Hrrrrr… Rrrr-t-t-t… Suihk–suihk–suihk–suihk…
Korkean, valkoseinäisen tilan täyttävät kummalliset äänet.
Ja aivan Jyväskylän yliopiston fysiikan laitoksen kiihdytinlaboratorion tilan keskellä on laite. Se on kuin suuri, metallinen jumppapallo. Siihen survotut harmaat ja turkoosit hökötykset näyttävät maalipurkeilta.
Purkeista lähtee satoja letkuja eri suuntiin. Osa niistä on niputettu paksuihin, tummiin suojakääreisiin. Johdot ovat kuin köynnökset, jotka kiemurtelevat sinne tänne.
Koko komeudessaan laite näyttää paitsi huvittavalta hökötykseltä, myös todella monimutkaiselta. Ja mitä sillä tehdään?
Yksinkertaistettuna se auttaa ymmärtämään maailmaa paremmin. Miten?
TUULI RIKKOO Ylistönrinteen kampuksen heijastuksen Jyväsjärven pinnasta. On 7. lokakuuta 2021, viileä ja pilvinen päivä.
Valkeat kampuksen rakennukset hohtavat harmaata taivasta vasten.
Janne Pakarinen avaa fysiikan laitoksen oven. Pakarinen on ydinspektroskopian tutkimusryhmän tutkija. Hän siis tutkii atomiydinten käyttäytymistä ja ominaisuuksia.
Ydinfysiikan kokeellista tutkimusta varten fysiikan laitoksen alimpaan kerrokseen ja kellaritiloihin on rakennettu maailman pohjoisin kiihdytinlaboratorio. Ensin hämärään aulaan. Näkyy useita vanhoja, lähes jääkaapin kokoisia tietokoneita ja tutkimuslaitteita.
Ja aulan keskellä on lasiseinäinen huone, ohjaamo, joka näyttää tuiki tavalliselta toimistotilalta tietokoneineen ja kansioineen. Tietokoneiden ruuduilla vilistää tekstiä ja numeroita. Tuo huone on kuitenkin keskeinen: sieltä ohjataan kaikkia laboratorion laitteita.
Laboratorio koostuu erilaisista betoniluolista, joissa tehdään atomeista varauksellisia ioneita. Sen jälkeen ionit kiihdytetään, jotta ne voidaan törmäyttää toisiin aineisiin.
Eli siis miten?
JO ANTIIKIN Kreikassa ajateltiin, että on olemassa pieniä hiukkasia, joista asiat koostuvat. Näitä hiukkasia alettiin kutsua atomeiksi, jakamattomiksi.
Myöhemmin havaittiin, että atomit koostuvat protoneista, neutroneista ja elektroneista. Ja sen jälkeen havaittiin, että protonit ja neutronit koostuvat vielä pienemmistä alkeishiukkasista.
Nämä protonit ja neutronit muodostavat atomiytimen. Nykyään ytimiä tunnetaan yli 3 000. Yliopiston fysiikan laitoksen laboratorion seinillä on useita niitä kuvaavia ydinkarttoja.
”Teorioiden mukaan ytimiä on yli 6 000, mutta kaikkia ei välttämättä voida koskaan havaita”, Pakarinen sanoo.
Mutta ne tunnetut yli 3 000 ydintä, ne ovat alkuaineiden isotooppeja. Isotoopilla tarkoitetaan saman alkuaineen, kuten hiilen ja vedyn, erimassaista ydintä. Kullakin alkuaineella on sille ominainen määrä protoneita, mutta isotoopista riippuen neutronien määrä vaihtelee.
Pakarisen ydinspektroskopian tutkimusryhmä on erikoistunut heikosti tunnettujen ytimien tutkimukseen.
Mitä tällä hetkellä tutkitaan?
Lantaani-120-ydintä, vastaa Pakarinen.
Se tarkoittaa lantaani-nimisen metallin hyvin heikosti tunnettua isotooppia, jonka ydin on vaikea tuottaa. Se pysyy kasassa noin neljä sekuntia ennen kuin hajoaa muiksi aineiksi.
Vielä monimutkaisemmaksi asian tekee se, että jotta ydintä voi tutkia, se täytyy luoda. Siihen tarvitaan kiihdytettyjä hiukkasia.
Hhhmmhhmmhhmmmmm…
hhhhmmmmmmhhmmmmm…
JÄÄHDYTYSVESIJÄRJESTELMÄN rytmikäs humina voimistuu, kun aulasta siirtyy hämärään käytävään. Pöydillä on säteilymittareita, seinillä vanhoja kuvia laboratoriosta.
Pakarinen liikkuu käytävää pitkin varmoin askelin. Hän valmistui Jyväskylän yliopiston fysiikan laitokselta tohtoriksi vuonna 2005. Sen jälkeen hän työskenteli tutkijatohtorina Liverpoolissa vuoteen 2009, ja sitten Sveitsissä Euroopan hiukkasfysiikan tutkimuslaitoksen Cernin ISOLDE-nimisessä laboratoriossa.
Vuonna 2012 Pakarinen palasi Jyväskylään akatemiatutkijaksi. Nykyään hän on yliopistotutkijana juurikin ydinspektroskopian ryhmässä tehden ydinfysiikan perustutkimusta.
Perustutkimuksen yhteydessä paitsi tutkitaan, myös hiotaan itse tutkimusmenetelmiä. Jyväskylässä se tarkoittaa esimerkiksi ydintutkimuksiin tarvittavien ionilähteiden kehitystä.
Hämärää käytävää valaisevat useat varoituskyltit: toimintavalmius, säteilyvaara, pääsy kielletty.
