Atomeissa on ydin ja sitä kiertäviä elektroneja. Ytimessä on puolestaan yleensä protoneita ja neutroneita. Elektronit ovat sähkövaraukseltaan negatiivisia ja protonit positiivisia, ja neutronit puolestaan nimensä mukaisesti neutraaleita.

Koska LHC on viritetty toimimaan protoneilla, piti käytettyjen atomiydintenkin olla varaukseltaan positiivisia, joten niissä oli tavallista vähemmän elektroneja. Itse asiassa aika paljon vähemmän, sillä atomeina kokeessa käytettiin lyijyatomeita, joissa oli vain yksi ainoa elektroni.

Ongelmana on LHC:n säätämisen lisäksi se, että lyijy menettää ainokaisen elektroninsa hyvin helposti, jolloin kiihdyttimen tarkasti hiukkasten kanssa synkronoidut magneetit eivät saa siitä enää otetta, vaan atomi törmää kiihdyttimen pienen tyhjiöputken seinään.

Ensimmäisessä kokeessa kiihdyttimeen ohjattiin 24 atomeista koostunutta rypästä ja niitä pyöritettiin hyvin hitaasti suuressa kiihdytinrenkaassa noin tunnin ajan. Sitten tehoa lisättiin ja atomien nopeus kasvoi. Atomeita onnistuttiin pitämään noin kaksi minuuttia kiihdyttimessä, ennen kuin ne ohjautuivat siitä pois. Kiihdytin on tehty siten, että kun hiukkassuihku – tai atomisuihku – ei ole stabiili, se ohjataan pois kohtioon, mihin atomit törmäävät turvallisesti jälkiä jättämättä.

Sen jälkeen LHC resetoitiin ja sen sisälle ohjattiin vain kuusi atomirypästä. Niiden kanssa kaikki toimi paremmin, ja suihku onnistuttiin pitämään kahden tunnin ajan pyörimässä kiihdyttimessä suurella teholla, ennen kuin se tarkoituksella ohjattiin ulos renkaasta.

Tutkijat ennustivat, että teoreettisesti LHC voisi pitää tällaisen omituisen hiukkassuihkun sisällään 15 tunnin ajan, mutta nyt tehdyn kokeen perusteella se voisikin toimia jopa 40 tunnin ajan.

Koe liittyy CERN:in uusien, mahdollisten koelaitteiden testaamisohjelmaan, missä eräs mahdollisista tulevaisuuden laitteista on niin sanottu gammatehdas.

Gammatehtaassa (englanniksi Gamma Factory) kiihdyttimessä kiertävään suurienergiseen atomisuihkuun ammutaan laservaloa, jolloin atomien elektronit hyppäävät korkeammalle energiatasolle ja palaavat sitten sieltä takaisin. Normaalisti energiatasolta alemmalle putoava elektroni vapauttaa tavallista valoa, mutta kun atomit liikkuvat kiihdyttimessä hyvin lähellä valon nopeutta, olisi syntyvä valo hyvin lyhytaallonpituuksista, eli osuisi gamma-aaltojen alueelle.

Gammasäteet puolestaan olisivat niin voimakkaita, että ne voisivat tuottaa tavallisen aineen hiukkasia, mutta myös raskaampia alkeishiukkasia sekä mahdollisesti eksoottisia aineen muotoja, kuten omituista pimeää ainetta.

Tuloksena voisi olla myös myonisäteitä, aivan uudenlainen hiukkassuihku, jonka käyttäminen avaisi uusia mahdollisuuksia hiukkastutkimuksessa. Myonit ovat epävakaita hiukkasia, jotka ovat hieman kuten elektroneja, paitsi että niiden massa on 207-kertainen elektronin massaan verrattuna. Siitä tekee kiinnostavan hiukkastutkimuksen kannalta paitsi sen korkea massa, niin myös se, ettei sillä ole sisäistä rakennetta – törmäystulokset ovat siis yksiselitteisempiä, kuin esimerkiksi LHC:n nyt käyttämillä protoneilla, jotka koostuvat kolmesta kvarkista.

