Kokeellinen hiukkasfysiikan tutkimus Suomessa ennen Fysiikan tutkimuslaitoksen perustamista

Kokeellinen hiukkasfysiikan tutkimus Suomessa on viimeisen 25 vuoden aikana ollut Fysiikan tutkimuslaitoksen (HIP) vastuulla. Ennen HIPin perustamista alan tutkimusta oli tehty Helsingin yliopiston Suurenergiafysiikan laitoksen (vuoteen 1978 Ydinfysiikan laitoksen) ja v. 1991 perustetun Suurenergiafysiikan tutkimuslaitoksen voimin alkaen vuodesta 1966. Tarkempi kuvaus alan tutkimuksesta Suomessa 1966–2012 löytyy kirjasta ”Kuplakammiofysiikasta Higgsin bosoniin – Suomalaisen kokeellisen hiukkasfysiikan viisi ensimmäistä vuosikymmentä” (J.Tuominiemi 2018). Kirja on ladattavissa HIPin verkkosivuilla annetusta linkistä. Seuraavassa lyhyt yhteenveto tutkimuksen tärkeimmistä vaiheista ennen HIPin perustamista.

Ensimmäiset kokeet, joissa suomalaiset tutkijat olivat mukana, tehtiin CERNissä v. 1966. Tuolloin yksi alan tärkeimmistä tutkimuslaitteistoista oli kuplakammio. Kuplakammiolla otettiin tutkittavista hiukkastörmäyksistä valokuvia. Kuvista mitattiin syntyneiden hiukkasten radat sitä varten kehitetyillä projektoreilla, joita oli hankittu kokeisiin osallistuviin laboratorioihin. Näin kerättiin tutkimusaineistoa hiukkastörmäyksistä fysiikan analyysiä varten. Analyysi tehtiin instituuttien käytössä olevilla tietokoneilla. Kuplakammiokokeiden kulta-aika oli 1950-luvulta aina 1970-luvulle asti. Kokeet olivat aluksi tärkeitä hiukkaskiihdyttimillä tuotettujen uusien alkeishiukkasten etsinnässä. Kokeissa löydettiin suuri joukko uusia hiukkasia, jotka hajosivat edelleen tunnetuiksi stabiileiksi hiukkasiksi.

Yksi tärkeä esimerkki oli Omega-baryonin löytyminen, joka oli amerikkalaisen teoreetikon Murray Gellmanin esittämän SU3-symmetriaan perustuvan ”eightfold way”-teorian ennustama. Kuplakammiomenetelmän kehittämiseen vaikutti merkittävästi amerikkalainen professori Luis Alvarez, joka palkittiin tästä fysiikan Nobelin palkinnolla v. 1968.

Suomessa alan tutkimus alkoi v. 1969, jolloin pieni ryhmä Helsingin yliopiston Ydinfysiikan laitoksen (YFL) fyysikoita liittyi pohjoismaiseen yhteistyöryhmään (Scandinavian collaboration). Yhteistyöryhmäään kuuluivat Helsingin lisäksi Tukholman, Kööpenhaminan ja Oslon yliopisto. Helsinkiin hankittiin kuplakammiokuvien mittauslaitteisto ja aloitettiin kuvien analysointi tietokoneilla. Kuplakammiokokeissa tutkimusryhmät olivat nykyisiin kokeisiin verrattuna vielä pieniä, yleensä parinkymmenen tutkijan yhteenliittymiä.

Scandinavian collaboration teki ensin kokeita CERNin 30 GeV:n PS-protonikiihdyttimen yhteyteen juuri valmistuneella 2 m kuplakammiolla. Ensimmäisissä kokeissa tutkittiin protoni-protoni- ja protoni-deuteroni-törmäyksiä PS-kiihdyttimen protonisuihkuilla. Kiihdyttimestä ulosohjatun protonisuihkun energia oli tuolloin maailman suurin, 19 GeV/c. Kokeita jatkettiin aina 1970-luvulle asti. Suomessa ei aluksi ollut riittävää tietokonekapasiteettia kokeiden analysointiin, vaan YFL:n tutkijaryhmä kävi tekemässä analysointiajot Kööpenhaminassa IBM:n pohjoismaisille yliopistoille v. 1965 perustamassa tietokonekeskuksessa (NEUCC). Siellä oli käytössä upouusi IBM7900 tietokone. Tutkijoitten Suomessa käytössä oleva tietokonekapasiteetti parani ratkaisevasti vuonna 1970, kun Valtion tietokonekeskus sai käyttöönsä modernin suuren UNIVAC 1108-tietokoneen. Kuplakammiokuvien tietokoneanalyysit voitiin nyt tehdä Helsingissä. Tästä alkoi myös Suomessa tietotekniikan kehityskulku, joka on taannut fysiikan tutkimukselle Suomessa kansainvälisesti kilpailukykyiset tietokoneresurssit. Yhdessä Brysselin, Liverpoolin ja Tukholman yliopistojen kanssa tehtiin 1970-luvun alussa kuplakammiokokeita myös CERNin PS:lle rakennetuilla antiprotonisuihkuilla. Niissä kartoitettiin protoni-nukleoni- ja antiprotoni-nukleoni törmäysten fysiikkaa monipuolisesti ja testattiin erilaisia teoreettisia ennusteita.

