valkeat jäljet esittävät monistuvien elektronien kulkua ja keltaiset positiivisesti varautuneita ioneja. [kuva Timo Hilden]

Vuonna 2001, kun Fysiikan tutkimuslaitos sai uudet, keskitetyt tilat Kumpulan kampuksen uudesta Physicum-rakennuksesta, myös Ilmaisinlaboratorio sai paremmat laboratoriotilat laajoine puhdastiloineen. Tämä mahdollisti entistä paremmat mahdollisuudet osallistua erilaisiin, suurten hiukkastutkimuskeskusten kokeellisiin ilmaisinhankkeisiin.

TOTEM T2

Vuodesta 2004 lähtien CERNin LHC-törmäyttimen TOTEM-kokeeseen alettiin suunnitella GEM-ilmaisimiin perustuvaa, varattujen hiukkasten havaitsemiseen tarkoitettua teleskooppia (T2). T2 koostui 40:stä yksittäisestä kolmois-GEM -ilmaisimesta nauha- ja pad-signaalinlukupiireineen siten, että molemmin puolin törmäyspistettä IP5, n. 14 metrin etäisyydelle etusuunnassa, oli sijoitettu 20 puoliympyrän muotoista GEM-ilmaisinta. HIPin TOTEM-ryhmän vastuulla tässä kollaboraatiossa oli kaikkien näiden ilmaisinkomponenttien laadunvarmistus, kokoonpano ja ensimmäiset toimintatestausmittaukset. Tämä työ tehtiin pääosin Ilmaisinlaboratorion puhdastiloissa yhteistyössa ukrainalaisen (Harkov) instituutin työntekijöiden kanssa. Kaikki 40 kolmois-GEM -ilmaisinta (+10 varailmaisinta) saatiin rakennetuksi ja asennetuksi toimintavalmiiksi (ks. kuva) ensimmäisiin TOTEM-ajoihin v. 2009 [2].

Ilmaisinlaboratoriossa kokoonpantu ja testattu T2-ilmaisinyksikkö valmiina kuljetettavaksi CERNiin [kuva Jouni Heino].
T2-teleskoopin 20 GEM-ilmaisinta (10+10) valmiina yhteenpakattavaksi ja paikalleen työnnettäväksi beamiputken ympärille [kuva Jouni Heino].

GEM TPC -prototyyppi

Vireillä oli myös yritys osallistua Saksassa, Darmstadtissa sijaitsevan FAIR (Facility for Antiproton and Ion Research) -tutkimuskeskuksen PANDA (antiProton ANnihilations at DArmstadt) -kokeeseen. Tätä varten valmistettiin GEM-teknologiaan perustuva ajautumiskammio (TPC) -prototyyppi PANDAn kohtiospektrometrin ulompaan ratailmaisimeen.

Kuitenkin vuonna 2008 tehtiin päätös jättää tämä PANDA-yhteistyö ja keskittyä FAIRin NUSTAR (NUclear STructure, Astrophysics and Reactions) -kokeen Super FRS (Super FRagment Separator) -projektiin.

GEM-ilmaisimiin perustuva kaksois-ajautumiskammio (Twin-TPC) FAIRiin

Ollen nyt virallisesti mukana FAIRiin suunnitellussa Super FRS -hankkeessa laboratoriossa kehitettiin ja valmistettiin Francisco Garcian johdolla kaksois-GEM-TPC -prototyyppi jäljitys- ja diagnostiikkatarkoituksiin. Kukin ilmaisinyksikkö koostui kolmois-GEM -kammiosta ja signaalinlukusysteemistä, joka perustui GMX-NYXOR -lukuelektroniikkakortteihin [3].

GEM-tekniikkaan perustuva kaksois-TPC -prototyyppi 2 (HGB4-2) testisäteilytyksessa GSI/FAIR:ssä, Darmstadtissa [kuva Francisco Garcia].

Tällä hetkellä tilanne on sellainen, että yhteistyösopimuksen mukaan viisi GEM-TPC -ilmaisinta tullaan rakentamaan Ilmaisinlaboratorion puhdastiloissa.

