Hyppää sisältöön

CERN-ryhmän blogi

22 Lahden lyseon ja Lahden lukio Gaudian opiskelijaa ja kaksi opettajaa suuntaa helmikuussa 2024 Sveitsiin, Euroopan hiukkasfysiikan tutkimuskeskus CERNiin. Ennen matkaa aiheeseen tutustutaan mm. vierailemalla Jyväskylän yliopistolla. Tutkimusmatkaamme ovat tukemassa Padasjoen säästöpankkisäätiö ja Lahden kaupunki. Tämä blogi seuraa matkaamme alusta alkaen.

Jyväskylän yliopistolla vierailu ja CERN-seminaari 24.8.2023

CERN-kurssimme starttasi vierailulla Jyväskylän yliopistoon. Jouduimme heräämään aivan liian aikaisin, koska bussimme lähti liikenteeseen jo 6.30. Syy tähän epäinhimilliseen aikaan oli laboratoriokierros, joka alkoi noin klo 9.00. Kerromme tänään kokemuksestamme ja ajatuksistamme vierailusta. 

Me olemme Matilda, Reetta ja Mindeea. Osallistumme CERN-kurssille, jolla on meidän lisäksemme 19 opiskelijaa Lahden lyseosta ja Gaudiasta. Kurssin päätavoitteena on vierailu CERNissä helmikuussa 2024. 

CERN on Euroopan hiukkasfysiikan tutkimuskeskus, joka sijaitsee Sveitsissä, Genevessä. Tänään tutustuimme Petja Paakkisen luennolla tarkemmin siihen, miten hiukkaskiihdyttimet toimivat ja miten hiukkasten törmäyksistä saatua tietoa hyödynnetään tutkimuksissa. Tällä hetkellä CERNissä tutkitaan pimeää ainetta. 

Ryhmä jaettiin kahtia, ja päivämme alkoi laboratoriokierroksilla. Ensimmäisenä meidän puolikkaamme suuntasi laserlaboratorioon. Kierroksen pitäjä oli professori, ja hän varoitteli paljon lasereiden tehokkuudesta. Hän kertoi esimerkiksi kokeista, joita laboratoriossa toteutetaan ja laitteiden toimintaperiaatteista. Mielenkiintoisinta meistä oli se, kuinka kolmeen osaan jaetulla laserpulssilla voi lopulta saada tuotettua minkä värin tahansa.  

Laboratoriokierroksella esiteltiin yliopiston laajaa laitteistoa

Laserlaboratorion työtilat

Laserlaboratorion jälkeen suuntasimme katselemaan hiukkaskiihdyttimen tiloja ja kuuntelemaan, mitä esimerkiksi Jyväskylän yliopistolla voi päästä tekemään. Laboratoriokierroksen jälkeen oli tauko, jonka aikana vapaaehtoiset saivat osallistua pakohuoneeseen. Mindeea osallistui siihen ja kertookin pakohuoneesta seuraavaksi omia kokemuksiaan. 

”Pakohuonepeli oli tietenkin CERN-teemainen, ja meidän piti selvittää hiukkaskiihdyttimessä havaittu ongelma. Pulmat olivat melko perinteisiä, kuten palapeli, matematiikkapulma, ristikko ja numeroiden yhdistelemistä. Kaikki liittyivät CERNin aihealueisiin kuten magneetteihin, alkuaineisiin ja protoneihin. Teimme hyvää yhteistyötä ja saimme selvitettyä ongelman juuri ennen kuin aika loppui. Pelistä jäi hyvä mieli, ja pulmia oli kivaa ratkaista.

Koska vain osa ryhmästämme pääsi pakohuoneeseen, Reetta ja Matilda jäivät juttelemaan eräälle Jyväskylän yliopiston opiskelijalle. Hän kertoi fysiikan opiskelusta ja hienoista mahdollisuuksista, mitä yliopisto tarjoaa. Tutustuimme myös ensimmäistä kertaa kiehtovaan lääketieteelliseen fysiikkaan. 