CERNin 2 m kuplakammio v. 1966 (Kuva CERN)
Kuplakammiokuva protoni-protoni- törmäyksestä 19 GeV:n protonisuihkulla. (Scandinavian collaboration 1967).

Kuplakammiokuvien mittausta SEFLissä Sweepnik-projektorilla v. 1971. (Kuvat SEFL)

Heti CERNin kokeisiin osallistumisen alettua Suomen tiedehallinnossa otettiin esille tutkimusyhteistyö myös sosialististen valtioiden Neuvostoliiton Dubnassa sijaitsevan ydin- ja hiukkasfysiikan laitoksen JINR:n (Joint Institute for Nuclear Research) kanssa. Tähän ei kuitenkaan saatu erillistä rahoitusta. Yhteistyö saatiin silti alulle ja pieni ryhmä YFL:n tutkijoita liittyi JINR:n rakentamalla ”Ludmila”-kuplakammiolla tehtäviin kokeisiin 1970-luvulla. Kokeet olivat tieteellisesti kiinnostavia, sillä ne tehtiin Neuvostoliiton Serpuhovissa sijaitsevassa kiiihdytinkeskuksessa, jossa oli tuolloin käytössä maailman tehokkain protonisynkrotroni. Sen suihkuenergia oli 76 GeV. Kiihdyttimen yhteyteen oli rakennettu antiprotonisuihku, jonka energia, 23 GeV, oli maailman korkein. Ludmila-kokeet saatiin joittenkin alkuvaikeuksien ja parannustöiden jälkeen aloitettua v. 1975 ja niitä jatkettiin vuoteen 1976. Kokeeseen osallistuivat Dubnan tutkimuslaitoksen ja YFL:n lisäksi Alma Atan, Kosicen, Moskovan (MGU), Prahan, Tbilisin, Bukarestin, Sofian ja Yerevanin yliopistot. Koetulosten analyysi jatkui 1980-luvulle asti. Kokeissa saatiin kartoitettua hadronifysiikan ajankohtaisia tutkimuskohteita uudella energia-alueella.

Vuonna 1974 CERN täydensi kuplakammioarsenaaliaan suurella 3,5 m BEBC-kammiolla. Juuri samoihin aikoihin oli Yhdysvalloissa Stanfordin ja Brookhavenin laboratorioissa tehdyissä kokeissa löydetty J/psi-mesoni, jonka massa oli 3.1 GeV/c2. Se tulkittiin oitis neljännen kvarkin (lumokvarkin) kvarkki-antikvarkki-tilaksi. Tämä merkittävä löytö aloitti BEBC-kammiolla laajan tutkimusohjelman, jossa tutkittiin lumohiukkasten tuottoa. CERN oli v. 1976 käynnistänyt myös uuden protonikiihdyttimen (Super Proton Synchrotron, SPS), jolla saavutettiin aluksi 300 GeV/c:n suihkuenergia. Näin BEBC-kokeissa voitiin tutkia hyvin lumohiukkasten tuottoa. Helsingin yliopiston Suurenergiafysiikan laitoksen (SEFL, entinen YFL) tutkimusryhmä osallistui tähän tutkimukseen yhteistyössä Brysselin, Liverpoolin ja Tukholman yliopistojen tutkimusryhmien kanssa (koe WA31) vv. 1976–19­80. Ydinfysiikan laitokseen hankittiin projektorilaitteisto, jolla BEBC-kuvia voitiin tutkia. Päätavoitteena oli lumokvarkkien tuoton tutkimisen lisäksi neutraalien outojen hiukkasten tuotto 70 GeV:n K+-suihkulla tuotetuissa K+p-törmäyksissä.