TPC-ilmaisinpäivitys CERNin ALICE-koeasemaan

Vuonna 2013, Eija Tuomisen johtama HIPin Ilmaisinlaboratorio käynnisti ALICEn ajautumiskammio-ilmaisinten (TPC) päivityshankkeen [4]. ALICE-kollaboraatio päätti päivittää vanhat lukukammiot (ReadOut Chambers eli ROCs), jotka perustuivat vielä porttimoodissa toimiviin monilankakammioihin. Tulossa olevaa LHC:n kolmatta ajoa (Run 3) varten uudet kammiot rakennettiin käyttäen jatkuvatoimiseen signaalinlukuun perustuvaa GEM-teknologiaa. HIP oli sopinut ottavansa vastuulleen GEM-kalvojen laadunvarmistuksen (yhteensä n. 180 m²), jotka tarvittiin TPC:n kahden päätykannen varustamiseen. Tässä hyödynnettiin aikaisempaa kokemusta TOTEMin T2-teleskoopin tuotannosta.Laadunvarmistusmetodeja kehitettiin edelleen vastaamaan uusia tarkkuusvaatimuksia. Muun muassa kehitettiin optinen tarkkuusskanneri (ks. kuva), jota käytettiin kirjaimellisesti kuvaamaan ja mittaamaan joka ainoa GEM-kalvojen reikä, joita yhdellä tyypillisellä kalvolla oli n. 10 miljoonaa kpl. HIPissä tehdyn tutkimuksen [5,6] perusteella voitiin osoittaa, että GEM-kalvojen vahvistusaste paikallisesti pystytään menestyksellisesti ennustamaan reikien geometristen ominaisuuksien perusteella.

Laboratorion henkilökunnan operoima optinen tarkkuusskanneri, jota käytettiin ALICEn TPC-lukukammioiden (ROCs) laadunvarmistukseen [kuva Erik Brücken].

GEM-kalvoja skannattiin ja testattiin HIPissä yli kahden ja puolen vuoden ajan ja ne lähetettiin edelleen kokoonpanokeskuksiin, joissa ne viimeisteltiin ja testattiin. Tätä nykyä TPC on täysin asennettu ja valmis datan keruuseen.

Kaasutäytteiset ilmaisimet opetuskäytössä

Vuoden 2010 vaiheilla alettiin Rauno Lauhakankaan ja Timo Hildenin johdolla rakentaa yksinkertaisia verrannollisuuslaskureita (proportional counters) opetustarkoituksiin käyttäen materiaalina poisheitettyjä, tavallisia metalliputkia. Tarvittavan sähkökentän luomiseen ja sähkövarausta keräävänä anodi-elektrodina käytettiin 25 μm:n paksuista kupari-beryllium -lankaa. Säteilytysikkuna pehmeille röntgensäteille tehtiin poraamalla reikä putken sivulle ja peittämällä se ohuella Mylar-muovikalvolla. Putkenkappaleen päädyt tulpattiin muovikorkeilla jättäen läpiviennit korkeajännitteen syötölle ja kaasuletkulle.

Nämä säteilynilmaisimet toimivat erittäin hyvin, jolloin päätettiin tehdä tästä oma, erillinen laboratoriotyöharjoitus opiskelijoille. Samoihin aikoihin oli käynnistetty uusi, pohjoismainen, ionisoivan säteilyn ilmaisimia käsittelevä intensiivikurssi (Nordic Detector Course). Kurssin teoriaosuus käytiin ensin läpi Kööpenhaminassa ja Tukholmassa, jota seurasi viikon käytännöllinen harjoitusjakso HIPin Ilmaisinlaboratoriossa. Täällä kukin opiskelijaryhmä rakensi itse omat verrannollisuuslaskurinsa, testasi niiden toimivuuden ja raportoi tuloksistaan. Seuraavan tason verrannollisuuslaskureissa käytettiin vielä enemmän kierrätysmateriaaleja, kuten esim. tyhjiä olut- ja virvoitusjuomatölkkejä (ks. kuva) ja poisheitettyjen sähköjohtojen säikeitä, halkaisjaltaan 50 – 100 μm. Yksityiskohtaisempi selvitys näistä ilmaisimista löytyy viitteestä [7]. Tarkoitus oli siis levittää ideaa opiskelijakoulutukseen soveltuvasta, erittäin edullisesta, tee-se-itse säteilynilmaimesta. Tästä tuli huikea menestystarina opiskelijoiden keskuudessa, joka päätyi viralliseksi, Erik Brückenin vetämäksi laboratoriokurssiksi (PAP328), nimeltään “Instrumentoinnin laboratoriokurssi” ( Laboratory Course on Instrumentation). Pääasiana oli siis omin käsin rakentaa toimiva säteilynilmaisin ja testata sekä karakterisoida se huippuluokan laboratoriolaitteilla. Tämän kurssin läpäisevät opiskelijat ovat siten hyvin valmistautuneita tekemään esim. gradu-tutkielmansa suurenergiafysiikan instrumentoinnissa.

