HIP Visailu 2025

Lineaarikiihdytin on pitkä, suora putkimainen laite, jonka sisällä hiukkaset saavat vauhtia sähkömagneettisten kenttien avulla. Kentät vaihtelevat tarkkaan rytmiin ja antavat varatuille hiukkasille peräkkäisiä työntöjä samaan tapaan kuin lapsi saa lisää vauhtia keinussa aina oikealla hetkellä työnnettäessä. Näin hiukkasen nopeus kasvaa askel askeleelta, kunnes se saavuttaa valtavia energioita. Lineaarikiihdyttimiä käytetään hiukkasfysiikassa, jossa halutaan tutkia aineen rakennetta ja perusvoimia. Niitä hyödynnetään myös lääketieteessä, esimerkiksi syövän sädehoitolaitteissa. Helsingin observatoriolla metallikuulaa kiihdytetään pienillä magneeteilla leikkimielisessä pelissä. Kuula ei tietenkään saavuta valonnopeutta, mutta havainnollistaa kauniisti periaatetta: miten peräkkäiset “potkut” kerääntyvät suureksi nopeudeksi. Tämä antaa yleisölle käsityksen siitä, kuinka hiukkaskiihdytin toimii ja miksi se on tieteelle niin tärkeä väline.

LHC eli Large Hadron Collider on maailman suurin hiukkaskiihdytin, valtava 27 kilometrin pituinen rengas Geneven lähellä. Ennen pääkiihdytintä protonit saavat vauhtia pienemmistä kiihdyttimistä, kuten PS:stä ja SPS:stä, jotka valmistavat ne huippuenergisiin törmäyksiin. LHC:ssä protonisuihkut kiertävät vastakkaisiin suuntiin lähes valonnopeudella ja kohtaavat neljässä ilmaisimessa, joissa syntyy törmäyksiä sekunnissa miljoonittain. Näissä hetkissä syntyy valtava kirjo uusia hiukkasia, joista osa elää vain murto-osan sekunnista mutta paljastaa luonnon syvimpiä lainalaisuuksia. LHC:ssä löydettiin vuonna 2012 Higgsin bosoni, yksi fysiikan suurimmista saavutuksista. Peli, jossa yritetään kohdistaa säteet tarkasti toisiaan kohti, antaa kevyen maistiaisen siitä, kuinka haastavaa hiukkassäteiden ohjaaminen todellisuudessa on. Pienikin virhe radassa tarkoittaisi, että protonit eivät kohtaisi, ja koko kokeen tarkoitus menisi hukkaan.

Tutkijat hyödyntävät synteettisiä timantteja säteilyilmaisimina, koska timantti kestää kovaa säteilyä ja tuottaa luotettavan sähköisen signaalin. Timantin pinnalle pinnoitetaan metallielektrodit, joiden kautta hiukkasten synnyttämä varaus kerätään. Kun näitä timantteja tutkitaan valomikroskoopilla, paljastuu myös niiden sisäisiä virheitä eli defektejä. Nämä virheet voivat näyttää yllättävän taiteellisilta: pienet säröt ja läpilyönnit muistuttavat supernovaa, tähtiä tai vaikkapa kukkaa. Näyttelyn kuvat ovat siis tieteellisiä havaintoja, mutta ne herättävät samalla esteettisiä mielikuvia. Defektejä syntyy esimerkiksi, kun timantin kiderakenteessa on häiriöitä tai kun mittauksen aikana syntyy vaurio elektrodissa. Kuvien avulla voidaan oppia sekä materiaalin ominaisuuksista että sen heikkouksista, mutta samalla kävijä voi nähdä tiedettä uusin silmin – tiedon ja taiteen rajapinnassa.

Sumukammio on klassinen laite, jonka avulla voidaan tehdä näkymätön säteily näkyväksi. Sen sisällä oleva kaasu pidetään ylikyllästyneenä niin, että pienikin ionisaatio saa vesihöyryn tiivistymään. Kun hiukkanen kulkee kammion läpi, se jättää jälkeensä hienon vanan, ikään kuin piirtäisi viivan usvaan. Eri hiukkaset tuottavat erilaisia jälkiä: alfa-hiukkanen muodostaa lyhyitä ja paksuja juovia, kevyet elektronit kaartuvat ja protonit jättävät pitkiä, suoria jälkiä. Näin voidaan erottaa, millainen hiukkanen kulloinkin on havaittu. Sumukammio oli tärkeä väline hiukkasfysiikan alkuvaiheissa, ja sillä löydettiin useita hiukkasia 1900-luvulla. Nykyisin se toimii ennen kaikkea havainnollistajana ja opetuksessa, mutta periaate on sama kuin ennen: näkymättömät hiukkaset paljastuvat hienoina kuvioina, joita voidaan seurata paljain silmin.

