1. No category

CE RN IN T AR I NA
Katja Moilanen ja Krista Mikkonen
CERNin tarina
PERUSTAMINEN
1940- luvun loppupuolella, toisen maailmansodan jälkeen alkoi joukko eurooppalaisia fyysikkoja
haaveilemaan Euroopan omasta fysiikan laboratoriota. Vuonna 1949 Euroopan kulttuurikonferenssissa, Lausannessa ranskalainen, nobel palkittu Louis de Broglie ehdotti tälläisen
laboratorion luomista. Myöhemmin Unescon viidennessä yleiskokouksessa vuonna 1950,
Firenzessä nobelpalkittu Isodore Rabi julisti päätöslauselmassaan eurooppalaisen fysiikan
laboratorion sopivan Unescon päämääriin kansainvälisen yhteistyön ja kulttuurin edistämisessä.
Tästä oltiin yksimielisiä. Unescon hallitusten välisessä tapaamisessa 1951 Pariisissa oli aihe
jälleen esillä, ja päätöslauselma Euroopan ydintutkimusjärjestön perustamisesta hyväksyttiin. Kaksi
kuukautta myöhemmin 11 maata allekirjoittivat sopimuksen väliaikaisen neuvoston perustamisesta,
ja käsite CERN (Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire) oli syntynyt. Neuvosto päätti
tulevan laboratorion sijainniksi Geneven, ja asia varmistettiin vielä kansanäänestyksellä.
CERNin yleissopimus, mikä oli lopullinen päätös hankkeesta, julistettiin heinäkuussa 1953.
Mukaan ilmottautui 12 maata, ja ne olivat Belgia, Tanska, Saksa, Ranska, Kreikka, Italia, Norja,
Ruotsi, Sveitsi, Alankomaat, Yhdistynyt kuningaskunta ja Jugoslavia. Vuonna 1954 järjestön nimi
muutettiin (European Organization for Nuclear Research), ja tämä nimi on edelleen voimassa.
Nimen vaihdosta huolimatta vanha lyhenne päätettiin säilyttää.
CERNin tarina
ENSIMMÄINEN KIIHDYTIN
CERNin ensimmäinen kiihdytin Synchro-cyclotron (SC) rakennettiin vuonna 1957, ja sen suihkujen
energia oli 600 MeV. Aluksi SC:llä suoritettiin niin hiukkas, kuin ydinfysiikan kokeita, mutta
vuodesta 1964 lähtien se keskittyi pelkästään ydinfysiikkaan. Hiukkasfysiikan kokeilut sen sijaan
annettiin uudemmalle ja tehokkaammalle Proton synchrotonille (SP). Vuonna 1967 SC alkoi
tuottamaan suihkuja ioni järjestelmälle nimellä ISOLDE, joka tekee tutkimuksia useilla eri tieteen
aloilla. SC:n ura oli pitkä, peräti 33 vuotta. Sen toiminta lopetettiin vuonna 1990, sillä ISOLDE
siirretiin toisen kiihdytttien luokse.
PS:N KÄYNNISTYS
Proton synchrotronin (PS) oli valmistuessa vuonna 1959 maailman suuri energisin hiukkaskiihdytin
(28 GvE). Pituudeltaan se on 628 metriä pitkä ja ensimmäiset protonit se kiihdytti 24.11.1959.
Tämän jälkeen siihen tehtyjen parannuksien ansiosta, on sen suorituskyky kasvanut huimasti. Tästä
huolimatta vuonna 1970, kun Cern rakensi uusia, paljon tehokkaampia kiihdyttimiä, ja PS:n rooli
muuttui. Se alkoi ensisijaisesti toimittaa näille kiihdyttimille hiukkassuihkuja, ja protonien lisäksi se
kiihdytti myös antiprotoneja, elektroneja, positroneja ja monia erilaisia ioneita. Pitkän historiansa
aikana PS on tehnyt toki myös itse kokeita, ja vielä tänä päivänäkin se on toiminnassa. Se on osana
CERNin hiukkasfysiikan ohjelmaa, ja kiihdyttää
hiukkasia jotka lopulta päätyvät LHC:lle.