Opiskelijan (Joshua Reed) virvoitusjuomatölkistä valmistama verrannollisuuslaskuri [kuva Erik Brücken].

Mitä sitten tulee kaasutäytteisten ilmaisinten nykyiseen käyttöön ionisoivan säteilyn havaitsemiseen varsinkin suurissa CERNin LHC- ja BNL:n RHIC-kokeissa, joissa niitä käytetään jäljitykseen ja myonien tunnistukseen, niin voidaan sanoa tämän teknologian olevan nyt huipussaan. Nopeus- ja tarkkuusominaisuuksissa puolijohteisiin perustuvilla ilmaisimilla on monia etuja puolellaan, mutta hinnat ovat edelleen paljon korkeammat kuin kaasutäytteisillä. Tämä näkyy varsinkin silloin, kun ilmaisimilta vaaditaan suurten pinta-alojen kattamista. Kaasutäytteiset detektorit voivat toisaalta toimia myös nopeina ajoitusilmaisimina. Tämän on osoittanut viime vuosina esim. CERNin RD51-ohjelman Picosec Micromegas -kollaboraatio, jossa HIP on mukana. Micromegasilla tarkoitetaan siis jälleen yhtä erilaista versiota kaasutäytteisistä säteilynilmaisimista. Tässä ryhmässä Micromegas-ilmaisinta käytetään yhdessä Cherenkov-säteilijän ja valokatodin kanssa havaitsemaan läpikulkevia hiukkasia noin 10 ps:n aikaresoluutiolla. 

Jouni Heino
laboratorioinsinööri
Helsingin yliopisto, Fysiikan tutkimuslaitos

Erik Brücken
yliopistonlehtori, tutkija HIP-projekti (
CMS Upgrade)
Helsingin yliopisto, Fysiikan tutkimuslaitos

[1] J. Tuominiemi, Kuplakammiofysiikasta Higgsin bosoniin – Suomalaisen kokeellisen hiukkasfysiikan viisi ensimmäistä vuosikymmentä, Fysiikan tutkimuslaitos, Lahti 2018.
[2] T. Hilden et. al., The TOTEM T2 GEM detector assembly and quality assurance, JINST 4 (2009), P11020.
[3] F. García et al., A GEM-TPC in twin configuration for the Super-FRS tracking of heavy ions at FAIR, Nucl. Instrum. Meth. A 884 (2018), 18.
[4] J. Adolfsson et al. (ALICE TPC Collaboration), The upgrade of the ALICE TPC with GEMs and continuous readout, JINST 16 (2021) 03, P03022, doi:10.1088/1748-0221/16/03/P03022.
[5] T. Hildén et al., Optical quality assurance of GEM foils, Nucl. Instrum. Meth. A 770 (2015), 113.
[6] E. Brücken et al.,Hole Misalignment and Gain Performance of Gaseous Electron Multipliers, Nucl. Instrum. Meth. A 1002 (2021) 165271. [7] A. Winkler, et al., A gaseous proportional counter built from a conventional aluminium beverage can, Am. J. Phys. 83 (2015) 733, doi:10.1119/1.4923022.

Magneettisia monopoleja ja muita eksoottisia hiukkasia

Magneettiset monopolit ovat hiukkasia, jotka tavallisesta magneetista poiketen omaavat vain yhden navan – niillä on joko pohjois- tai etelänapa, mutta ei molempia. Ne eivät ole kuitenkaan hiukkasia, jotka synnyttäisivät magnetismin – tämä johtuu sähkövarauksellisten hiukkasten liikkeestä ja alkeishiukkasten magneettisesta momentista. Magneettisia monopoleja ei ole havaittu, mutta useat teoriat ennustavat hiukkasten olemassaolon.

Fysiikan tutkimuslaitos on mukana Cernin MoEDAL-kokeessa [1], joka etsii magneettisia monopoleja ja muita eksoottisia hiukkasia LHC-kiihdyttimellä. MoEDAL poikkeaa muista kiihdyttimelle asennetuista kokeista sillä, että se koostuu pääosin passiivisista ilmaisimista. Kokeen ilmaisimet ovat magneettisten monopolien loukku -ilmaisimet (Magnetic Monopole Trapper, MMT), sekä ydinjälki-ilmaisimet (Nuclear Track Detector, NTD) [2].

