CERN:n antiaineprojektit

Angels and Demons

PDF

Kommentteja kirjasta ”Angels and Demons”           Jorma Tuominiemi, 24.9.2006

(julkaistu matemaattisten aineiden opettajain liiton MAOL ry:n Dimensio-lehdessä, Dimensio 5/2006; yläkuva on lainattu press.web.cern.ch -verkkosivulta)

 Euroopan ydintutkimusjärjestön, CERNin,  hiukkasfysiikan laboratorio Genevessä ja antimateria ovat viime aikoina saaneet osakseen laajaa huomiota Dan Brownin kirjan ”Enkeleitä ja demoneja” johdosta. Kirjassaan Brown käyttää CERNiä ja antimateriaa aineistonaan rakentaessaan tarinaa, jossa eräs salainen veljeskunta yrittää tuhota Vatikaanin CERNistä varastetun antimaterian avulla. Kirjailija on perehtynyt CERNiin ja antimateriaan riittävästi, jotta tarina kantaa – ainakin se on saanut laajan lukijakunnan. Kuva CERNistä ja antimaterian tuottamisesta on kuitenkin täysin todel­li­suudelle vieras.

CERNissä on tuotettu antimateriaa antiprotonien muodossa 1980-luvun alusta lähtien. Vuonna 1996 onnistuttiin ensimmäisen kerran yhdistämään niitä antielektronien kanssa antivetyatomeiksi. Sittemmin antiprotoneja on CERNissä  tuotettu rutiinin­omaisesti ja antiaineatomeja tuhansittain antiaineen tutkimusta varten. Tutkimus jatkuu edelleen.

Antiaine on P.A.M. Diracin 1920-luvun lopussa suhteellisuus- ja kvanttiteorian pohjalta ennustama aineen olomuoto. Diracin teorian mukaan kaikilla alkeis­hiukkasilla on antihiukkasensa, jotka ovat ominaisuuksiltaan tarkalleen hiukkasten kaltaisia, paitsi että niiden sähkövaraus on vastakkainen. Kun ainehiukkanen ja antiainehiukkanen kohtaavat, ne hävittävät toisensa, annihiloituvat, jolloin niiden massa muuttuu ensin kokonaan energiaksi Einsteinin kaavan E = mc2 mukaisesti. Syntyneestä energiasta osa  muuttuu puolestaan uusiksi hiukkasiksi ja antihiukkasiksi, jotka sinkoutuivat annihilaatiopisteestä pois suurella nopeudella. Ensimmäinen antihiukkanen, antielektroni eli positroni, löydettiin kosmisesta säteilystä jo v. 1932.

Antiainetta ei esiinny Maan pinnalla luonnollisesti, eikä antiainemuodostumia näytä olevan koko maailmankaikkeudessakaan. Ainoa menetelmä, jolla antiainetta voidaan tuottaa on muuttaa energiaa aineeksi ja antiaineeksi annihilaation käänteisellä prosessilla. Tämä on teknisestii mahdollista suurten hiukkaskiihdyttimien avulla. Kiihdyttimen tuottama suurenerginen hiukkassuihku ammutaan metallikohtioon, jossa tapahtuvissa hiukkastörmäyksissä osa ammushiukkasten liike-energiasta muuttuu hiukkas-antihiukkaspareiksi, siis myös protoni-antiprotonipareiksi. Ensimmäiset anti­protonit synnytettiin tällä tavoin Yhdysvalloissa Berkeleyn kansallisen Lawrence -laboratorion Bevatron-kiihdyttimellä  v. 1955. CERNissä antiprotonit näyttelivät suur­ta osaa 1980-luvulla, jolloin niistä muodostettiin hiukkassuihkuja, joita kiihdy­tettiin CERNin vuonna 1976 valmistuneessa Super-Protoni-Synkrotronissa (SPS) saman­aikaisesti protonien kanssa, suihkujen kulkiessa samassa suihkuputkessa,  mutta vastakkaisiin suuntiin. Näin voitiin törmäyttää protoneja ja antiprotoneja yhdessä ja samassa kiihdyttimessä. Projekti suunniteltiin niin sanottujen välibosonien etsimiseksi ja nämä W- ja Z-hiukkaset löydettiinkin v. 1983.