Varhaisen maailmankaikkeuden tutkimus on vaikeaa, koska yritämme katsoa ajassa taaksepäin aina sekunnin murto-osaan alkuräjähdyksen jälkeen. Kosmologit yrittävät mallintaa näitä tapahtumia muun muassa tietokonesimulaatioiden avulla, joita ajetaan supertietokoneilla. Yksi kiinnostavista kysymyksistä koskee sähköheikkoa faasimuutosta (sähkömagneettinen ja heikko vuorovaikutus erkanevat), joka on voinut tapahtua tämän murto-osan aikana ja voisi antaa meille vastauksia kysymyksiin varhaisen maailmankaikkeuden vaiheista. Vaikka emme pystykään havainnoimaan näitä tapahtumia suoraan, laskennalliset menetelmät tarjoavat metodin testata teoreettisia malleja ja vertaamaan niitä dataan tulevaisuuden havainnointilaitteista, esim. LISA:sta.

Yllättävän yksinkertainen laite hiukkasten havaitsemiseen voidaan rakentaa tavallisesta alumiinitölkistä. Sen sisään johdetaan sopivaa kaasua ja asetetaan ohut lanka elektrodiksi. Kun ionisoiva säteily kulkee tölkin läpi, se irrottaa kaasu-atomeista elektroneja. Näiden liike aiheuttaa pienen sähköisen pulssin, joka voidaan vahvistaa ja mitata. Periaate tunnetaan kaasumaisena suhteellisena ilmaisimena, ja sama idea on käytössä monissa ammattimaisissa säteilymittareissa. Tölkkianturin avulla voidaan siis havainnollistaa, kuinka hiukkaset muuttavat näkymättömästi ympäristöään ja miten nämä muutokset voidaan tehdä havaittaviksi. Vaikka laite on yksinkertainen, se perustuu samoihin fysikaalisiin lakeihin kuin CERNin monimutkaiset hiukkasilmaisimet. Näin kävijät voivat omin silmin nähdä, että arkisistakin materiaaleista voi rakentaa todellisen tutkimuslaitteen.

Puolijohteisiin perustuvat hiukkasilmaisimet ovat keskeinen osa nykyaikaista fysiikkaa. Kun varattu hiukkanen kulkee piikiteen läpi, se rikkoo sidoksia ja synnyttää elektroni–aukko-pareja. Nämä kerätään sähkökentän avulla ja tuloksena saadaan sähköinen pulssi, jonka avulla voidaan mitata hiukkasen energia ja rata. Tällaiset ilmaisimet ovat erittäin tarkkoja: CERNin kokeissa niiden avulla voidaan paikantaa hiukkanen alle millimetrin murto-osan tarkkuudella ja seurata, mitä törmäyksissä tapahtuu. Puolijohdeilmaisimet ovat syrjäyttäneet monia vanhempia teknologioita niiden nopeuden, koon ja kestävyyden vuoksi. Niitä käytetään myös lääketieteessä kuvantamiseen ja turvallisuustekniikassa esimerkiksi lentokentillä. Vaikka itse ilmiö on yksinkertainen, sen avulla voidaan rakentaa valtavan monimutkaisia järjestelmiä, jotka avaavat näkymän aineen syvimpiin rakenteisiin.

Pimeä aine on salaperäinen osa maailmankaikkeutta: se ei säteile valoa eikä näy teleskoopeilla, mutta sen painovoima sitoo galakseja ja ohjaa kosmoksen suuria rakenteita. Ilman pimeää ainetta galaksit eivät pysyisi koossa, vaan hajautuisivat pyörimisensä voimasta. Tutkimukset viittaavat siihen, että noin neljäsosa maailmankaikkeuden kokonaisenergiasta on pimeää ainetta, vaikka sen hiukkasia ei vielä tunneta. Teoriat ehdottavat erilaisia kandidaatteja, kuten WIMP-hiukkasia tai aksioneja. Kosmologiset havainnot, kuten taustasäteilyn kartat ja galaksien liikkeet, antavat vihjeitä sen olemassaolosta. CERNissä ja muualla rakennetaan kokeita, jotka yrittävät havaita pimeän aineen hiukkasia suoraan. Kävijä voi pohtia, kuinka suuri osa todellisuudesta on yhä piilossa ja miten tulevat löydöt voivat muuttaa käsitystämme maailmankaikkeuden rakenteesta.