Valmistautuminen tiedekouluun

Askolan lukio liittyi syksyllä 2005 valtakunnalliseen CERN-verkostoon. Verkoston tarkoituksena on edistää modernin fysiikan tuntemusta lukiolaisten parissa sekä innostaa lukiolaisia fysiikan pariin myös jatko-opinnoissaan. Tutustuin Kolarin lukion fysiikan lehtoriin Tero Lahtiseen kesällä 2005 Moskovan Korolevissa avaruusfysiikan kesäkoulussa ja pyysin loppu syksystä 2005 Kolarin lukiota mukaan yhteiseen hankkeeseen. Kolarin lukio liittyikin Cern-verkostoon keväällä 2006 ja näin Askolan lukion lähimmäksi (joskaan ei maantieteellisesti) yhteistyökumppaniksi tuli Kolarin lukio Lapista. Muita yhteistyökumppaneita ovat Opetushallitus, Fysikaalisten tieteiden tutkimuslaitos Helsingissä (HIP) ja Jyväskylän yliopiston fysiikan laitos. Maaliskuussa 2007 selvisi, että ryhmämme on hyväksytty projektin lopuksi tiedeleirikouluun, joka pidetään lokakuussa 2007 Euroopan hiukkasfysiikantutkimuskeskuksessa Cernissä, Sveitsin Genevessä. Projektiin osallistuu 13 opiskelijaa Askolan lukiosta ja 7 Kolarin lukiosta.

Ennen kuin opettaja voi viedä opiskelijoitaan tiedeleirikouluun Cerniin, on hänen ensin osallistuttava viikonmittaiselle opettajille järjestettävään modernin fysiikan täydennyskoulutukseen Geneven Cernissä. Suoritimme tämän kurssin Teron kanssa kesäkuussa 2007. Tämäkään ei vielä riitä, että ryhmä olisi valmis tiedekouluun. Teimme kaksi päivän mittaista opintovierailua Jyväskylään Cern-seminaariin 15.9.2006 ja 7.9.2007, joiden aikana kuuntelimme mm. mielenkiintoisia luentoja hiukkasfysiikasta ja saimme tutustua syklotronilaboratorioon. Helsingin yliopiston fysikaalisten tieteiden laitoksella(HIP) vierailimme maanantaina 8.10.2007. Tämän opintokäynnin aikana saimme lisää tietoa hiukkasfysiikasta ja ilmaisimista sekä tutustuimme lineaarikiihdyttimen toimintaan. Ennen kuin voi päästä Cerniin tiedeleirikouluun, on jokaisen opiskelijan edellisten lisäksi tehtävä tutkielma jostakin hiukkasfysiikkaan liittyvästä aiheesta ja suoritettava Aine ja säteily-kurssi.

Tiedekoulun rahoitusta ovat olleet tukemassa Opetushallituksen lisäksi Metsäneuvos Veikko Pohjanpellon rahasto , Säästöpankkisäätiö Porvoo ja Aktia Säästöpankki Oyj.

TIEDELEIRIKOULU CERNISSÄ

Maanantaina 22.10.2007 lähdimme aamusta lukion pihasta kohti Helsinki-Vantaan lentokenttää. Kentällä tapasimme Kolarin lukion opiskelijat, jotka olivat tulleet yöjunalla jo aamuksi Helsinkiin. Lentoa odotellessa vertailimme kolarilaisten kanssa tutkielmiamme fysiikan projektimatkaa varten. Lento Geneveen sujui hyvin ja pääsimme vihdoin puoli kahdeksan maissa illalla majoittumaan Cernin tutkijahostelliin rakennus numero 38:aan.