MoEDAL-kokeen monopoliloukut ja ydinjälki-ilmaisimet aseteltuina LHC-kiihdyttimen törmäyspiste 8:n ympäristöön. Kuvan keskellä on LHCb-kokeen VELO-ilmaisin (Kuva: MoEDAL-kollaboraatio).

Monopoliloukut ovat alumiiniharkkoja, joita on kasattu eri puolille hiukkassuihkujen törmäyspistettä. Alumiinilla on suuri magneettinen ydinmomentti, joten se voi kaapata ohi kulkevan monopolin sisäänsä. LHC:in ajojen päätyttyä törmäyksille altistetut harkot analysoidaan herkällä magnetometrillä, joka kykenee havaitsemaan monopolin tuottaman poikkeaman alumiinin magneettisissa ominaisuuksissa. Monopolin loukkuuntuminen harkkoon on käytännössä pysyvä, joten mikäli magnetometri havaitsisi poikkeaman harkon ominaisuuksissa, voitaisiin se kuljettaa analysoitavaksi toisilla laitteilla, joiden myös tulisi antaa samanlainen signaali.

Vasemmalla esimerkki laatikoista, joita on kasattu monopoliloukkujen sisään. Oikealla LHC-ympäristöön asennettu loukku, joka sisältää 14–18 laatikkoa (Kuva: MoEDAL-kollaboraatio).

Ydinjälki-ilmaisimet ovat tavallisia muovikalvoja, joita on pinottu päällekkäin. Altistettaessa säteilylle, varatut hiukkaset rikkovat muovin molekyyliketjuja kulkiessaan kalvojen lävitse. Etsaamalla, eli sijoittamalla säteilytetty kalvo esimerkiksi lämpimään lipeäliuokseen, tulevat vauriot esiin kartiomaisina kuoppina. Kuoppien halkaisija ja syvyys on riippuvainen läpikulkeneen hiukkasen massasta, energiasta ja varauksesta. Lisäksi kuopan pyöreydestä voidaan arvioida hiukkasen tulokulma.

Ydinjälki-ilmaisimia käytetään yleisesti esimerkiksi säteilyannosmittareina tai hiukkassuihkujen ominaisuuksia tutkittaessa. Kalvojen jälkiä voidaan tutkia ja mitata tavallisella mikroskoopilla. LHC-ympäristössä säteilyntaso on kuitenkin niin suurta, että ilmaisimet saturoituvat. Tällöin kalvojen jälkikäsittelystä ja analysoinnista tulee huomattavasti monimutkaisempaa ja vaikeampaa. Tämän vuoksi jälkien analysointiin tarvitaan erilaisia konenäkömenetelmiä, sekä koneoppimista, kuten esimerkiksi neuroverkkoja. Ilmaisinlaboratorion puhdastiloissa sijaitseekin laitteisto, jota hyödynnetään jälki-ilmaisimien analysoinnissa.

Fysiikan tutkimuslaitoksen Ilmaisinlaboratorion optinen kuvantamislaitteisto skannaamassa ydinjälki-ilmaisinta, sekä laitteistolla otettu kuva kalvosta, joka on altistettu sekä LHC-ympäristölle, että lyijyionisuihkulle. Kuva kattaa noin 1 mm × 0.8 mm kokoisen alueen kalvosta. Lyijyionien tekemät jäljet erottuvat pyöreinä jälkinä ja niiden hajoamistuotteet mustina. Muut jäljet ovat peräisin LHC:in säteily-ympäristöstä.

Vaikka LHC:in hiukkassuihkut ovat pääosin protonisuihkuja, on laitteen aikataulussa varattu aika myös raskasionisuihkujen käyttöön kiihdyttimellä. Tällöin laitteistolla kiihdytetään ja törmäytetään lyijyioneja. Nobelin fysiikanpalkinnon saanut yhdysvaltalaistutkija Julian Schwinger osoitti, että sähköisesti varattuja hiukkasia voi syntyä voimakkaassa sähkökentässä. Samalla tavalla myös voimakas magneettikenttä voisi synnyttää magneettisia monopoleja.