Seitsemänkymmentäluvun toisella puoliskolla alkoi suuri murros hiukkasfysiikan kokeellisessa tutkimuksessa. Kuplakammiot olivat jäämässä syrjään, lähinnä niiden hitauden takia. Elektronisten hiukkasilmaisimien kehitys oli noussut tasolle, jolla voitiin rakentaa suuriakin ilmaisiinkokonaisuuksia, ”koeasemia”. Mittaustieto hiukkastörmäyksistä toimitettiin suoraan tietokoneille analysoitavaksi ja laitteilla saatettiin rekisteröidä törmäystapahtumia aivan toisella nopeudella kuin kuplakammioilla.

CERN otti lisäksi suuren askelen eteenpäin myös hiukkastörmäysten energiassa.  CERNin fyysikon Carlo Rubbian ehdotuksesta SPS-kiihdytin varustettiin protoni-antiprotoni-törmäyttimeksi. Näin saavutettiin törmäysenergia, joka riitti Glashow-Weinberg-Salamin sähköheikkojen vuorovaikutusten teorian (GWS-teoria) ennustamien W- ja Z-bosonien tuottamiseen. CERNissä ja Fermilabissa tehtyjen kokeiden tulosten perusteella oli voitu laskea ennusteet näiden ” välibosonien” massoille, jos välibosonit olivat olemassa. CERNin ”Underground kokeet” UA1 ja UA2 löysivät nämä hiukkaset vv. 1982–1983.

Suomalaiset tutkijat SEFListä liittyivät UA1-kokeeseen v. 1979. UA1-laitteisto oli tuolloin jo lähes valmis, eikä suomalaisilla ollut aluksi resursseja osallistua laitteiston rakentamiseen. SEFLin ryhmä hyväksyttiin kuitenkin mukaan, sillä sen tutkijoilla oli kuplakammiokokeista hankittua osaamista UA1-koeaseman keskusilmaisimen mittaamien hiukkasten ratojen rekonstruoinnissa. Keskusilmaisin oli suuri sylinterimäinen ajauttamiskammio, joka antoi kahdessa dimensiossa protoni-antiprotoni-törmäyksestä tietokoneella konstruoidun kuvan, joka oli tarkkuudessaan samaa luokkaa kuin kuplakammiokuvat. UA1-kollaboraatio oli jo iso yhteistyöryhmittymä, siihen kuului alussa 11 yliopistoa ja instituuttia ja 150 insinööriä ja fyysikkoa. UA1-koeasema oli ensimmäinen täyden avaruuskulman kattanut elektroninen koelaitteisto. SEFLin ryhmällä oli keskeinen rooli koetulosten analysoinnissa, joka johti W- ja Z- hiukkasten löytämiseen. Carlo Rubbialle myönnettiin v. 1984 fysiikan Nobelin palkinto välibosonien löytämiseen johtaneista töistä yhdessä CERNissä hiukkaskiihdyttimien fysiikkaa tutkineen insinöörin Simon van der Meerin kanssa. Van der Meer oli kehittänyt ns. stokastisen jäähdytysmenetelmän, jolla hiukkaskiihdyttimessä kulkevien hiukkasten muodostamien suihkujen läpimittaa voitiin supistaa niin, että hiukkastiheys kasvoi. Tämä oli oleellista riittävän intensiivisten antiprotonisuihkujen synnyttämisessä.

UA1-koeaseman keskusratailmaisin. (Kuva CERN)
Tietokoneella rekonstruoitu kuva UA1 keskusratailmaisimen rekisteröimästä protoni-antiprotoni-törmäyksestä, jossa on syntynyt W-bosoni, joka on hajonnut elektroniksi ja
Neutrinoksi. Elektronin rata on merkitty punaisella (Kuva CERN).
UA1-koeaseman antama kuva törmäyksestä, jossa on syntynyt Z-bosoni, joka on edelleen hajonnut kahdeksi myoniksi. (Kuva CERN)

UA-kokeita jatkettiin koko 1980-luvun ajan. SPS-törmäyttimen suihkujen intensiteettiä nostettiin. Tähtäimessä oli erityisesti top-kvarkin ja Higgsin hiukkasen löytäminen. SPS-törmäyttimen energia ei kuitenkaan riittänyt tähän. Top-kvarkki löydettiin vasta v. 1995 Fermilabin 1,9 TeV:n Tevatron-törmäyttimellä tehdyissä kokeissa ja Higgsin hiukkanen v. 2012 CERNin LHC-törmäytinkokeissa (törmäysenergia energia 8 TeV). UA1-kokeen toisessa vaiheessa saatiin kuitenkin useita standardimallin kannalta merkittäviä tuloksia b-hadronien tuotosta ja hadroniryöppyjen fysiikasta.