Pakohuoneen ja tauon jälkeen suuntasimme kohti ruokailua, jonka jälkeen meille kerrottiin yleistietoa CERNistä ja opiskelijoiden vierailuista siellä. Sen jälkeen kuultiin kaksi luentoa. Petja Paakkinen esitteli meille aluksi hiukkasfysiikkaa, ja Pekka Koskinen kertoi saunomisen fysiikasta. Paakkisen luennosta mieleen jäi kvarkkien vuorovaikutus ja sen vaikutus hiukkasten törmäyksissä. Koskinen puolestaan halusi muistuttaa kaikkia arkielämän fysiikasta ja sen kiinnostavuudesta. 

Auditoriossa kuulimme kaksi mielenkiintoista luentoa. 

 

Ensimmäinen päivä Cernissä 12.2.2024

Ensimmäinen CERN-vierailun päivämme alkoi omituisen tieteellisesti koristellun hotellin aamiaisella, jonka jälkeen suuntasimme kohti CERNiä. Paikan päällä meille jaettiin kaulassa pidettävät vierailijapassit, joita täytyi pitää esillä koko ajan CERNin alueella.

Aluksi meille esiteltiin CERNin ensimmäinen ja vanhin hiukkaskiihdytin (SC, Synchrocyclotron). Kierroksen piti Muhammad Alhroob, ja hän aloitti lyhyellä aikajanan katsauksella, jossa hän kertoi CERNin ja sen hiukkaskiihdyttimien historiasta.

Tämän jälkeen meidät ohjattiin paksujen betoniseinien ympäröimään huoneeseen, jossa SC sijaitsee. Huoneen seinälle heijastettiin video, jossa kerrottiin yksityiskohtaisemmin kyseisen hiukkaskiihdyttimen historiasta. Hienointa ja yllättävintä oli se, kun samalla kun videolla puhuttiin SC:n rakenteesta, heijastukset siirtyivät yllättäen hiukkaskiihdyttimen pinnalle valaisten siitä eri osia. Näillä heijasteilla visualisoitiin kiihdyttimen sisäisiä ja ulkoisia rakenteita.

Videon jälkeen meille annettiin aikaa katsella hiukkaskiihdytintä, jota sai kierrellä ja ihailla monesta eri suunnasta suuressa huoneessa.

Ensimmäisellä luennolla Timo Hakulinen käsitteli aihetta ”Mikä on CERN ja mitä siellä tehdään?” Luennon aikana avattiin hiukkaskiihdyttimien toimintaa ja niiden ympärillä tapahtuvia prosesseja. Saimme syventävää tietoa kiihdyttimien toiminnasta ja siitä, mitä tapahtuu niiden käydessä.

Luennon aikana käsiteltiin myös hiukkaskiihdyttimien tutkimuskohteita ja niiden tutkimustulosten analysointia. Luennon lopussa tarkasteltiin CERNin työntekijäkuntaa ja heidän työtehtäviään sekä Suomen roolia CERNin toiminnassa.

Toisella luennolla opimme, miten pieniä alkeishiukkasia voidaan tutkia kokeellisesti. Aluksi luennon pitäjä Kati Lassila-Perini osallistutti meitä suunnittelemaan itse oman hiukkaskiihdyttimemme, mikä sai meidät ajattelemaan, kuinka paljon erilaista tekniikkaa niin suuri laite vaatii.

Tämän jälkeen kävimme läpi sitä, miten erilaisia standardimallin hiukkasia voidaan havaita ja tunnistaa erilaisilla ilmaisimilla. Luento sitoi aiheen sopivasti lukiofysiikkaan, kun Lassila-Perini kirjoitti taululle meille tuttuja fysiikan kaavoja ja selitti, miten ne liittyvät erilaisten hiukkasten tunnistamiseen. Lisäksi opimme CERNin suuren CMS-kokeen rakenteesta ja ilmaisimista.

Meidän oli tarkoitus päästä vierailemaan CMS:n luona, mutta tämä peruuntui viime hetkellä. Meille järjestettiin kuitenkin rivakalla aikataululla uutta ohjelmaa, sillä LUT-yliopiston professori Panja Luukka tuli kertomaan meille omista töistään CMS:n parissa sekä yliopistolla. Tämän jälkeen päivän virallinen ohjelma oli ohi ja vapaa-aikamme alkoi. Osa ryhmästä pysähtyi matkan varrella olevaan ostoskeskukseen ja osa meni kävellen tutustumaan kaupunkiin.