MoEDAL-kokeen uusimmassa Nature-lehdessä julkaistussa tutkimustuloksessa tarkasteltiin mahdollisuutta havaita magneettisia monopoleja raskasionitörmäysten seurauksena [3]. Vuoden 2018 lyijy-lyijy –törmäyksissä ionien välinen magneettikentän voimakkuus saattoi kohota jopa 1016 teslaan. Tämä on voimakkuudeltaan noin 33 tuhatta biljoonaa kertaa voimakkaampi kuin magneetit, joita käytetään esimerkiksi magneettikuvantamisessa. Julkaistu tutkimus on ensimmäinen, jossa mekanismia hyödynnetään magneettisten monopolien etsimisessä.   Yhdistämällä kokeen simulaatiomallit alumiiniharkkojen mittaamisiin kyettiin saatujen tulosten avulla pienentää aluetta, josta monopoleja ja muita eksoottisia hiukkasia voidaan etsiä hiukkaskiihdyttimillä. Lisäksi tulosten perusteella voidaan suunnitella uusia mittauksia hyödyntäen käytettyä mekanismia ja etsiä jälkiä myös muista harvinaisista vuorovaikutuksista.

Taiteilijan näkemys lyijy-lyijy törmäyksissä syntyvästä monopoliparista. Monopolit syntyvät pareittain, jolloin toisella hiukkasella on pohjois- ja toisella etelänapa (Kuva: James Pinfold, MoEDAL-kollaboraatio).

MoEDAL-koe ei ole vielä havainnut magneettisia monopoleja tai muita eksoottisia hiukkasia, mutta mittauksia jatketaan LHC-kiihdyttimellä tämän vuoden aikana alkavilla ajoilla. Monopoliloukkujen ja jälki-ilmaisimien lisäksi uutena kokeeseen liitetään aktiivinen tuikeilmaisimista koostuva MAPP-ilmaisin, jonka tavoitteena on havaita hiukkasia, joiden sähkövaraus voi olla vain murto-osa elektronin varauksesta. Ilmaisinta ollaan parhaillaan asentamassa yhteen LHC:in sivutunneliin noin sadan metrin päähän törmäyspisteestä. Tullakseen havaituksi tuikeilmaisimilla, törmäyspisteessä syntyvien hiukkasten tulee läpäistä noin 40 metriä kalliota ja betonia.

Monte Carlo -simulaatio millielektronivoltin hiukkasten kulkeutumisesta MAPP-mCP -ilmaisimelle.

Matti Kalliokoski
Yliopistotutkija
Fysiikan tutkimuslaitos

[1] MoEDAL-MAPP Experiment, https://moedal.web.cern.ch/.
[2] B. Acharya et al., Search for Magnetic Monopoles with the MoEDAL Forward Trapping Detector in 13 TeV Proton-Proton Collisions at the LHC, Physical Review Letters 118 (2017) 061801
(https://arxiv.org/abs/1611.06817)
[3] B. Acharya et al., Search for magnetic monopoles produced via the Schwinger mechanism, Nature 602 (2022) 7895, p. 63-67 (https://arxiv.org/abs/2106.11933)

Holografinen dualiteetti hiukkasfyysikon työkalupakissa

1900-luvun kaksi merkittävintä teoreettisen fysiikan pilaria ovat yleinen suhteellisuusteoria sekä kvanttikenttäteoria. Vuosikymmenien ajan näiden pilarien alle yritettiin sovittaa yhteistä jalustaa, kaikki luonnonvoimat sisällään pitävää yhtenäisteorian. Vuosisadan lopussa muotoutui uusi lähestymistapa, vastaavuus kvanttikenttäteorian ja painovoimateorian välillä nk. gauge/gravity -dualiteetti [1]. Tämä vastaavuus auttaa näkemään nämä kaksi perustavanlaatuisesti eri materiaaleista kasattua pilaria saman fysiikan eri ilmentyminä. Ajatusmalli poikkeaa täysin aiemmasta mallista, jossa kaikki luonnonvoimat voitaisiin kuvata yhden yhtenäisteorian turvin.

Gauge/gravity -dualiteetin perusajatus on se, että kvanttikenttäteoriat voidaan muotoilla vaihtoehtoisesti kvanttipainovoiman teorioina. Yksi gauge/gravity -dualiteetin omituisuuksista on se, että kvanttikenttäteoria sekä painovoimateoria elävät paitsi eri aika-avaruuksissa myös vieläpä eri ulottuvuuksissa.  Nämä aika-avaruudet eivät kuitenkaan ole täysin riippumattomat. Tämänhetkisen ymmärryksen mukaan kvanttikenttäteoria eläisi painovoimateorian asuttaman aika-avaruuden reunalla. Tästä syystä gauge/gravity -dualiteettia kutsutaankin useasti holografiseksi dualiteetiksi. Holografia kertoo kuinka korkeampiulotteinen painovoimavuorovaikutus on kudottu kvanttikenttäteorian ilmiömaailmaan, aivan kuin kolmiulotteinen hologrammi voidaan optisesti rekonstruoida kaksiulotteiselta kankaalta.