Vuonna 1984 UA1-kokeen ollessa vielä käynnissä SEFL liittyi mukaan CERNiin rakenteilla olleen suuren elektroni-positroni-törmäyttimen yhteyteen rakennettavaan kokeeseen. CERN oli päättänyt v.1981 rakentaa Large Electron Positron collider (LEP) -kiihdyttimen laboratorion viereen. Elektroni- ja positronisuihkujen energiaksi asetettiin aluksi 100 GeV, jolloin sillä voitiin tuottaa suoraan UA-kokeissa löydettyjä Z-hiukkasia. Niitä voitiin tuottaa merkittävästi enemmän kuin SPS-törmäyttimellä. LEP-kokeiden päätavoitteena oli kartoittaa tarkasti välibosonien ominaisuuksia ja tarkistaa niiden yhtäpitävyyttä standardimallin ennusteiden kanssa.

LEPin neljästä kokeesta SEFL liittyi ns. DELPHI-kokeeseen (A Detector with Lepton, Photon and Hadron Identification), jossa se SEFL osallistui DELPHI-koeaseman hadronikalorimetrin ja sen tiedonkeruujärjestelmän rakentamiseen. Suomalaiset tutkijat osallistuivat nyt ensi kertaa suuren koeaseman suunnitteluun ja rakentamiseen. DELPHI-kokeeseen osallistui kaikkiaan viitisen sataa tutkijaa. Koeaseman rakentamiseen, operointiin ja tulosten analysointiin tarvittiin entistä enemmän insinöörejä, tietojenkäsittelyn asiantuntijoita ja hiukkasfyysikoita. SEFLin ryhmässä työskenteli yli kaksikymmentä tutkijaa. LEPin käynnistyessä v. 1989 kaikki neljä koeasemaa olivat valmiina. Ensimmäiset Z-hiukkaset havaittiin heti käynnistyksen jälkeen 14.8. 1989. LEP-kokeet jatkuivat aina vuoden 2000 loppuun. Tutkimukset osoittivat, että standardimalli kuvasi tutkittavia ilmiöitä hyvin suurella tarkkuudella. Eräs tärkeä tulos oli Z-bosonin massapiikin leveydestä saatu mittaus, joka osoitti, että neutriinolajien määrä on kolme.

DELPHI-koeasema asennusvaiheessa. (Kuva CERN)

Tietokoneella konstruoitu kuva DELPHI-koeasemalla rekisteröidystä elektroni-positronitörmäyksestä. (Kuva CERN).

Vuonna 1995 LEPin suihkuenergioita kasvatettiin niin, että voitiin havaita myös W-bosoni-parien tuottoa. Tähän tarvittiin 160 GeV:n törmäysenergia. Samalla uutta energia-aluetta hyödynnettiin Higgsin bosonin etsintään. LEP-törmäyttimen energia riitti nyt 118 GeV/c2:n massaisten hiukkasten tuottoon. Higgsin hiukkasta ei kuitenkaan löydetty ja LEP suljettiin v. 2000.

Suomi oli liittynyt CERNin jäseneksi v. 1991 alussa. Siihen asti Suomessa alan tutkimusta johtanut SEFL jaettiin kahteen osaan. Opetushenkilökunta pysyi matemaattis-luonnontieteellisen tiedekunnan osana ja toisesta osasta muodostettiin Suurenergiafysiikan tutkimuslaitos SEFT, joka toimi yliopiston konsistorin alaisena. DELPHI-koe siirtyi SEFTin projektiksi.