HAVAITSEMINEN MULLISTUU
Aluksi kokeiden tulosten tulkinta oli todella hankalaa.
Havaitseminen tapahtui pääasiassa miljoonia
valokuvia kupla- tai kipinäkammioista tutkimalla.
Tämä oli todella hidasta, ja työlästä.
Transistorin keksimisen jälkeen, alkoi syntyä uusia
ideoita sen hyödyntämisestä. Kamera kyllä kykeni
CERNin tarina
havaitsemaan kipinän, mutta kun ilmaisinlanka kytkettiin transistoriin oli mahdollisuus havaita
paljon pienempiä reaktioita. Vuonna 1968 Georges Charpak kehittämä ”multiwire proportional
chamber” mullisti hiukkasten havaitsemisen. Tämä kammio on kaasulla täytetty laatikko jossa
monet ilmaisinlangat liittyvät yksittäisiin vahvistimiin. Kun nämä yhdistetään tietokoneeseen
voidaan havaitseminen suorittaa tuhatkertaa paremmin kuin aiemmin.
Puolalais ranskalainen Georges Charpak liittyi CERNiin vuonna 1959, ja vuonna 1992 hänet
palkittiin hiukkasten havaitsemiseen liittyvästä työstään. Nykyäänkin monet hiukkasfysiikan kokeet
suoritetaan multiwire proportional chamberiin perustuvilla menetelmillä, mutta sitä on hyödynnetty
myös muilla tieteenaloilla.
ENSIMMÄINEN KAHDEN HIUKKASSUIHKUN TÖRMÄYTIN
Vuoteen 1971 saakka oltiin CERNissä käytetty vain yhtä hiukkassuihkua, joka törmäytettiin
paikalla olevaan kohteeseen. Tässä menetelmässä oli kuitenkin eräs suuri ongelma: energiaa kuluu
tavattoman paljon hukkaan rekyylissä. Jo vuonna 1950 oltiin oivallettu että asian voitaisiin korjata
törmäyttämällä kaksi hiukkassuihkua toisiinsa, sillä siinä ei energiaa kuluisi tähän rekyyliin.
Vuonna 1965 oltiin Intersecting Storage Rings (ISR) hyväksytty rakennettavaksi. Tämä
maailman ensimmäinen kahden protonisuihkun törmäytin oli halkaisijaltaan 300 metriä, mikä ei ole
nyky mittakaavassa kovinkaan suuri. Se koostuu kahdesta toisiinsa kytketyistä renkaista, joissa
vastakkaissuuntaisia suihkuja voitiin kiihdyttää ja lopulta ohjata törmäämään. PSn tehtävänä oli
syöttää hiukkaset ISRlle. Törmäyttimen rakennuksessa oli kuitenkin monta ongelmaa, sillä monia
tekniikoita täytyi kehittää. Näitä olivat tyhjiöön liittyvät ongelmat ja kysymys suihkujen
kontrolloimisesta. Ensimmäiset protonien väliset törmäykset ISR pääsi suorittamaan 27.1.1971.
ISR oli toiminnassa 13 vuotta ja se suljettiin vuonna 1984. Historansa aikana se oli tuottanut
paljon arvokasta tietoa CERNin fyysikoille, ja antanut heille asiantuntevuutta protonisuihkujen
törmäytyksien suhteen. Tästä oli suuresti hyötyä erityisesti LHCn rakennuksessa. Sen uran
kohokohtia olivat esimerkiksi Simon van der Meerin hiukkasten jäähytys menetelmän kokeilu
(”stochastic cooling”), missä hiukkassuihku saadaan pysymään tiiviinä, ja kun vuonna 1981 sillä
törmäytettiin ensimmäisenä protoneja sekä antiprotoneja.
NEUTRAALIEN JÄLKIEN LÖYTÄMINEN
Vuonna 1973 julistettiin Gargamelle
kuplakammiolla tehdystä suuresta löydöstä.
Neutraalit jäljet (”neutral currents”) oltiin
todistettu havaituiksi. Tämä oli suuri edistysaskel
modernissa fysiikassa, koska sillä pystytään
selittämään alkeishiukkasten materiaa, sekä se
auttoi ymmärtämään niiden vuorovaikutuksia.
