Fysiikan tutkimuslaitoksella (HIP) on vastuu Suomen tutkimusyhteistyöstä Euroopan hiukkasfysiikan tutkimuskeskuksessa CERNissä, Genevessä, samoin kuin Suomen panoksen koordinoinnissa Darmstadtissa rakenteilla olevaan Antiprotoni- ja ionitutkimuksen keskukseen FAIRiin. Tässä blogikirjoituksessa käsiteltävät strategiat koskevat hiukkasfysiikan, ydinfysiikan ja astrohiukkasfysiikan strategioita, joiden eurooppalaisissa tutkimusyhteisöissä HIPillä on edustus. Nämä yhteisöt ovat ECFA (European Committee for Future Accelerators), NuPECC (Nuclear Physics European Collaboration Committee) ja APPEC (Astroparticle Physics European Consortium).

Mainitut tutkimusyhteisöt ovat viimeisen vuosikymmenen aikana lähentyneet toisiaan myös muodollisesti ja pyrkineet löytämään synergioita saadakseen olemassa olevasta alojen rahoituksesta mahdollisimman suuren hyödyn.

ECFA-, NuPECC- ja APPEC-yhteys

Mittaluokiltaan toisistaan valtavasti eroavien alojen (10^-35 metristä koko maailmankaikkeuden kokoon) yhteys lienee helpointa hahmottaa maailmankaikkeuden kehityksen kautta.

Samat luonnonlait ovat oleelliset kaikissa mittaluokissa. Näiden luonnonlakien löytämiseksi tarvitaan sekä alojen että kokeiden ja teorian välistä työskentelyä. Tällä hetkellä tutkitaan erittäin aktiivisesti esimerkiksi seuraavia aiheita (kts Joachim Koppin puhe, JENAS 2025):

• Pimeä aine: monia mahdollisia kandidaatteja, joita kokeilla etsitään. Oleellinen galaksien muodostuksessa
• Higgsin hiukkanen: löydettiin CERNissä vuonna 2012 ja on uusi väline useisiin tutkimusongelmiin, kuten hiukkassukupolvien määrä ja massat, sähköheikko faasitransitio, standardimallin laajennukset, sähköheikon tyhjiön stabiilius, jne
• Neutriinot: neutriinomakujen oskillaatio, neutriinoiden massat ja vuorovaikutukset, neutriinoiden luonne – ovatko ne itsensä antihiukkasia, neutriinot mustista aukoista, neutronitähdistä, jne
• Hyvin korkeaenergisten kosmisten hiukkasten alkulähde
• Hubblen vakion arvo: maailmankaikkeuden laajenemisen mittari, jonka arvosta on epäselvyyttä – voi johtua jostain aiemmin tuntemattomasta fysiikasta. Gravitaatioaallot voivat olla väline tämän tutkimiseksi
• Painavien alkuaineiden synty supernovissa ja neutronitähtien törmäyksissä tarvitsee lisäymmärrystä äärimmäisistä olosuhteista ja atomiytimistä stabiiliuden rajamailla

Euroopan hiukkasfysiikan strategia

Nyt erityisen ajankohtainen on Euroopan hiukkasfysiikan strategian (ESPP) päivitys, jota varten prosessi alkoi maaliskuussa 2024 CERNin neuvosto hyväksyessä päivityksen aikataulun. Ensimmäinen ESPP ilmestyi 2006, jonka jälkeen se on päivitetty 2013 ja 2020. Viimeisimmässä päivityksessä todettiin, että sopivalla keskipiste-energialla toimiva elektroni-positroni -törmäytin tuottaisi keskipiste-energiaa säätämällä valtavan määrän Higgsin hiukkasia tutkittavaksi. Keskipiste-energiaa muuttamalla kiihdytin tuottaisi muita standardimallin tehokkaita testejä ja voisi tehtailla myös valtavasti top-antitop -pareja. Onnistuneen korkean luminositeetin LHC-vaiheen jälkeen kyseinen kiihdytin voisi toimia alkuvaiheena protoni-protoni-törmäyttimelle, jonka keskipiste-energia olisi vähintään 100 TeV. Vuoden 2020 strategiassa ehdotettiin myös T&K -tiekarttaa tukemaan kansallisia ja Euroopan laajuisia ehdotuksia. Sittemmin ECFA on kyseisen tiekartan laatinut, ja sitä ollaan panemassa toimeen.