Matkaa näihin uudenlaisiin kiihdyttimiin on vielä paljon, mutta nyt tehty koe antaa toivoa siitä, että sellaisia voidaan joskus vielä tehdä.

Tulos on saatu tutkimalla kaikkiaan 14 miljoonaa W-bosonin tuottanutta hiukkastörmäystä, jotka havaittiin ATLAS-koeasemalla vuonna 2011. LHC-kiihdytin toimi tuolloin alkuperäisellä seitsemän teraelektronivoltin energialla, eli tämän jälkeen saadut havainnot ovat vieläkin parempia. Niitä ei kuitenkaan ole vielä saatu mukaan tähän tutkimukseen, missä pelkkä tietojen käsittely vei viisi vuotta.

W-bosonin massan tarkka määrittäminen auttaa täsmentämään standardimallia, koska siinä melkeinpä kaikki vaikuttaa kaikkeen. Erityisen tärkeää W:n parempi tunteminen on viime vuosina tunnetuksi tulleen Higgsin bosonin tarkemman ymmärtämisen kannalta.

Mikäli W-bosonin havaittu massa olisi ollut olennaisesti erilainen teoreetikkojen laskemaan massaan verrattuna, olisi edessä ollut mahdollisesti jokin uusi ilmiö, mistä ei aikaisemmin ole ollut tietoa. Nyt näyttää siltä, että sellaista ei ole – toisaalta onneksi, toisaalta valitettavasti.

Avain tarkan massan mittaamisessa oli W-bosonin läheinen kumppani, Z-bosoni, jonka avulla ATLAS-koeaseman havainnot pystyttiin kalibroimaan erittäin tarkasti.

Korjausten ja parannusten jälkeen LHC on jälleen hieman aiempaa parempi.

Erityisesti sen hiukkassuihkujen "kirkkaus" on nyt parempi, mikä tarkoittaa sitä, että havaintolaitteissa tapahtuu enemmän hiukkastörmäyksiä ja siten tuloksena on enemmän havaintoja.

Lisäksi tarkoituksena on saada LHC toimimaan vieläkin suuremmalla hyötysuhteella. Viime vuonna kiihdyttimessä oli tasainen, hyvä tutkimuskäyttöön sopiva hiukkassuihku noin 49 % ajasta, mikä oli olennaisesti parempi kuin aikaisempi noin 35 %. Nyt tämän luvun odotetaan kasvavan edelleen, mikä tarkoittaa osaltaan myös lisää hyviä havaintoja ja siten mahdollisesti kiinnostavia tutkimustuloksia.

Käynnistäminen – kuten sammuttaminenkaan – ei käy noin vain nappia painamalla.

LHC on suuri systeemien systeemi, useiden eri toisiinsa liittyneiden laitteistojen ja pienempien kiihdytinten verkko, jonka saaminen käyntiin vie noin kuukauden päivät.

"Se on kuin orkesteri, missä kaiken täytyy toimia yhdessä ja samanaikaisesti. Kun jokainen sen osana oleva kiihdytin on päällä ja toimii normaalisti, alamme syöttää hiukkassuihkua pienemmästä kiihdytinrenkaasta yhä isompaan ja lopulta LHC:n suureen renkaaseen."

Nyt muutaman viikon ajan laitteiston toimintaa tarkkaillaan ja hienosäädetään. Hiukkastiheyttä lisätään vähitellen ja lopulta toukokuun puolivälissä alkaa LHC jälleen tehdä kunnolla tiedettä.

Ja sen jälkeen se pyöriikin ympäri vuorokauden aina ensi joulukuuhun saakka.

Fyysikoilla on satoja erilaisia selityksiä tälle fotoniparien omituiselle määrälle, ja niistä oikeastaan kaikki vaativat uuden, raskaan hiukkasen olemassaoloa. Se puolestaan olisi saanut koko standardimallin remonttiin, sillä tällaiselle uudelle hiukkaselle ei siinä ole paikkaa.