Kvanttikenttäteorioita on ääretön määrä. Hyvästä syystä yksi tunnetuimmista näistä on hiukkasfysiikan Standardimalli, joka on luonnon tarkka kuvailu korkeimpiin hiukkaskiihdyttimissä testattuihin energioihin asti. Painovoimavuorovaikutuksen välittäjähiukkanen, gravitoni, voi kytkeä materiahiukkasiin monin eri tavoin. Työ säieteorian parissa on opettanut, että matemaattisesti ristiriidattomia tapoja rakentaa kvanttipainovoimateoria on myöskin rajaton määrä. Gauge/gravity -dualiteetin vastaavuus ei kuitenkaan kerro, että mikä tahansa kvanttikenttäteoria voidaan muotoilla kvanttipainovoimateorian sävelin, mutta että sisäisesti ristiriidattomat kvanttipainovoimateoriat ovat itseasiassa piileviä kvanttikenttäteorioita.

On osoittautunut, että hiukkasfysiikan ilmiöiden tarkastelu käyttäen holografista dualiteettia on ollut erittäin palkitsevaa, vaikka tällöin päädytäänkin korkeampiulotteisten maailmojen pariin.  Ehkä tässä vaiheessa onkin hyvä muistaa, että taitavan fyysikon tuleekin osata tehdä hyviä approksimaatioita. Joskus eteen tulee fysiikan ongelmia, jotka ratkeavat analyyttisesti, mutta tämä on ennemminkin poikkeuksellista. Tyypillisesti joudummekin turvautumaan jonkinasteiseen häiriöteoreettiseen menetelmään. Erityisen ansiokas esimerkki tästä on polkuintegraalien Feynmanin diagrammiekspansio, jota Fysiikan tutkimuslaitoksessakin on ansiokkaasti kehitelty vuosien mittaan.

Joskus vastaan tulevan fysiikan ongelman parhainkaan kuvailu ei taivu häiriöteoreettiseksi, tyypillisesti tilanteissa, joissa vuorovaikutuksia kuvaava kytkinvakio on pienen sijaan kertalukua yksi tai jopa suurempi. Tämä ei sinänsä ole teorian ongelma, ongelmaksi muodostuu itse teorian ratkaiseminen. Esim. kvanttiväridynamiikka (QCD) on mitä mainioin teoria vahvojen vuorovaikutuksien kuvailuun korkeilla energioilla, mutta kvarkkien värivankeuden matemaattinen osoittaminen matalilla energioilla on teknisesti hyvin monimutkaista juurikin QCD:n kytkinvakion kasvaessa suureksi.

Tässä päästäänkin holografisen dualiteetin käyttökelpoisimpaan alueeseen: kun toinen teorioista on heikosti vuorovaikuttava, duaalinen teoria on suuren kytkennän alueessa. Valitettavasti tämä ei ole kuitenkaan kaksisuuntainen tie, sillä, jos teoria on vahvasti kytketty, niin siitä ei suoraan pysty päättelemään, että duaalinen kuvailu olisi heikosti kytketty. QCD:n vahvojen vuorovaikutuksien ilmiömaailmaa onnistumme kuitenkin tarkastelemaan heikosti vuorovaikuttavan duaalin avulla.

Jos olemme kiinnostuneet kvanttipainovoimateoriasta, niin holografisen dualiteetin avulla pystymme tutkimaan sitä myös sen alueen ulkopuolella, joka meillä on hallinnassa. Vastaavasti, jos olemme kvanttikenttäteoreetikkoja, duaalisen painovoimateorian avulla pystymme vastamaan kysymyksiin, jotka ovat häiriöteoreettisen tarkastelumme tavoittamattomissa. Vaikka reaalimaailman QCD:n duaalia ei vielä tunneta, on holografia erittäin käyttökelpoinen työkalu. Itseasiassa jo yksinkertaisin duaalimalli joka kuvaa ns. konformaalista suuren värien määrän supersymmetristä Yang-Mills teoriaa on tuottanut uutta kvalitatiivista ymmärrystä raskasionitörmäyksien fysiikasta. Edistyneemmät QCD-mallit, joita Fysiikan tutkimuslaitoksen tutkijatkin ovat kehittäneet, ovat sopusoinnussa lähes kaiken tunnetun QCD-fysiikan kanssa.

