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.

Leave a Reply

Your email address will not be published.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