Ensimmäiset havainnot tapahtumasta oltiin jo
tehty vuonna 1972, mutta kokeiluja täytyi jatkaa
asian varmistamiseksi. Neutraalien jälkien
olemassaolo voitiin perustella Sheldon
Glashowin, Abdus Salamin ja Steven Weinbergin
kehittämällä sähköheikkoteorialla. Teoria on
syntynyt yhdistämällä kaksi erillaista voimaa:
sähkömagneettisen ja heikon vuorovaikutuksen.
CERNin tarina
SUPER PROTON SYNCHROTRON
Super Proton Synchrotron (SPS) teetettiin vuonna 1976, ja
siitä tuli CERNin ensimmäinen jättiläisrengas (kehä noin
7 kilometriä). Aluksi se oli hiukkaskiihdytin, jonka
hiukkassuihkujen energia oli 300 GeV, mutta nykyään
siihen tehtyjen parannuksien ansiosta se on jopa 450 GeV.
Se on käsitellyt protonien lisäksi useita erillaisia
hiukkasia. SPSllä on ollut merkittävä rooli CERNin
hiukkasfysiikan ohjelmassa, ja sillä on tehty useita
tärkeitä kokeita. Sillä on selvitetty protonin sisäistä
rakennetta sekä materiaa ja antimateriaa. SPS on
edelleenkin hyvin tärkeässä asemassa, sillä se kiihdyttää
hiukkasia LHClle viimeisenä.
SPSn uran kohokohta oli kun sillä löydettiin F ja W
bosonit. Löytö tehtiin törmäyttämällä yhteen protoneja ja
antiprotoneja, ja siinä käytettiin stochastista
jäähdytysmenetelmää. Näitä välittäjähiukkasia etsittiin
kahdella ilmaisimella, UA1:lla ja UA2:lla. Vuonna 1983
CERN ilmoitti F ja W hiukkasten löydöstä, mikä oli niin
merkittävää että siitä jaettiin nobeli
Carlo Rubbialle ja Simon van der
Meerille, joilla oli merkittävät osat
niiden löydössä.
RASKAS IONEIDEN TÖRMÄYTTÄMINEN ALKAA
Teoria ennustaa, että juuri alkuräjähdyksen jälkeen universumi oli liian kuuma ja tiheä tuttujen
partikkeleiden, kuten protoneiden ja neutronien, olemassa ololle, muttei niiden rakenneosille
glukoneille ja kvarkeille. Ne vaelsivat vapaana ”partikkeli sopassa”, nimeltään kvarkki- gluoni
plasma (QGP).
Tutkiakseen tätä mahdollisuutta, CERN aloitti vuonna 1986 raskas ioneiden kiihdyttämisen Super
Protoni synkrotronissa (SPS). Ensimmäinen koe käytti melko kevyitä ytimiä kuten happea ja rikkiä,
CERNin tarina
ja syntyi tuloksia, jotka oli yhtenäisiä QGP. n tulkintaan, muttei mitään oikeata näyttöä. 1994
aloitetaan samat kokeet lyijy ioneilla ja 2000 vuoteen mennessä oli pitäviä todisteita siitä, että uusi
olotilan muoto on todellakin nähty.
Viimeinen raskas ioni ajo SPS. ssä tapahtui vuonna 2003.
JÄTTIMÄINEN LEP OTTAA ENSIMMÄISET ASKELEENSA
Vuonna 1989 rakennettiin iso elektroni-positroni
(LEP), joka oli, ja on edelleen, 27km.n
ympyräkehällään suurin elektroni-positroni kiihdytin,
joka ollaan koskaan rakennettu. Kaivaukset LEP
tunnelille oli Euroopassa suurin siviili- insinööri
projekti ennen kanavatunnelia (The Channel Tunnel).
Kaivaukset aloitettiin helmikuussa 1989 ja kehä oli
valmis kolme vuotta myöhemmin.
LEP käsitti 5176 magneettia ja 128 kiihdytin reikää.