Akseli, Aaron, Eetu ja Sanni

 

Toinen päivä CERNissä 13.2.2024

Aamun sarastaessa tiistaina lämpimät auringonsäteet tanssivat huoneeseen halkaisten tunkkaisen huoneilman ja heittäen loisteensa huoneen tummille seinille. Kello koitti 6.30 ja herätys rikkoi hiljaisuuden. Ravitsevan aamupalan jälkeen suuntasimme bussipysäkille, jolta alkoi matka CERNiä kohti.

(kuva 1, tulossa)

Parkkipaikalta näkyi vuoristoa

Päivä CERNissä alkoi luennolla CLOUD-kokeesta. Luennon piti CERNissä pitkään työskennellyt tutkija Antti Onnela. Onnela kertoi, että CLOUD-kokeessa tutkitaan kosmisen säteilyn ja pilvien muodostumisen välistä yhteyttä. Kokeessa käytetään Proton Synchrotron -hiukkaskiihdytintä ja kammiojärjestelmää, joka mahdollistaa pilvien muodostumisen laboratorio-olosuhteissa. Ennen koetta kammioon pitää saada aikaan sellainen tyhjiö, että kokeen aikana kammiossa esiintyy vain 1 ylimääräinen hiukkanen 1012 tarkoituksenmukaisen hiukkasen joukossa. CLOUD-koe on ensimmäinen kerta, kun hiukkaskiihdytintä on käytetty ilmakehän ja ilmaston tutkimiseen.

Seuraavassa luennossa Mikko Barinoff kertoi CERNissä työskentelevien insinöörien työtehtävistä, joista yksi on ollut suunnitella osia CMS-kokeeseen. Barinoff kertoi menetelmistä ja ohjelmista, joita hän käyttää suunnitteluun ja saimme tarkastella sekä 3D-tulostettua prototyyppiä että valmista tuotetta.

(kuva 2, tulossa)

Tieteilijöiden ja insinöörien eroja havainnollistava kuva

Insinööriluentoa seurasi lounas CERNin ruokalassa ja sen jälkeen alkoi luento teoreettisesta hiukkasfysiikasta. Luennon piti fysiikan tutkija Jaana Heikkilä. Luennolla saimme kuulla paljon uutta eri hiukkasista ja niiden ominaisuuksista. Suuri osa tiedosta oli olennaista hiukkaskiihdyttimen toiminnan ymmärtämisen kannalta. Opimme muun muassa kvarkkien ja gluonien värivarauksesta.

ISOLDE-luento tarjosi syvällisen katsauksen CERNin laitokseen, joka tuottaa harvinaisia ja epästabiileja atomeja ja hiukkasia. Luennolla käsiteltiin laitoksen toimintaperiaatetta, sen roolia nykytutkimuksessa sekä tulevia haasteita ja mahdollisuuksia. Meidät jaettiin kahteen ryhmään ja vietiin kierrokselle ISOLDEn varsinaiseen koetilaan, jossa näimme lukuisia mittauslaitteita. Poistuessamme koetilasta meidät tarkistettiin säteilyn varalta.

(Kuva 3, tulossa)

Isolden koehalli

(Kuva 4, tulossa)

Radioaktiivisen jätteen keräysastia

Ohjelman päätyttyä CERNissä pääsimme kiertämään ja tutkimaan Geneven kaupunkia. Kävimme katselemassa Geneven nähtävyyksiä ja tutustuimme paikalliseen ruokakulttuuriin läheisessä pizzeriassa. Hyvän ruuan jälkeen palasimme hotelliin ja päätimme päivän palauttavilla yöunilla.

Miko, Elias ja Jaakko

 

Kolmas päivä CERNissä 14.2.2024

CERN-kurssin kolmas ja viimeinen CERNiin liittyvä päivä alkoi aikaisin kello 7.00 aamiaisella, jonka jälkeen keräännyimme klo 7.45 hotellimme eteen ja menimme odottamaan bussia. Bussi oli kuitenkin peruttu, joten suuntasimme pikaisesti ratikkapysäkille kävellen. Tästä matka CERNiin oli helppo ja pikainen.

Me olemme Niki, Remu ja Miisa ja edustimme ainoina matkalla Gaudian lukiota.