Tiistai 23.10.2007 oli varattu retkipäiväksi. Heti aamusta lähdimme bussilla kohti Chamonixta. Maisemat olivat aivan uskomattomia, varsinkin Mont Blancin viereiseltä Aiguille Du Midin huipulta ihailtaessa, joka sijaitsee 3842 metriä merenpinnan yläpuolella. Takaisin palatessamme kiersimme Geneve – järven. Ajoreitti Chamonixsta bussilla kulki yli vuoriston ja näkymät bussin ikkunasta olivat henkeä salpaavat. Oli aivan pakko pysähtyä ihailemaan maisemia levähdyspaikalle noin 2000 metrin korkeudelle. Laaksossa näkyi Martignyn kaupunki, jonne kohta laskeutuisimme kiemuraista tietä pitkin ja ajaisimme yli kilometrin pituisen tunnelin läpi kohti Montreauxia. Vierailimme Montreauxin ja Lausannen kauniissa kaupungeissa. Montreauxissa ihmettelimme siellä kasvavia palmupuita, paikallisest asukkaat sanoivatkin, että Montreauxia kutsutaan Sveitsin Rivieraksi, koska sää on siellä niin lämmin. Lausannessa kävimme tutustumassa Olympia- museoon. Päivä oli kaiken kaikkiaan hyvin onnistunut ja tutustuimme paremmin uusiin kolarilaisiin ystäviimme.

Keskiviikkona 24.10.2007 alkoi matkan varsinainen osuus eli tiedekoulu ja fysiikan luennot. Aamu alkoi klo 8.50 Riitta Rinta-Filppulan tervehdyksellä ja avaussanoilla. Rinta-Filppula toimii projektipäällikkönä alueverkostossa, joka koordinoi suomalaisten koulujen vierailuja CERNiin.

Avauksen jälkeen oli Markus Nordbergin vuoro kertoa yleisesti CERNin toiminnasta. Temperamenttinen Atlas-koeaseman talousjohtaja Nordberg piti erittäin mielenkiintoisen luennon hiukkasfysiikasta, sen ongelmista ja perimmäisistä kysymyksistä. Hän sai meidät vakuuttuneeksi, että fysiikan saralla on vielä paljon ratkaisemattomia asioita, joten meillekin löytyy varmasti töitä tulevaisuudessa.

Nordbergin luennon jälkeen oli lounastauko CERNin ruokalassa. Ruoka Cernin ravintolassa oli edullista ja todella maittavaa. Jälkiruuat olivat aivan taivaallisia. Aina ei aika kuitenkaan riittänyt ravintolassa syömiseen ja silloin teimme itse ruokaa hostellin keittiössä.

Kello 13.00 alkoi professori Jorma Tuominiemen asiantunteva luento hiukkaskiihdyttimistä ja – ilmaisimista. Tuominiemi esitteli mm. kiihdyttimien ja ilmaisimien historiaa; Aikaisemmin mikroskooppi oli mullistava keksintö , koska sillä pystyi erottamaan mikrometrien kokoisia yksityiskohtia näytteestä.

Fyysikoiden halutessa tutkia vielä pienempiä rakenneosasia tuli vastaan ongelmia, koska valon aallonpituus rajoittaa mikroskoopin erotuskykyä ja siis tutkittavan kohteen kokoa. Tutkittaessa rakenneosasia, joiden koko on pienempi kuin valon aallonpituus, tarvitaan muita keinoja. Hiukkaskiihdyttimellä lähes valon nopeuteen kiihdytettyjä hiukkasia törmäytettäessä tutkittavaan kohteeseen saadaan uutta informaatiota alkeishiukkasista ja niiden ominaisuuksista, koska törmäävien hiukkasten aallonpituus on pienempi kuin valon aallonpituus. Tällä hetkellä Cernissä päästään parhaimmillaan havaitsemaan kohteita , joiden läpimitta on luokkaa 10^-18 m eli triljoonasosa metriä. Tuominiemi esitteli myös yleisimmin käytetyt hiukkasilmaisimet, joilla tutkitaan törmäyksissä sironneita hiukkasia. Suurenergisten hiukkasten havaitsemiseen, kuten esimerkiksi Higgsin hiukkanen, tarvitaan suuria ilmaisintilavuuksia ja nykyaikaisessa kokeessa ne kootaan koeasemiksi kuten esimerkiksi CMS- ja ATLAS-koeasemat. Hän kertoi seikkaperäisesti, miten protonisuihkut kulkevat 7 cm:n pituisina rihmoina 10 m:n päässä toisistaan LHC:n kiihdytinputkessa ja miten niitä kiihdytetään sähkökentillä ja ohjataan magneettikentillä. Voimakkaiden magneettikenttien aikaansaamiseksi tarvitaan hyvin alhaisia lämpötiloja lähellä absoluuttista nollapistettä luokkaa kaksi kelviniä(-271 C-astetta), jolloin päästään suprajohtavaan tilaan. Kahden vastakkaisiin suuntiin lähes valonnopeudella kulkevien protonisuihkujen törmätessä toisiinsa energia muuttuu massaksi Einsteinin kaavan E = mc² mukaisesti ja silloin ehkä syntyy myös kiivaasti etsitty Higgsin hiukkanen, joka antaisi selityksen alkeishiukkasten massalle. Jos Higgsin hiukkasta ei löydy LHC:llä niin sitä ei sitten ole olemassakaan, pohdiskeli professori Jorma Tuominiemi.