Syynä fotoniparien epäsuhtaan näyttää olleen ns. statistinen fluktuaatio, LHC:n kahden koeaseman tuottamien valtavien tietomäärien sekaan jäänyt satunnainen vaihtelu, joka löytyi nyt tarkemmissa analyyseissä. Havainnosta kerrottiin parhaillaan Chicagossa meneillään olevassa kansainvälisessä hiukkasfysiikan ICHEP-konfrenssissa.

Löytö olisi siis saanut suuren joukon fyysikoita samanaikaisesti innostumaan ja masentumaan, sillä tiedossa olisi ollut suuri mullistus ja vaatinut paljon työtä hiukkasfysiikan perusteiden parissa. Nyt, kun löytö on paljastumassa harhaksi, ovat fyysikot jälleen tyytyväisiä ja harmissaan: kaikki onkin edelleen paikallaan, mutta toisaalta standardimallin muokkaaminen olisi ollut todella jännää.

Vaikka nyt 750 GeV:n hiukkanen voidaankin haudata, ei uuden hiukkasen olemassaoloa voi vielä sulkea pois.

LHC tuottaa parhaillaan uutta tietoa paljon aiempaa tehokkaampana ja tuosta tietomäärästä löytyy varmasti jotain uutta – kenties myös uusia hiukkasia.

Minkä taakseen jättää, sen edestään löytää

Vanha sanonta toteutuu ikävällä tavalla, sillä 60-henkinen insinööriryhmä joutuu nyt käymään jokaisen näistä johdoista läpi ja korvaamaan suuren osan niistä uusilla.

Vanhojen johtojen paikalleen jättäminen ei enää onnistu, koska kaapeleille varatut kourut ja tilat ovat tupaten täynnä.

Siksi insinöörit ovat jo nyt kartoittaneet edessään olevaa työtä. Suurin osa kaapeleista on turhia, joten ne tullaan yksinkertaisesti poistamaan tieltä. Osa samanlaisista kaapeleista on kuitenkin toiminnan kannalta tärkeitä ja osa niistä on turvallisuuden kannalta hyvin tärkeitä. Nämä johdot pitää tunnistaa ja korvata uusilla. 

Varsinainen urakka alkaa jo ensi vuonna, mutta johtojen paikantaminen sekä tunnistaminen on jo alkanut. Kaapeliruljanssin valmistelu alkoi jo viime kesänä arkistomateriaalin avaamisella. Periaatteessa jokaisesta johdosta on olemassa dokumentti, mutta käytännössä niin ei ole. Vanhimmat tiedot ovat lähes 70 vuoden takaa.

Kun johtojen vaihtaminen pääsee vauhtiin, sen odotetaan kestävän neljän vuoden ajan. Näin nykyistäkin parempi ja tehokkaampi LHC voisi hyrähtää käyntiin vuoden 2020 lopussa. 

Kuva: CERN

Koelaitteista ATLAS keskittyy metsästämään törmäyksistä raskaita W- ja Z-bosoneita. CMS-koeasema, jonka tekemisessä oli ja tutkimuksessa on edelleen paljon suomalaisia mukana, pystyy myös kuvaamaan sekä mittaamaan erittäin tarkasti törmäyksiä, joissa on mukana raskaita hiukkasia.

Nyt myös LHCb-koeasema (joka törmäyskuva on yllä)  toimii samaan aikaan; aiemmin sitä on käytetty erikseen. Tämä johtuu siitä, että se toimii hieman eri tavalla: siinä missä ATLAS ja CMS tutkivat, kuvaavat ja mittaavat koeaseman keskellä tapahtunutta törmäystä, keskittyy LHCb seuraamaan sitä, mitä tapahtuu kun hiukkaset törmäävät kiinteään kohteeseen. 

Siksi sen mittalaitteet on asennettu kohtion takapuolelle noin 20 metrin pituudelle ja niiden avulla jäljitetään hiukkasia, jotka syntyvät törmäyksessä ja sinkoavat siitä eteenpäin. 