Periaatteellisella tasolla hilatutkijat voisivat ratkaista QCD:n myös siinä alueessa, jossa häiriöteoria ei toimi ja meillä ei näin olisi välttämättä tarvetta holografiselle lähestymistavalle. Käytännössä kuitenkin hilalähestymistapa ei tällä hetkellä sovellu lainkaan dynaamisiin prosesseihin kuten esimerkiksi raskasionitörmäyksiin tai kun aineen tiheys on suuri eli ydinaineen kuvailuun. Holografisilla malleilla tällaisia teknisiä rajoitteita ei ole ja Helsingin ryhmä onkin ollut uraauurtavassa asemassa näiden duaalitekniikoiden soveltamisessa mm. neutronitähtien kontekstissa. Kiinnostunut lukija voi tutustua aiheeseen lisää hiljattain valmistuneesta kirjallisuuskatsauksesta [2].

Kuvassa aineen tilanyhtälön (paine vs. energia) teoreettinen ymmärrys. Sininen alue kattaa kaikki fysikaalisesti mahdolliset arvot ja punainen alue kuvastaa holografian ennustavuutta. Punaisen alueen odotetaan entisestään pienentyvän, kun sekä hila-QCD:n että ydinaineen efektiivisen teorian liikkumavarat kaventuvat. Esimerkkikäyrät kuvastavat holografisen mallin (V-QCD) sulautumista hila-QCD:n suomin liikkumavaroin (softista stiffiin) tiettyyn efektiiviseen ydinaineen malliin (APR) pienillä paineilla eli tiheyksillä.

Muita holografian sovelluskohteita, joita Helsingissä on tutkittu lähiaikoina ovat kvantti-informaatioon liittyvät kysymykset (mm. lomittuminen), useat kiinteän aineen ilmiöt (kvantti-Hall-ilmiö, kummalliset metallit, spontaani symmetriarikko) sekä gravitaatioaaltojen tuotto varhaisen maailmankaikkeuden faasitransitioissa. Näistä kertominen jääköön kuitenkin toiseen kertaan.

Holografia on opettanut, että yleinen suhteellisuusteoria ja kvanttikenttäteoria ovat kuin kolikon kääntöpuolet. Kolikkoa, jonka kääntöpuolelle on lyöty QCD on syytä kuitenkin etsiä huolella [3].

Niko Jokela
vanhempi tutkija, HIP-projekti (High Energy Phenomenology in the LHC era)
Fysiikan tutkimuslaitos

[1] A.V. Ramallo, “Introduction to the AdS/CFT correspondence,” arXiv:1310.4319
[2] C. Hoyos, N. Jokela, ja A. Vuorinen, “Holographic approach to compact stars and their binary mergers,”  arXiv:2112.08422
[3] Linkki historianet.fi sivustolle:  Fyysikko Isaac Newtonista tuli rahanväärentäjien kauhu

FAIR-kiihdytinlaboratorion ensimmäiset kokeet pandemian keskellä

Osallistuin vuoden 2020 maaliskuussa erään tutkijayhteisön vuosikokoukseen FAIR-tutkimuslaitoksessa Saksassa. Tämä on minulle arkipäivää, sillä työskentelen tiiviisti FAIR-kiihdytinlaboratorion rakentamisen parissa. Tuohon aikaan teimme kollegoideni kanssa valmisteluja ydinfysiikan koetta varten, joka tehtäisiin kyseisen vuoden huhtikuussa. Tämä koe oli tärkeä, koska se liittyi ensimmäiseen FAIR-kiihdytinlaboratorion koeohjelmaan (FAIR Phase-0). FAIR Phase-0 koeohjelma toteutetaan olemassa olevilla kiihdyttimillä ja uusilla mittalaitteilla.

FAIR Phase-0 kokeen valvontaa etänä huhtikuussa 2020. Tutkijat pystyivät kontrolloimaan koetta reaaliaikaisesti, vaikka kotisohvalta verkon välityksellä. Seurattavia asioita olivat mm. kiihdyttimen ja mittalaitteiden toiminta ja mittausdatan virheetön tallennus sekä laatu. Virhetilanteet järjestelmä ilmoitti käyttäjän ruudulle. Koetta valvottiin kahdeksan tunnin vuoroissa kellon ympäri. Saksassa päivysti fyysikko puhelinsoiton päässä, jos koe vaati ihmisen paikallaoloa.

Olin henkilökohtaisesti odottanut mahdollisuutta kokeelliseen tutkimukseen FAIRissä. Pääsisin vihdoin näkemään kiihdyttimet ja mittalaitteet toiminnassa.