(Kuvassa Atlas-ilmaisin kuvattuna ilmaisimen puolivälin korkeudelta (kuva: Niko Snirvi)")

Luentojen tämän päivän osalta päätyttyä noin kello 15.00 lähdimme bussilla Geneven keskustaan , jossa meillä oli hauska ”aarteenmetsästys” kisa (The Great Discover Geneva Treasure Hunt). Kiertelimme ryhmiin jaettuina englanninkielisen ohjelapun kanssa etsimässä historiallisesti merkittäviä kohteita. Kisa oli loistava tapa sekoittaa Askolan ja Kolarin lukioiden opiskelijat keskenään ja samalla tutustua kauniiseen kaupunkiin. Tämä oli ensimmäinen kerta tiedeleirikoulun historiassa, kun sen oheisohjelmaan kuului Treasure Hunt.

Torstaipäivä 25.10.2007 oli koko matkamme kiireisin ohjelman suhteen. Aamulla aloitimme Syksy Räsäsen luennolla standardimallista ja kosmologiasta. Räsänen on nuori tunnettu ja arvostettu suomalainen tutkija, jonka tutkimuksen kohteena on kosmologia. Hän selvitti luennossaan maailmankaikkeuden syntyyn liittyviä tapahtumia ja standardimallin puutteita. Erityisen mielenkiintoinen osa esityksessä oli pimeä aine. Fyysikkojen laskujen mukaan pimeää ainetta pitää olla maailmankaikkeudessa, mutta sitä ei ole vielä pystytty havaitsemaan. Maailmankaikkeudessa on materiaa noin 5%, pimeää ainetta noin 25% ja pimeää energiaa noin 70%. Fyysikot eivät vielä tiedä tarkkaan, mitä pimeä aine ja energia ovat. Syksy Räsänen arveli myös, että tulevaisuudessa ei enää rakenneta LHC:tä suurempia kiihdyttimiä, koska niiden rakentaminen tulisi erittäin kalliiksi arviolta yli viiden miljardin euron. Parempi vaihtoehto hänen mukaansa olisi lähettää sateliitteja avaruuteen tekemään kosmologisia mittauksia. Mielenkiintoisen, ja hiukan korkealentoisenkin luennon jälkeen pääsimme tutustumaan LHC- kiihdyttimen koeasemiin. Ensin kävimme ATLAS koeasemalla, joka on toinen kahdesta suuresta koeasemasta. Ison tehdas hallin alle, 100m syvyyteen rakennettu asema painoi 7000 tonnia, ja oli mitoiltaan 46m pitkä ja 25m leveä. Asemaa rakentamassa olleet kaksi suomalaista esittelivät aseman toimintaa ja kertoivat sen rakennusvaiheista. Myöhemmin iltapäivällä vierailimme Ranskan puolella toisen ison koeaseman tiloissa. CMS-koeasema, jossa myös Suomi on mukana painaa 15000 tonnia, ja on mitoiltaan ATLASta pienempi (21m pitkä ja 16m leveä). CMS-koeasema on meille suomalaisille tärkeä myös siksi, että niiden kolmen fyysikon joukossa, jotka tekivät ensimmäiset suunnitelmat ja laskelmat laitteen rakentamiseksi ,oli suomalainen professori Martti Pimiä, joka työskentelee edelleen Cernissä. Tällä hetkellä CMS-koeaseman parissa työskentelee 2000 fyysikkoa ympäri maapalloa. Vierailun jälkeen tutustuimme vielä CERNin Microcosmos tietorataan, josta saimme paljon tietoa CERNin historiasta ja siellä tehtävistä tutkimuksista. Illan päätteeksi kävimme vielä Ranskan puolella ostoskeskuksessa.