Päivämme aloittanut CERNin Data Centren esittely oli aivan huikea. Se alkoi videolla, jossa tiivistettiin CERNin datankäsittelyprosessi, johon kuuluu viisi vaihetta: keräys, alkukarsinta, syvempi karsinta, datan varmuuskopiointi ja ryhmittäminen sekä pitkäaikaissäilytys.

Keräysvaihe ja alkukarsinta tapahtuvat suoraan kiihdyttimellä. Tässä vaiheessa noin 1,7 miljardia törmäystä sekunnissa karsitaan enintään sataan tuhanteen per sekunti. Toisessa karsintavaiheessa tapahtumat käsittelee noin 40 000 suoritinytimen serverifarmi, jolloin lopuksi jää vain noin 1000 tapahtumaa per sekunti eli 0,00000558 % alkuperäisistä törmäyksistä.

Esittelyn lopuksi luennoija yllätti meidät paljastamalla, että ”valkokankaan” takana olikin CERNin palvelinkeskus.

Tämän jälkeen pääsimme kylmän antimaterian pariin. Aluksi opimme antihiukkasten perusteista: niillä on sama massa kuin niiden tavallisen aineen vastinpareilla, mutta vastakkainen sähköinen varaus. Jos antiainehiukkaset osuvat tavalliseen aineeseen, vastinparit annihiloivat toisensa.

Antihiukkasten olemassaolo ennustettiin ensin Diracin yhtälön kautta. Toisen asteen yhtälön ratkaisu on joko negatiivinen tai positiivinen. Tästä seuraa, että Diracin yhtälön mukaan jokaiselle hiukkaselle on pakko olla olemassa vastakkainen antihiukkanen. Ensimmäinen antihiukkanen löytyi vuonna 1932. Se nimettiin positroniksi, koska löydetty antihiukkanen onkin kuin onkin elektronin vastakkaishiukkanen.

Luennon jälkeen suuntasimme CERNin Antimatter Factory:lle, jossa ensin tutustuimme CERNin hiukkasten hidastimiin, joista uusin ja tehokkain on Extra Low Energy Antiproton ring (ELENA). Laitteen tavoitteena on, nimensä mukaisesti, hidastaa antiprotoneja erittäin hitaiksi, ”kylmiksi”, jotta niitä voidaan käyttää kokeissa.

Päivän lopuksi pääsimme tutustumaan paikalliseen ”Heurekaan” nimeltään Science Gateway. Science Gatewayssa pääsimme tutustumaan erilaisten lumoavien simulaatioiden ja hupaisten pelien kautta kvanttimaailmaan ja hiukkasfysiikan mysteereihin.

Niki, Remu ja Miisa

 

YK ja punainen risti + ratikkaretki Ranskaan (15.2.)

Päivämme alkoi vierailulla YK:n Geneven päämajaan. Turvatoimet vastasivat lentokentän turvatarkastuksia läpivalaisuineen ja metallinpaljastimineen. Ehkä ihan hyväkin, sillä olihan kyseessä kuitenkin YK. Kun pääsimme turvatarkastuksesta, jakauduimme kahteen ryhmään ja lähdimme oppaidemme kanssa kiertämään YK:n rakennuksia. Meidän ryhmämme kävi ensin museossa, joka oli melko pieni, mutta siellä oli näytillä tärkeitä YK:n ja Kansainliiton historiaan liittyviä asioita.

Museossa oli esillä todistus isorokon hävittämisestä maailmasta.

 

Museosta jatkoimme eteenpäin YK:n saleihin, joista ensimmäiseksi kävimme kauniin ja modernin näköisessä salissa. Jäsenvaltiot lahjoittavat salit YK:lle ja vastaavat sekä salin rakentamisesta että sen ylläpidosta. Samalla kuulimme kokousten tulkkauksesta. YK:n käsittelyissä minkä hyvänsä maan edustaja voi puhua arabiaa, ranskaa, englantia, espanjaa, kiinaa tai venäjää ja hänen puheensa tulkataan samanaikaisesti kaikille muille edellä mainituille kielille. Lisäksi tulkkaus on saatavissa viittomakielelle.

Tämän salin on lahjoittanut Qatar.

Lopuksi kävimme vielä YK:n ihmisoikeusneuvoston kokoussalissa. Se oli jonkin verran ensimmäistä pienempi, mutta ainakin meidän mielestämme sen katto on melko hieno. Designin taustalla oli kuulemma ajatus, että ainoastaan kokouksen puheenjohtaja näkee kokonaisuuden.