Laite kehitettiin tutkimaan ennen kaikkea aineen ja antiaineen pieniä eroavaisuuksia, jotka näkyvät ns. kauneus-kvarkissa, eli b-kvarkissa. Laitteen nimi LHCb tulee juuri tästä (Large Hadron Collider beauty).

Otsikkokuvassa on osa LHC-kiihdytintä tunnelissaan (Kuva: CERN)

LHC ei ole mikään kaukoputki, jolla voidaan tähytä suoraan aineen ytimeen.  Kiihdyttimessä hiukkaset saavat lisävauhtia, kunnes kulkevat lähes valon nopeudella. Kun ne sitten törmäävät toisiinsa tai ”maalitauluna” olevaan aineeseen, hiukkaset pirstoutuvat osatekijöikseen, jotka edelleen hajoavat erilaisiksi hiukkasiksi.

Tarkastelemalla lukemattomissa törmäyksissä vapautunutta energiaa ja hiukkasten hajoamisen välivaiheita ja lopputuloksia, päästään mahdollisten uusien hiukkasten jäljille. Tässä tapauksessa Lambda b -niminen baryoni hajosi kolmeksi hiukkaseksi, J-psiksi, protoniksi ja kaoniksi.

Joissakin hajoamisissa esiintyi välivaiheita, jotka saivat proosallisiksi nimikseen Pc(4450)+ ja Pc(4380)+. Kun tutkijat etsivät selitystä niiden esiintymiselle ja ominaisuuksille, ainoaksi vaihtoehdoksi jäi pentakvarkki, neljän kvarkin ja yhden antikvarkin muodostama hypoteettinen hiukkanen.

"Tarkemmin sanottuna näiden välivaiheiden täytyy rakentua kahdesta ylös-kvarkista, yhdestä alas-kvarkista, yhdestä lumo-kvarkista ja yhdestä anti-lumo-kvarkista", listaa Tomasz Skwarnicki Syracusen yliopistosta.

Asia ei ole vielä tällä selvä, sillä seuraavaksi pyritään selvittämään, miten kvarkit ovat sitoutuneet toisiinsa tässä uudessa hiukkaslajissa. 

"Kvarkit voivat olla tiukasti toisiinsa sidoksissa", toteaa tutkimusryhmään kuuluva Liming Zhang Tsinghuan yliopistosta, "tai ne voivat löyhässä muodostelmassa eräänlaisena mesoni-baryoni-molekyylina, jota vahvavoima pitää kasassa samaan tapaan kuin protonien ja neutronien muodostamia atomiytimiä."

Löydöstä kerrottiin CERNin uutissivuilla ja tutkimus on julkaistu Physical Review Letters -tiedelehdessä.

Kuvat: CERN

Olennaista hiukkassuihkujen energian kasvattamisen ohella on ollut saada suihkut hyvin tiiviiksi ja osumaan toisiinsa täsmälleen ilmaisimien keskellä. Lähes valon nopeudella liikkuvilla hiukkassuihkuilla se ei ole aivan helppoa.

Hiukkassuihkujen paksuus on noin 20 mikrometriä, eli viidesosa ihmisen hiuksen tyypillisestä paksuudesta. Protoneista sisältäviä suihkuja ohjataan kollimaattoreiksi kutsutuilla magneeteilla, joiden säätäminen on ollut vaikeaa. 

Sen jälkeen kun ennätysenergia saavutettiin keskiviikkona illalla, pidettiin nämä hiukkassuihkut kiihdyttimen sisällä pitkälle torstain puolelle, jotta suihkujen hallintalaitteita pystyttiin virittämään vielä paremmin. 

Samalla kiihdyttimen seitsemän tutkimuslaitetta – jotka kuvaavat ja mittaavat törmäyksiä – pidettiin päällä ja myös niiden toimintaa säädettiin. Tarkoituksena on aloittaa varsinaisten tutkimustörmäysten tekeminen täydellä teholla kesäkuun alussa.