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

Leave a Reply

Your email address will not be published. Required fields are marked *