Kierroksemme YK:ssa päättyikin sitten tähän. Pakko vielä mainita, että YK:lla oli varmasti Geneven halvimmat kahvit, hinnaltaan vain 0,70 CHF.

Seuraavaksi kävimme kansainvälisen Punaisen Ristin ja Punaisen Puolikuun museossa, joka oli YK:n päämajalta lyhyen kävelymatkan päässä. Tutustuimme näyttelyiden kautta Punaisen ristin humanitaariseen toimintaan, josta kerrottiin monipuolisesti tekstin, esineiden ja taiteen muodoissa. Museon pysyvä näyttely koostuu kolmesta aiheesta: ihmisarvon puolustamisesta, perheyhteyksien säilyttämisestä ja luonnonkatastrofien välttämisestä.

Kuvassa olevalle seinälle oli koottu perheistään erotettujen ruandalaislasten kuvia.

Punaisen ristin museon jälkeen suurin osa ryhmästä lähti Johanna Joensuun kanssa Ranskaan pienelle matkalle. Ranskan reissumme lähti suoraan Punaisen ristin museon läheiseltä bussipysäkiltä. Bussilla hetken kuljettua vaihdoimme ratikkaan, joka kulki suoraan Ranskan puolelle Annemassen kaupunginosaan. Matka Annemasseen kesti yhteensä noin 30 minuuttia. Ratikkaan jouduimme ostamaan lipun, sillä Geneven turisteille tarjoama ilmainen joukkoliikennelippu ei yllä ranskalaisiin päämääriin asti.

Ranskaan saavuttuamme nälkä alkoi jo kurnimaan vatsoissamme. Saavuimme kuitenkin Ranskan puolelle vasta noin klo 15:30, jolloin suurin osa ranskalaisista ravintoloista oli mennyt kiinni lounasajan loputtua. Päätimme ohjeistuksen ja mietinnän ajaksi kokoontua lähipuistoon. Enemmistö päätyi vertailemaan ranskalaista Big Mac -indeksiä sveitsiläiseen hintatasoon.

 

Jere Nygren, Riku Uotila ja Roope Suikki

 

Museokierros ja kotiin lähtö (16.2.)

Aloitimme päivämme ruokailemalla hotellilla tuttuun tapaan, joskin hieman totuttua myöhemmin (jes!). Aamupalan jälkeen oli aika suunnata keskustaan. Lähdimme bussilla Geneven keskustaan tutustumaan museoihin ja muihin nähtävyyksiin, jotka saimme vapaasti valita neljän kohteen listasta: reformaatiomuseosta, talomuseosta, arkeologisista kaivauksista ja kirkon torneihin kiipeämisestä. Meidän ryhmämme valitsi näistä kaksi viimeistä.

Ensin menimme arkeologisille kaivauksille kirkon alle. Arkeologia on yleisesti ottaen melko mielenkiintoista, joskin yleisesti ei ryhmällemme niin tuttu tieteenala. Arkeologisten kaivausten laajuus yllätti meidät täysin ja olimme melko vaikuttuneita sekä alhaalta tehdyistä löydöistä että museon hinnoista. Tarina ei kerro olivatko ne suuret vai pienet, mutta sentään saimme opiskelija-alennusta. Alhaalla oli todella kuumaa, kuivaa ja pimeää, mikä loi eksoottisen tunnelman. Kaivaukset olivat hienot, joskin noin 95 % opasteista oli ranskaksi, mikä vaikeutti ymmärtämistä.

Tunneleista löydettiin myös luuranko ja myöhemmässä vaiheessa luita seinän sisästä. Pitkin reittiä oli erilaisia kuoppia ja kaivoja, joista jälkimmäisiin ihmiset olivat heitelleet rahaa. Reissu alkoi jo painaa päälle, mikä huomattiin säikähtäessämme kivimuodostelmaa, joka näytti erehdyttävästi muumiolta.