Kun antiaineen ja aineen kohdatessa ne häviävät ja massa muuttuu täydellisesti energiaksi, voitaisiin ajatella, että antiaine olisi hyvä rajähdysaine tai sitten energian välivarasto. Tässä on kuitenkin kaksi ongelmaa. Antiaineen tuottaminen hiukkas­kiihdyttimillä on tavattoman tehotonta. Kiihdyttimen suurenergisen suihkun osuessa kohtioon syntyy paljon uusia hiukkasia, mutta vain häviävän pieni osa on raskaampia antiainehiukkasia, kuten antiprotoneja. Ja vain häviävän pieni osa niistä sinkoutuu sopivaan suuntaan, jotta ne voidaan vangita sähkö- ja magneettikenttien avulla varas­toita­vaksi. Jos haluaisimme rakentaa Hiroshiman atomipommin kaltaisen aseen, tar­vit­sisimme puoli grammaa antiainetta. CERNin kiihdyttimillä voidaan tuottaa 107 antiprotonia sekunnissa. Kun protonin massa on 2*10-27 kg, voimme laskea, että puolen gramman tuottamiseen tarvittaisiin miljardi vuotta kiihdytinaikaa! Toinen ongelma on, että suuria määriä antiainetta on mahdotonta varastoida.  Pieniä määriä antiprotoneja voidaan vangita sähkömagneettien avulla ”pulloihin”, joissa antiprotonit kiertävät mikroskooppisen pieniä ympyräratoja sähkö- ja magneettikenttien ohjaamina tyhjiössä koskettamatta pullon reunoja. Jos antiprotonipulloon pakataan enemmän ja enemmän antiprotoneja, niiden sähkövarauksen aiheuttama keskinäinen hylkimisvoima alkaa ohjaa niitä pois radoiltaan jolloin ne osuvat pullon reunoihin ja annihiloituvat. Jos taas tuotamme antiaineatomeita, jotka ovat sähköisesti neutraaleja eivätkä siksi hylji toisiaan, emme pysty ohjaamaan ja säilömään niitä samalla tavalla kuin antiprotoneja. On siis mahdotonta synnyttää tarpeeksi suuria määriä  riittävän tiheää antiainetta, jotta saataisiin aikaan pommeja tai energiavarastoja. Jos olisimme voineet kerätä talteen kaikki CERNissä tähän asti synnytetyt antiprotonit ja annihiloisimme ne aineen kanssa, voisimme polttaa sähkölamppua vain  pari minuuttia.

Brownin kirja ei kuvaa näitä menetelmiä millään tavalla, antiaine vain tulee ulos LHC-kiihdyttimestä ja se varastoidaan ja sitä kuljetellaan jollain salaperäisellä tavalla. Mutta Brown kirjoittaakin vain fiktiota meitä viihdyttääkseen.

Miksi CERNissä sitten tuotetaan antiainetta? Ensimmäinen syy oli protoni-antiprotoni-törmäyttimen rakentaminen välibosonien löytämiseksi. Välibosoneitakin voidaan tuottaa muuttamalla osa hiukkasuihkujen liike-energiaa aineeksi. Välibosonit ovat raskaita, noin satakertaisia massaltaan protoneihin ja antiprotoneihin verrattuna, joten niiden synnyttämiseen tarvitaan hyvin suurienergisiä hiukkassuihkuja. Väli­bosonikokeiden jälkeen CERNillä oli maailmassa ainutlaatuinen koneisto tuottaa antiainetta ja oli luonnollista, että fyysikot ryhtyivät käyttämään sitä antiaineen omi­nai­suuksien tarkempaan tutkimukseen. Ovatko niiden ominaisuudet sellaisia kuin Diracin teoria ennustaa? Käyttäytyvätkö ne esimerkiksi painovoimakentässä samalla tavalla kuin ainehiukkaset jne.? On lukemattomia maailmankaikkeuden rakenteeseen liittyviä kysymyksiä, joita voidaan tutkia antihiukkaskokeiden avulla. CERNissä onkin ollut käynnissä useita tällaisia kokeita 1980-luvulta lähtien ja myös muualla maailmassa on suunnitteilla vastaavanlaisia laitteistoja.

Large Hadron Collider (LHC), joka mainitaan Brownin kirjassa, on suunniteltu tutkimaan lähinnä muita ilmiöitä kuin antiainetta, vaikka silläkin voidaan tutkia esimerkiksi aine-antiaine-symmetriaa uusien hiukkasten tuotossa. Tämä puolestaan voi tuoda uutta tietoa, joka voisi auttaa ymmärtämään miksi maailmankaikkeus on niin epäsymmetrinen aineen ja antiaineen suhteen. Maailmankaikkeuden syntyessä on fysiikan lakien mukaan täytynyt olla yhtä paljon molempia. Joku pieni epäsymmetria, jota nykyfysiikka ei vielä kunnolla tunne aiheutti sen, että antiaine on annihiloitunut vähitellen pois ja nykyinen maailmankaikkeus on vain pelkkää ainetta.

Entä sitten Brownin kuva CERNistä? Hän on varmaan käynyt siellä, mutta kirjallisia vaatimuksia varten hän on joutunut värittämään siitä saamansa kuvaa melkoisesti. Suomalaisella koulumaailmalla on hyvät mahdollisuudet päästä omin silmin tutus­tumaan tähän maailman johtavaan hiukkasfysiikan tutkimuslaitokseen Opetus­halli­tuksen tukeman ja Fysiikan tutkimuslaitoksen järjestämän vierailuohjelman puitteissa ja vertaamaan sitä Brownin antamaan kuvaan.

