Maailman tehokkainta mikroskooppia suunnittelemassa

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

EICUG-kokous Pariisissa, 22.7.2019, alkuperäinen kuva.

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

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

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

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

Tuomas Lappi

Leave a Reply

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