Päivän toisena kohteenamme oli katedraali, joka kuului alkujaan katoliselle kirkolle, mutta myöhemmin siirrettiin Geneven reformoidun protestanttisen kirkon omistukseen. Katedraali itsessään on vaikuttava, mutta Geneven suurimpiin turistinähtävyyksiin kuuluvat kuitenkin katedraalin korkealle kohoavat kellotornit, joihin pääsimme kiipeämään loputtomilta tuntuvia portaita aina ylös asti. Todellisuudessa portaita oli vain noin 160, mutta portaiden kapeuden ja tilanahtauden takia kiipeäminen ylös tuntui päättymättömältä. Portaiden ahtautta korostivat myös porrastasanteiden välissä olevat ”liikennevalot”, jotka kertoivat, milloin portaissa olisi tarpeeksi tilaa kulkea. Onneksi kuitenkin kyseisillä porrastasanteilla oli mahdollista hengähtää ja nauttia siihen asti kasaantuneesta korkeudesta maisemien muodossa.

Ennen huippua nähtiin myös tornin hapettuneen vihreät kellot.

Huipulle lopulta päästyä kiipeäminen osoittautui vaivan arvoiseksi, sillä näköala oli suorastaan päätähuimaava. Tornien huipulta näki koko Geneven vanhankaupungin ja sen yli, mutta myös yhden Sveitsin tunnetuimmista nähtävyyksistä, Jet d’eaun. Jet d’eau on vaikuttava vesisuihku, joka kohoaa jopa 140 metrin korkeuteen. Tornien huippuja oli mahdollista kiertää niitä ympäröivillä parvekkeilla ja nauttia maisemista moneen suuntaan. Oikeassa kohtaa parveketta saattoi huomata kaukaisuudessa myös Alppien korkeimman vuoren, Mont Blancin.

Käytyämme näissä kahdessa kohteessa saimme luvan kierrellä vapaasti. Lähdimme isona porukkana kiertämään Geneven keskustaa ja vinguttamaan visaa viimeisen päivän kunniaksi. Kävimme noin 4 suklaakaupassa, 7 matkamuistomyymälässä ja yhdessä kauppakeskuksessa. Mukaan tarttui tavaraa noin viiden elämän edestä. Kävimme viimeisen päivän kunniaksi syömässä hieman ”paremmassa” hampurilaispaikassa nimeltään Holy Cow! Hampurilaiset olivat valtavat, mutta myös valtavan hyvät ja hinta oli vain hieman viereistä McDonald’sia kalliimpi. Ranskalaiset maistuivat taivaallisilta ja kaikki olivat tyytyväisiä.

Viisi janoista kulkijaa lähtivät shoppailusta tarpeeksi saaneena etsimään Nuoruudenlähdettä. Matkasimme bussilla halki Geneven kaupungin löytääksemme tuon maagisen lähteen. Meillä oli mukanamme täytettäviksi CERNin tuliaiskaupasta ostetut juomapullot sekä Ranskasta ostettu 5 litran vesikanisteri, jotta saisimme kannettua mukanamme mahdollisimman paljon nuoruuden eliksiiriä. Menimme vahingossa bussilla pysäkin ohi, mutta seuraavalta pysäkiltä ei ollut onneksi kovin pitkä matka kävellä lähteelle. Viiden litran kanisterin täyttämiseen meni yllättävän kauan, koska leijonan kidasta ei vettä tullut erityisen nopeasti. Tulli tai lentokenttätyöntekijät eivät onneksi takavarikoineet kanisteriamme, ja se matkasi mukanamme Suomeen lentokoneen ruumassa matkalaukussa. Kuvan alla on seuraavan kerran CERNiin lähteville myös Nuoruudenlähteen koordinaatit.

46.200368, 6.153067

Lopulta kokoonnuimme hotellille ja lähdimme yhdessä kohti lentokenttää aivan liian täydellä bussilla. Lentomme viivästyi noin puolitoista tuntia, mutta ainakin saimme pelattua Pokemon Go -raidin. Lentokentällä ihmiset taas hajaantuivat, mutta kun portti viimein julkaistiin, saapui suurin osa sinne melko nopeasti. Odotusaika oli melko levotonta ihmisten ollessa väsyneitä ja hermostuneita, mutta lentokoneeseen ja lopulta ilmaan päästyämme tunnelma oli helpottunut. Kokonaisuudessaan tunnelma matkasta on väsynyt, mutta onnellinen.

Matti, Lotta ja Lotta