CERNiin ja antiaineeseen voi tutustua myös www-sivuilla osoitteessa

http://public.web.cern.ch/public/en/Spotlight/SpotlightAandD-en.html

antivety

Kuva 1: Kuva antivetyä synnyttävän kokeen laitteistosta CERNissä.  Kuvassa keskellä oleva teräskuorinen sylinteri on ”antiprotonipullo”  (Penning trap), johon vasemmalta kiihdyttimestä ohjatut hitaat antiprotonit kaapataan lieriön sisällä olevien sähkömagneettien avulla. Oikealla oleva sininen lieriö on ”positronipullo”, josta positronit voidaan ohjata antiprotonipulloon, jolloin syntyy antivetyatomeja. Nämä ajautuvat pullon seinämiin ja annihiloituvat. Sitä seuraavasta signaalista voidaan todeta antivetyä syntyneen.

Kommentteja elokuvan johdosta, Jorma Tuominiemi 6.5.2009

Kun kirjasta on nyt tehty elokuva, on ehkä paikallaan kommentoida sen CERNiin liittyviä  kohtia.

“Enkelit ja demonit” –elokuvassa CERN esiintyy todenmukaisempana kuin kirjassa. Ohjaaja on rajoittanut CERN-kohtaukset LHC-törmäyttimen maanalai­seen tunneliin ja suuriin ATLAS- ja CMS-koeasemiin. Osa kuvauksista on toteu­tettu oikeasti ATLAS-koeaseman luolassa. Elokuvan kuvaaja on onnistunut tässä hyvin, ja vaikutelma on hyvin todellinen, vaikka osa kuvista jotka on tehty studiossa ovatkin taas fiktiota. Varsinkin hiukkassuihkuputki, joka johtaa LHC-kiihdytinrenkaasta salaiseen antiainelaboratorioon sekä elokuvassa tärkeää osaa näyttelevä antiainepullo ovatkin sitten asiantuntijan mielestä lähinnä huvittavia. Mutta katsojaa varten tarvitaan jotain jännittävämmän näköistä kuin mitä yllä­olevan artikkelin kuvissa näkyy.

Dan Brownin on täytynyt perehtyä jossain määrin aiheeseen, mutta toisaalta siitä on ollut 80-luvulta lähtien paljonkin artikkeleita paitsi tieteellisissä ja tie­teestä tiedottavissa lehdissä, myös muussa lehdistössä, kuten esimerkiksi New York Times’issa.

Antiprotoneita on tuotettu CERNissä 80-luvun alusta lähtien, ja se on edelleen ainoa laboratorio maailmassa, jossa niitä voidaan tuottaa talteen edes pieniä määriä. Niiden tuottamiseen aineen perusrakenteen tutkimusta varten on käytetty CERNin aiempia kiihdyttimiä. Antiprotoneja ei vielä ole kuljetettu ”pulloissa” (ns. Penning trap, kts. edellinen artikkeli) CERNistä muualle, mutta periaatteessa se on mahdollista – ja kallista.  Harvardin yliopiston tutkijaryhmä on kuljettanut vastaavanlaisessa pullossa elektroneja lentokoneessa Yhdys­valtain itärannikolta länsirannikolle. Tästä Brown on ilmeisesti ollut tietoinen.

LHC:ta ei ole rakennettu antiaineen tuottamista varten, vaan yleisemmin aineen perusrakenteen tutkimiseen entistä pienemmässä mittaskaalassa ja entistä suu­remmalla energialla tapahtuvissa ilmiöissä. LHC  ja sen neljä koeasemaa ovat ja tulevat pitkään olemaan tärkein tätä tutkimusta varten rakennettu tutkimus­laitteisto maailmassa. Toki sillä tuotetaan myös antiainehiukkasia, niitä kun syntyy suurenergisissä hiukkastörmäyksissä aina. Yksi LHC:n koeasemista (LHCb) on suunniteltu aine-antiainesymmetrian  tutkimiseen hiukkas­mitta­kaavassa.

Elokuvan animaatiot ovat hyviä, vaikka jotkut niistäkin ovat hieman  huvittavia ja etenkin äänitehosteet epärealistisia. Mutta tämähän on kaikki fiktiota!

Fiktiota on myös se, että CERNissä voitaisiin tehdä salaista tutkimusta. Todelli­suus tässä on sama kuin nykyään kaikissa kansainvälisissä suurissa luonnon­tieteellisissä tutkimushankkeissa. Koe-ehdotukset, joita hiukkasfysiikan tapauk­sessa tekevät nykyään aina suuret, yliopistojen ja tutkimuslaitosten tutkija­ryhmien muodostamat “kollaboraatiot” menevät aina ensin asiantuntija­komiteoiden käsiteltäväksi. Nämä CERNin johdon nimeämät raadit koostuvat alan aktiivisista tutkijoista, ja ne arvioivat hankkeiden tieteellisen merkittä­vyyden, esitettyjen resurssien (aineellisten ja henkisten) riittävyyden ja kokeiden ajankohtaisuuden. Raadin suositukset menevät sitten CERNin johdolle, joka päättää laitoksen tutkimusohjelmasta. Tätä valvoo puolestaan jäsenmaiden edustajista koostuva neuvosto, jossa on tieteellistä ja hallinnollista asian­tuntemusta.

Tehtyjen kokeiden ja tutkimuksien tulokset julkaistaan aina julkisissa rapor­teissa ja tieteellisissä aikakausilehdissä CERNin peruskirjan mukaan.