(Kuvassa Syksy Räsänen pitämässä luentoa kosmologiasta.)

Perjantai 26.10.2007 alkoi Michael Dozerin englannin kielisellä antimateria-luennolla. Dozer kertoi meille perusasioita antimaterian tutkimisesta ja sen luonteesta. Tämän jälkeen tutustuimme viereisessä rakennuksessa sijaitsevaan antimateriatehtaaseen. Siellä Dozer kertoi antimaterian valmistuksesta.

Seuraavaksi perehdyimme GRID:n maailmaan Jukka Klemin johdolla. GRID (WWG) on uusi hajautettu laskentajärjestelmä, jossa tietokoneiden laskentatehot voidaan yhdistää ja verkkoa voidaan käyttää tiedon varastona. Tämä maailmanlaajuinen tietokoneverkosto on Webin seuraava muoto, joka mahdollisesti tulevaisuudessa tulee kaikkien käyttöön. Laskentatehoa saisi tällöin verkosta kuten sähköä nykyään pistorasiasta, mutta käyttäjä ei tiedä kenen koneesta tehot tulevat. GRID-pankkiin voisi ladata rahaa, joka sitten kuluisi, kun käyttää verkkoa. Tällä hetkellä GRID on nopeana tiedonvälittäjänä vain CERNin tutkijoiden käytössä. GRIDin tarpeellisuuden Cernissä ymmärtää, kun ajattelee koeasemilta tulevaa valtavaa tietomäärää 10x10¹⁵ bittiä vuodessa, mikä vastaa 20 miljoonaa CD-levyä eli noin 20 km korkeaa CD-pinoa. Cernin tietokonekeskuksen tietokonefarmeilla on tällä hetkellä käytössä noin neljä tuhatta PC:tä. Jos haluaa liittää oman tietokoneensa tähän maailmanlaajuiseen verkkoon voi käydä tutustumassa asiaan sivulla lhcathome.cern.ch. Cernissä toivotaan, että koulut voisivat liittyä verkkoon, koska koulujen tietokoneet ovat yöllä käyttämättöminä.

Ruokatunnin jälkeen kokoonnuimme palautepalaveriin Riitta Rinta-Filppulan johdolla. Se oli CERN-tiedeleirin viimeinen virallinen kokoontuminen. Tilaisuuden jälkeen lähdimme bussilla tutustumaan YK:n Geneven päämajaan. Ystävällinen opas esitteli meille rakennusta ja YK:n rakennetta järjestönä. YK:n Geneven rakennus on toiseksi tärkein New Yorkin päämajan jälkeen.

(Kuvassa ryhmämme tutustumassa YK:n edustalla miinojen vastaiseen monumenttiin. (kuva: Toni Peltola))

(Kuvassa Askolan ja Kolarin lukion Cern-ryhmäläiset CMS-ilmaisimen päätykappaleen edessä.Ilmaisin koostuu viidestä tällaisesta osasta. (Kuva Nuutti Laaksonen))

Lauantai 27.10. 2007 oli matkamme viimeinen päivä ja lähdimme heti aamusta kohti Salevea, joka on noin 1300 metriä korkea vuori Geneven lähellä Ranskan puolella. Kun nousimme hissillä kohti huippua oli vielä hieman sumuista, mutta retken aikana ilma selkeni. Näköala alas Geneveen ja ympärille oli aivan uskomaton. Puut vielä ruskan väreissä ja aurinko paistoi kirkkaasti lehdistön läpi. Vuorella tapahtuneen patikoinnin jälkeen olikin aika lähteä kohti lentokenttää ja Suomea. Saavuimme Askolan lukiolle vähän jälkeen puolen yön ja siitä matka jatkui kohti kotia.