Kiihdyttimessä oli neljä hiukkasilmaisinta, jotka
olivat ALEPH, DELPHI, L3 ja OPAL.
LEP otettiin käyttöön kesäkuussa 1898.
Seitsemän vuoden aikana se työskenteli
100GeV.n voimalla ja tuotti 17 miljoonaa Z
partikkelia eli varauksetonta heikon
vuorovaikutuksen omaavaa
välittäjähiukkasta. Toisella operaatio kerralla
288 suprajohteen nopeuttamiseksi onteloihin
lisättiin tupla määrä energiaa, jolloin
tuotettiin W+ ja W- partikkelit, jotka myös omasivat heikon vuorovaikutusvoiman.
LEP suljettiin marraskuun 2. päivä vuonna 2000, jotta sen tilalle voitaisiin rakentaa LHC samaan
tunneliin.
TIM BARNERS-LEE keksii WEBIN
Vuonna 1989 CERNin tutkija Tim Berners-Lee
kirjoitti ehdotuksen kehittää jaettavan informaatio
systeemin laboratorioon. ”Epämääräinen mutta
mielenkiintoinen”, oli pomon vastaus Berners-Leen
ehdotukseen ja näillä sanoilla hän näytti vihreää
valoa informaation vallankumoukselle.
Jouluna 1990 Berners-Leellä oli määriteltynä Webin
perus käsite, URL, http, html ja hän oli kirjoittanut
ensimmäisen selaimen ja palvelinohjelmiston.
CERNin tarina
Vuoden 1991 aikainen Web järjestelmä oli tarkoitettu hiukkasfysiikan yhteisölle, mutta hitaasti se
alkoi levitä koko akateemiseen maailmaan niin, että laaja alue yliopistolla ja tutkimus
laboratorioissa alkoivat käyttää sitä. Yhdysvaltojen ensimmäinen Web palvelin tuli joulukuussa
1991 Stanfordin Lineaariseen kiihdytin keskukseen (SLAC), Californiaan. Vuonna 1993 NCSA
(the National Center for Supercomputing Applications) julkaisi Illinoisin yliopistossa Mosaiikki
selaimen, jota oli helppo pyörittää ja tallentaa tavallisilla PS. llä ja Macintosh tietokoneilla. Vakaan
ylläpidon vuoksi uusi Web alkoi laajeta. Vuodesta 1994 tuli Webin vuosi. Maailman ensimmäinen
maailmanlaajuinen World- Wide Web konferenssi pidettiin CERNissä toukokuussa. Vuoteen 1994
lopuun mennessä Webissä oli 10 000 palvelinta, joista 2000 oli kaupallisia, joilla oli 10 miljoonaa
käyttäjää.
TÄSMÄLLISET TULOKSET MATERIAN JA ANTIMATERIAN EPÄSYMMETRIASTA
Materia ja antimateria syntyivät samaan aikaan alkuräjähdyksessä ja vielä tänäänkin näytämme
elävän Universumissa, joka koostuu pelkästään materiasta.
Koostuuko suuri alue avaruudesta antimateriasta? Vai onko luonto ensisijaisesti materiaa?
Jälkimmäinen näyttää olevan ainakin tosiseikka.
Kokeissa erilaisilla menetelmillä on yritetty etsiä antimaterian atomeja avaruudesta. Tähän
mennessä mitään ei olla löydetty. Maapallolla tehdyissä kokeissa ollaan havaittu pieniä eroja
materian ja antimateria käytöksessä. Ilmiötä kutsutaan CP symmetrian rikkoutumiseksi.
Vuonna 1993 CERNissä tehty NA31 koe julkaisi ensimmäiset tarkat tulokset siitä mitä tiedetään CP
symmetrian rikkoutumisesta. Tämä mittaus oli kauempana puhdistetusta myöhemmästä NA48
kokeesta, joka ilmoitti lopulliset tulokset materiasta vuonna 2001 mutta silti materian ja
antimaterian epäsymmetria on edelleen CERNin asiaistalla.