Kansallisesti Suomessa keskusteltiin päivityksestä hiukkasfysiikan päivässä marraskuussa 2024 ja maaliskuussa 2025 lähetettiin kokouksen keskustelun sisältävä syöte Euroopan hiukkasfysiikan strategiaprosessiin. Kansallisia ja muita syötteitä saatiin yhteensä 263. Myös pohjoismaisten yhteisöjen kokouksia strategiasta keskustelemiseksi on pidetty. Syötteistä keskustellaan kootusti ja laajasti Open Symposium -kokouksessa Venetsiassa kesäkuussa. Strategian päivitys luonnostellaan joulukuussa Sveitsin Monte Veritàlla, ja valmista on tarkoitus olla kesäkuussa 2026. Tärkeästä mahdollisesta seuraavasta CERNin lippulaivasta Venetsiassa esiteltäneen vaihtoehtoina ainakin FCC, lineaarikiihdytin, LEP3, LHeC ja myonikiihdytin.

Työtä strategiaa varten tehdään valmisteluryhmässä (PPG) ja Euroopan hiukkasfysiikan strategiaryhmässä (ESG).  PPG tuottaa työstään fysiikan ja teknologian eri aloilta noin 250 sivuisen ”Physics Briefing Book”-julkaisun, joka sisältää ryhmän kokoaman fysiikan ja teknologian ymmärryksen. ESG tarkastelee ja vertailee kansallisia syötteitä, projektiehdotuksia, suhteita lähialoihin, T&K-asioita, kestävää kehitystä, yleisötoimintaa jne. PPG-ryhmään on valittu eri alojen spesialisteja ja ESG-ryhmässä kullakin CERNin jäsenmaalla on edustaja.

Tärkein strategian päivityksestä saatava tieto on hiukkasfysiikan yhteisön priorisoima lista CERNin lippulaivahankkeeksi vuonna 2030 aloittavan korkean luminositeetin LHC (HL-LHC) törmäyttimen jälkeen.

Ydinfysiikan pitkän aikavälin suunnitelma

Ydinfysiikan yhteisön (NuPECC) pitkän aikavälin suunnitelma (Long Range Plan, LRP) valmistui 2024 ( arXiv:2503.15575). Fysiikan aiheista LRP:hen kuuluvat muun muassa hadronien fysiikka, vahvasti vuorovaikuttava aine ääriolosuhteissa, ytimien rakenne ja vuorovaikutusten dynamiikka, ydinastrofysiikka sekä symmetriat ja perusvuorovaikutukset. Mm CERNin ALICE3 ja (HIE-)ISOLDE sekä FAIRin super-FRS sisältäen matalaenergiaosuuden samoin kuin Jyväskylän kiihdytinlaboratorion IGISOL ovat tutkimuslaitteina mainittuina.

Ensimmäisenä suosituksena strategiassa on FAIR-tutkimuslaitoksen valmistuminen. FAIR tarjoaa tutkimukseen maailmanluokan mahdollisuuksia mainituilla LRP:n fysiikan alueilla.

Astrohiukkasfysiikan strategia

Astrohiukkasfysiikan yhteisön (APPEC) strategian 2017-2026 puolivälitarkastelu valmistui 2023. Strategiakautena on aloittanut APPECin teoriainstituutti EuCAPT, joka on sijoittunut CERNiin ainakin kahdeksi ensimmäiseksi viisivuotiskaudekseen ja jossa on mukana 126 instituuttia.

Suunnitteilla olevista gravitaatioaaltokokeista APPECin strategia tukee vahvasti Einstein-teleskoopin rakentamista ja myös LISA-missiota. APPEC tukee vahvasti myös Euroopan johtoroolia pimeän aineen suorassa etsinnässä, jota tehdään erityisesti LNGS:n tutkimusohjelmassa Italiassa. Muita tutkimuskohteita, teoreettisesti ja kokeellisesti, joita vahvasti tuetaan, ovat aksionin tapaisten hiukkasten etsinnät, neutriinokoe KM3NeT ja osallistuminen DUNE-, HyperKamiokande- ja JUNO-kokeisiin. Vuosien 2027-2036 strategian valmistelu on myös alkanut, ja sitä koskeva ”town meeting” on syksyllä 2025.

HIPin pitkän aikavälin strategia

Jokaisen em. yhteisön suositusten kohteita sisältyy HIPin tutkimukseen. HIP on tehnyt vuonna 2024 oman pitkän aikavälin strategian päivityksensä (long-term strategy sivulla hip.fi/about-us ). Strategia pohjaa jäsenyliopistojen strategisille päämäärille, ja myös tutkimusalojen eurooppalaisille strategioille.

Katri Huitu