Ajallisesti olimme noin viikon päässä siitä, että koronaviruspandemia levisi laajalti Eurooppaan. Muistan ajatelleeni, että tilanne rauhoittuisi kevääseen ja kokeeni alkuun mennessä. En olisi voinut olla enempää väärässä. Nyt kaksi vuotta kyseisen tapahtuman jälkeen olemme edelleen jotakuinkin samassa tilanteessa.

Kokeellisen kiihdytinpohjaisen fysiikan tutkimus vaatii paljon mittalaitteistojen kehitys-, ylläpito- ja optimointityötä, jonka toteuttaminen etänä on käytännössä mahdotonta. Lisäksi tämä työ tehdään usein laajassa kansainvälisessä yhteistyössä, jolloin tutkijat matkustavat laboratorioon osallistuakseen sekä itse kokeeseen, että sen valmisteluun. Kaiken tämän näytti koronaviruspandemia keväällä 2020 estävän.

Pakon edessä tutkijat, kuten koko ihmiskunta, kehittivät luovia ratkaisuja. Phase-0 koeohjelma saatiin vuoden 2020 osalta käyntiin uuden etäkäyttömahdollisuuden ansiosta. Virtuaalinen osallistuminen kokeisiin on jatkunut läpi pandemian. Kuluva vuosi on tuskin poikkeus, sillä fyysinen osallistuminen on edelleen epävarmaa.

Näiden kahden vuoden aikana suomalaiset tutkijat ovat osallistuneet useisiin kokeisiin, joiden teemat vaihtelevat ydinastrofysiikasta uudenlaisten sädehoitojen kehittämiseen.

Suomalaiset tutkijat ovat mukana tutkimassa raskaiden, neutronirikkaiden atomien ytimiä. Tutkimus toteutettiin törmäyttämällä SIS18-synkrotronilla kiihdytettyjä lyijyatomeita berylliumkohtioon. Törmäyksen vaikutuksesta lyijyatomien ytimet pirstoutuvat kevyemmiksi ytimiksi, jolloin tuotetaan luonnossa esiintymättömiä radioaktiivisia ytimiä.

Osa tuotetuista ytimistä ovat tärkeitä tutkimuskohteita astrofysikaalisen r-prosessi-alkuainesynteesin kannalta. Luonnon raskaimmat alkuaineet aina uraaniin saakka ovat syntyneet r-prosessin välityksellä. Tähän tarvitaan suuria neutronitiheyksiä, joita voi esiintyä esimerkiksi neutronitähtien törmäyksissä ja supernovaräjähdyksissä.

Atomien ytimen muodostavat hiukkaset–protonit ja neutronit–järjestäytyvät eri tavalla riippuen niiden lukumäärästä. Ytimet, joissa protonien ja neutronien lukumäärä on sama (N=Z), ovat erityisen kiinnostavia. Niissä protonien ja neutronien pariutuminen määrittää ytimen kvanttimekaanisia tiloja, joiden hajoamista tutkimalla saadaan tietoa itse vuorovaikutuksesta. N=Z ytimet ovat tärkeitä myös rp-prosessi-alkuainesynteesin ymmärtämisen kannalta. Suomalaiset tutkijat ovat olleet mukana myös näissä FAIR Phase-0 kokeissa mittaamalla atomimassoja ja kvanttimekaanisten tilojen hajoamistodennäköisyyksiä. Kiihdytinpohjaisen fysiikan tutkimusprojektit ovat pitkäkestoisia.

Edellä mainittujen kokeiden aineiston analyysi on vielä kesken, mutta odotan innolla tulosten valmistumista. Uskon, että suomalainen tiedeyhteisö tulee hyötymään FAIRista muutenkin kuin ydinfysiikan tutkimuksen osalta. Sitä ennen on sekä laboratorion rakentaminen että mittalaitteistojen toimitukset saatava loppuun. Kenties nyt vuonna 2022 pääsen osallistumaan kokeisiin paikan päällä FAIRissä.

FAIR-laboratorion rakennustyömaa joulukuussa 2021. Vasemmalla näkyy olemassa oleva kiihdytinhalli, jossa Phase-0 koeohjelma toteutetaan. Kuva: GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung GmbH, L. Möller

Lisätietoja: Tuomas Grahn, Fysiikan tutkimuslaitoksen FAIR-toiminnan projektipäällikkö, tuomas.grahn@jyu.fi, Twitter: @TuomasG, HIP blogi vuodelta 2019

Tuomas Grahn
Apulaisprofessori, projektipäällikkö, HIP-projekti (FAIR)
Jyväskylän yliopisto, Fysiikan tutkimuslaitos