Tietoa Cernistä

CERN (Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire) on maailman suurin hiukkas- ja ydinfysiikan tutkimuskeskus Sveitsin ja Ranskan rajalla, Geneven luoteisosassa. CERN perustettiin kahdentoista perustajavaltion kesken vuonna 1952. Nykyään CERNin toiminnassa on mukana 20 valtiota, mukaanlukien Suomi. Lisäksi CERNin kanssa yhteistyötä tekevät erilaiset järjestöt, kuten Euroopan komissio sekä Yhdysvallat. Vakituisia työntekijöitä CERNissä on 2 600 ja vuosittain lähemmäs 7000 tutkijaa vierailee tutkimuskeskuksessa. Tutkijoiden lisäksi Suomesta on saatu työntekijöitä mm. palokuntaan.

CERNissä pyritään luomaan tila, joka vastaa maailmankaikkeuden alkuhetkiä. Tällä hetkellä pystytään saavuttamaan niin suuria energioita, että päästään 10^-10 sekunnin päähän alkuräjähdyksestä. CERN tutkii myös luonnon perimmäisiä kysymyksiä. Tämän hetken kuumin kysymys on; Mitä massa ja materia ovat ja mistä ne tulevat?

CERNissä on rakenteilla LHC-kiihdytin (Large Hardon Collider), jonka tavoitteena on päästä vieläkin lähemmäs alkuräjähdystä vastaavaa olotilaa. Kiihdyttimessä törmäytetään hiukkasia, kuten protoneita, keskenään ja tutkitaan niiden hajoamista. LHC-kiihdytin sijaitsee 100:n metrin syvyydessä maan alla. Kiihdytin on rakennettu 27 kilometriä pitkään ympyrän muotoiseen tunneliin, joka kulkee sekä Ranskan että Sveitsin puolella. LHC-kiihdyttimellä on neljä koeasemaa; Alice, Atlas,CMS ja LHC-b. Koeasemilla seurataan kiihdyttimestä saatavia havaintoja, joita saadaan, kun hiukkaset törmäävät. LHC-kiihdytin on tällä hetkellä maailman suurin rakenteilla oleva kone. Valtavasta koostaan huolimatta kiihdyttimellä tutkitaan maailman pienimpiä asioita. Yksi näistä on Higgsin hiukkanen, jonka avulla selvitetään, mitä massa on. Tutkijat ovat kiinnostuneita myös mahdollisista uusista hiukkasista. Rakenteilla olevan LHC-kiihdyttimen putkessa oli ennen LEP-kiihdytin. (Large Electron -Positron Collider), jolla tutkittiin W ja Z-bosoneita.

Fyysikot ovat kehittäneet CERNissä mm. ensimmäisen antimolekyylin, antivedyn. Nykypäivänä hyvin suosittu World Wide Web on myös saanut alkunsa CERNissä. CERNillä on tärkeä rooli myös uusien teknisten laitteiden kehittelyssä.

(Kuvassa näkymä Aiquille Du Midiltä. Kuvassa näkyy kondoli,jolla nousimme huipulle.(Kuva: Esa Honkaniemi)

(Kuvassa maisemia bussimatkalta Montreauxiin. Vasemmalla alhaalla näkyy Martignyn kaupunki.(Kuva: Esa Honkaniemi))

(Kuvassa viiniviljelyksien kaunista ruska-aikaa vuorenrinteillä Martignyn mpäristössä.(Kuva: Esa Honkaniemi))

(Aiquille Du Midi-huipulta näkyy oikealla ylhäällä Mont Blancin luminen huippu. (Kuva:Esa Honkaniemi)")

Teksti ja kuvat Askolan lukion Cern-ryhmä Fysiikan lehtori Esa Honkaniemi ja opiskelijat: Tuukka Eskola, Eppu-Oskari Henriksson, Joonapekka Hälvä, Janne Ikonen, Konsta Korkala, Nuutti Laaksonen, Maija Leino, Sanna Nyman, Toni Peltola, Joonas Puustinen, Ilja Savela, Petteri Savolainen ja Niko Snirvi.