ENSIMMÄINEN HAVAINTO ANTIVEDYSTÄ
Syyskuussa 1995 Walter Oelertin johtama tiimi loi
antivedyn atomeja ensimmäistä kertaa CERNin
LEARin (Low Energy Antiproton Ring)
olosuhteissa. Yhdeksän näistä atomeistat oli tuotettu
antiprotoneiden ja xenon atomin välisissä
törmäyksissä yli kolmen viikon aikana. Jokainen
pysyi olemassa noin 40 sekunnin miljardiosaa. Ne
kulkivat melkein valon nopeudella yli 10 metriä
kulkuradalla ja sitten tuhoutui tavallisen aineen
kanssa. Tuhoutuminen synnytti signaalin, joka
osoitti antiatomin luomisen.
LEP.N VIIMEINEN ESIRIPPU
Vuonna 2000 CERN teki lopun yhdelle menestyksekkäimmälle aikakaudelleen sen historiassa, kun
se siirsi Large Electron- Positronin pois joulukuussa. Alkuperäinen aikomus sulkea LEP oli jo
vuonna 1999, mutta sen saama lisäaika oli bonusta hiukkasfysiikalle. Aikataulun mukaisena
sulkemispäivänä, syyskuun lopulla, kiihdytys tiimi laittoi LEP n törmäys energian entistä
korkeammaksi ja kokeen raportissa oli vihjeitä jostakin uudesta. Kun LHC n rakentamista oltiin
CERNin tarina
lykätty mahdollisimman etäämmäs, oli LEP llä saadut vihjeet entistä selvempiä, ne lupasivat hyvää
tulevaisuutta CERNin seuraavalle kokeiden sukupolvelle.
ANTIVETY ATOMIEN VANGITSEMINEN
Vuonna 2002, kaksi CERNin koetta, ATHENA ja ATRAP ottivat ison harppauksen kohti
ymmärrettävää antimateriaa luomalla ja vangitsemalla tuhansia antimaterian atomia niiden
”kultaisessa” olomuodossa. Kultainen olomuoto tarkoittaa sitä että atomit ovat hitaassa liikkeessä ja
sen takia ne ovat olemassa riittävän pitkään, jotta niitä voitaisiin tutkia, ennen kuin ne tapaavat
tavallisen aineen ja tuhoutuvat.
Kultainen antivety tulee olemaan uusi työkalu tarkkoihin tutkimuksiin tieteessä. Perustavin tulee
olemaan vertailu vedyn ja antivedyn vertailu elektromagnetismissa ja gravitaation alueilla. Millä
tahansa erolla antivedyn ja vedyn välillä, huolimatta siitä kuinka pieni se on, saattaa olla
syvällisempi merkitys ymmärrykseemme luonnosta ja Universumista.
CERN TÄYTTÄÄ 50 VUOTTA
CERN juhli sen 50 vuotis päiväänsä tyylikkäästi vuonna 2004 Globe of Science and Innovation
avajaisilla 19. Lokakuuta. Viralliseen CERNin juhlintaan osallistui edustajat organisaation 20
jäsenmaasta mukaan lukien Ranskan, Espanjan ja Sveitsin.
LHC KÄYNNISTETÄÄN
Vuonna 2008, 27 kilometriä pitkä, LHC (Large Hadron Collider)käynnistettiin. Samalla
käynnistettiin myös uusi aikakausi korkea energian rajalla(the high- energy frontier). LHC n avulla
pyritään saamaan vastaus moniin kysymyksiin, kuten esimerkiksi siihen, että mikä antaa aineelle
sen massan ja mistä Universumin näkymätön 96% on koostunut. LHC llä pyritään löytämään
Higgsin bosoni joka viimeistelisi myös konkreettisesti nykypäivän fysiikan, sillä nyt se on olemassa
vain matamaattisesti. Jos Higgsin bosonia ei löydettäisi nykypäivän fysiikka menisi 30-40 vuotta
taaksepäin.
CERNin tarina
Tekstilähteet
http://public.web.cern.ch/public/en/About/History-en.html
http://en.wikipedia.org/wiki/CERN
Kuvalähteet
http://cdsweb.cern.ch/collection/Photos
CERNin tarina