CERN oli alkanut suunnitella LEP-kiihdytintä seuraavaa uutta suurta kiihdytintä 1980-luvun lopulla. Kyseessä oli protoni-protoni-törmäytin, joka oli jo eurooppalaisten hiukkasfyysikoitten piirustuksissa jo 1980-luvun alussa LEP-törmäyttimen rakentamisesta päätettäessä. CERNin pääjohtaja John Adams oli jo v. 1977 tähdentänyt LEP-törmäyttimen kaavailun yhteydessä, että sille rakennettava tunneli tulisi rakentaa riittävän tilavaksi, jotta sinne voitaisiin myöhemmin sijoittaa suprajohteisiin magneetteihin perustuva vähintään 3 TeV:n protoni-protonitörmäytin. Vuonna 1987 tämä suunnitelma sisällytettiin CERNin pitkän tähtäimen ohjelmaan. Törmäyttimen suihkujen energiaksi asetettiin 8 TeV, joka näytti mahdolliselle suprajohteisten magneettien kehitystyön valossa. GWS-teorian ja kvarkkikromodynamiikan yhdistävä standardimalli tarvitsi uutta energia-aluetta sen kokeellisen todentamiseen. Suunnitelmia kehiteltiin edelleen ja vuonna 1994 CERNin neuvosto päätti LHC:n rakentamisesta. Myös LHC-kokeiden suunnittelu aloitettiin 1980-luvun lopussa. Vuosina 1990 ja 1992 CERN ja European Committee for Future Accelerators (ECFA) järjestivät mittavat konferenssit LHC-kokeista Aachenissa ja Evianissa. Niiden tuloksena CERN ja ECFA päätyivät ehdottamaan kahta koetta, jotka eroaisivat toisistaan mittaustekniikoiltaan niin, että tulosten ristiintarkistus oli mahdollista. Vuonna 1993 CERN sitten hyväksyi ATLAS- ja CMS-kokeiden alustavat suunnitelmat kokeiden suunnittelun pohjaksi. CERNin Neuvosto päätti lopullisesti LHC:n rakentamisesta v. 1994 lopulla ja v. 1995 lopulla CERNin johto hyväksyi ATLASin ja CMS:n Technical Proposal dokumentit, joiden pohjalta kokeita ryhdyttiin rakentamaan. CMS-kollaboraatio oli jo hyvin mittava yhteistyöhanke, Technical proposal-dokumentin allekirjoitti 1243 jäsentä 132 instituutista.

CMS-koeasemasuunnitelma 1994. (CMS Technical Proposal 1994)

Suomalaiset tutkimusryhmät SEFTistä, SEFListä, Teknillisestä korkeakoulusta ja Åbo Akademista olivat olivat olleet mukana CMS-kokeen Evianin kokouksen Expression of Interest -ehdotusta tehtäessä. Letter of Intent-vaiheeseen tulivat lisäksi mukaan tutkijaryhmät Jyväskylän ja Oulun yliopistoista. Koe-ehdotuksessa esitetty CMS-koeasema oli jo pääpiirteissään sama kuin lopulta toteutunut laitteisto. Keskusratailmaisin oli suurelta osalta SEFTin ryhmän suunnittelema. Suomalaiset osallistuivat merkittävällä panoksella koeaseman simulointi- ja analysointiohjelmistojen laadintaan. Koeasemasta oli tehty täydellinen GEANT-ohjelmistoon perustuva virtuaalisimulaatio, johon perustuen tehtiin ensimmäiset simulaatiotutkimukset standardimallin Higgsin bosonin etsimisestä ZZ-hajoamiskanavassa sekä MSSM-mallin sähkövarauksellisen Higgsin bosonin etsimisestä. Suomalaisilla tutkijoilla oli kertynyt osaamista suurilla koeasemilla tehtävästä tutkimuksesta UA1- ja DELPHI-kokeista, joten heillä oli alusta alkaen vahva edustus CMS-kokeessa. Teknillinen korkeakoulu oli mukana esityksessä CMS:n suuren keskusratakammion tynnyriosan tukirakenteen suunnittelussa ja prototyypin rakentamisessa. Tampereen teknillinen korkeakoulu osallistui puolestaan CMS-koeaseman tiedonkeruujärjestelmän suunnitteluun ja rakentamiseen. Expression of Interest-ehdotuksessa mukana olevat suomalaiset tutkimusryhmät allekirjoittivat myös CMS:n Technical Proposal-dokumentin. Mukana oli tällöin 18 insinööriä ja fyysikkoa Suomesta.

Tässä vaiheessa v. 1996 CMS-projektin jatko siirtyi Fysiikan tutkimuslaitoksen hallinnoimaksi. CMS-koeaseman rakentamisesta, rahoituksesta ja LHC-kokeista löytyy yksityiskohtainen esitys alussa mainitusta kirjassa ”Kuplakammiofysiikasta Higgsin bosoniin – Suomalaisen kokeellisen hiukkasfysiikan viisi ensimmäistä vuosikymmentä”.

Jorma Tuominiemi
Adj. vanhempi tutkija ja emeritus ohjelmajohtaja, CMS
Fysiikan tutkimuslaitos

Lisätietoa:

HIPin verkkosivuilta löytyvät myös seuraavat aiheeseen liittyvät artikkelit:

2 thoughts on “Kokeellinen hiukkasfysiikan tutkimus Suomessa ennen Fysiikan tutkimuslaitoksen perustamista

  1. Timo J. Kärkkäinen

    Kiitos mielenkiintoisesta kirjoituksesta. Neljännen kappaleen alun vuosiluku on varmaankin oikeasti 1969?

    Reply

Leave a Reply

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