Sitten Pakarinen avaa metallioven. Sen takana on ahdas kaksikerroksinen tila, joka on täynnä häkkejä, röntgensäteilyltä suojaavia lyijylevyjä sekä ristiin rastiin vedettyjä putkia, johtoja ja letkuja.
Ja ionilähteitä. Laitteita, joiden tarkoitus on riisua atomien ympärillä kiertäviä elektroneja eli ionisoida ne.
Atomit ovat tavallisesti varauksettomia, siis neutraaleja. Atomeilla on yhtä monta negatiivisesti varattua elektronia kuin sen ytimessä on positiivisesti varattuja protoneja.
Ionilähteen tehossa tutkijoita kiinnostaa kaksi asiaa: kuinka paljon ioneja voidaan tuottaa ja kuinka korkealla varausasteella.
Mitä korkeampi varaus ionilla on, sitä kovemmin se saadaan kiihdytettyä hiukkaskiihdyttimen sähkökentällä.
Lantaani-120-ytimen tuottaminen vaatii 275 megaelektronivoltin energiaan kiihdytetyn ionin.
Jyväskylässä on kehitetty useita erilaisia ionilähteitä. Yksi niistä on maailman tehokkain huoneenlämmössä toimiva lähde nimeltään HIISI (Heavy Ion Ion Sourve Injector).
Vaikka ionilähde on tehokas, se ei tarkoita, että siihen pitäisi tyytyä. Laboratoriossa suunnitellaan vieläkin tehokkaan laitteen rakentamista.
Ionilähde valmistaa ionit muutamassa millisekunnissa ja ne ohjataan tyhjiöputkea pitkin hiukkaskiihdyttimen keskelle.
Pakarinen osoittaa kolme metriä paksua betonista liukuovea tilassa. Sen takana on laboratorion suurin kiihdytin eli K130-syklotroni, jota Pakarisen ryhmä käyttää tutkimuksissaan. Betoninen seinä suojaa ympäristöä kiihdyttimen säteilyltä.
Tuo suuri syklotroni eli kiihdytin on keltainen, hieman oranssiin taittava.
Siis ainakin kuvien perusteella. Sen luokse ei säteilyn takia pääse.
”Kiihdytin on päällä käytännössä kellon ympäri”, Pakarinen sanoo.
Se tekee noin 6 000 tuntia vuodessa. Vain huoltotaukojen ajaksi kiihdytin sammutetaan.
Laboratoriossa sijaitsee K130-kiihdyttimen lisäksi myös kolme muuta: ioneja ja protoneja eli positiivisia hiukkasia kiihdyttävät pienempi syklotroni MCC30 ja lineaarikiihdytin Pelletron. Negatiivisia hiukkasia eli elektroneja kiihdytetään E-Linac-kiihdyttimellä.
Jälkimmäistä käytetään muun muassa Euroopan avaruusjärjestö ESA:n koordinoimissa elektroniikan säteilytystutkimuksissa. ESA on tukenut Jyväskylän yliopiston kiihdytinlaboratoriota taloudellisesti vuodesta 2004 lähtien.
Vuonna 2022 Jyväskylässä testattuja osia saattaa päätyä avaruuteen, kun ESA lähettää Jupiterin kiertoradalle JUICE-satelliitin (Jupiter Icy Moon Explorer). Osia on testattu fysiikan laitoksen laboratoriossa käytännössä siten, että osat altistetaan suurelle määrälle elektroneja. Jupiterin läheisyydessä nimittäin on niin sanottu elektronivuori eli alue, jossa on hyvin paljon negatiivisesti varattuja hiukkasia.
Laboratorion säteilytutkimuksessa simuloidaan näitä olosuhteita. Tarkoituksena on testata, mitkä osat kestävät, ennen kuin ne asennetaan osaksi satelliittia, joka ammutaan avaruuteen.
Millaisia osia satelliittiin sitten menee Jyväskylästä?
Ei tiedetä. Yliopisto on testauksessa palveluntarjoaja.
”Ei meitä enää konsultoida, kun testaus on täällä tehty. Kuulemme yleensä meillä testatuista osista, kun laitteista kirjoitetaan esimerkiksi [tiedelehti] Naturessa”, Pakarinen sanoo ja naurahtaa.
Se tiedetään, että Merkuriuksen ja Auringon välillä oleva ESA:n ja Japanin avaruusjärjestö JAXA:n satelliitin osia oli Jyväskylässä testattavana yli kymmenen vuotta sitten. Hiljattain satelliitti lähetti ensimmäiset valokuvat Maahan.
”Tämä on ajallisesti toisessa ääripäässä kuin meidän ryhmämme tutkimus”, Pakarinen sanoo.
Niin, satelliittien valmistaminen ja testaaminen – matkasta avaruuden halki puhumattakaan – vie vuosia.
Sen sijaan ydinspektroskopian tutkimusryhmän testit vievät alle sekunnin. Yhden fuusioreaktion tuottaminen vie hieman yli 20 millisekuntia, ja siitä suurin osa kuluu kiihdyttimessä. Syklotroni kiihdyttää ionisuihkun eli kasvattaa niiden liike-energian. Ionit ohjataan ensin laitteen keskelle ja ne lähtevät kiertämään spiraalirataa.
Kuva: Pauli Heikkinen
Hieman alle kilometrin pituinen matka päättyy, kun ionien liikeradan säde on kasvanut niin suureksi, että ne on ohjattava ulos.
Ionit jatkavat suihkulinjoja – paksuja tyhjiöputkia – pitkin kohtiohalliin. Siellä ovat eri kokoiset tutkimusluolat, joissa ydinten rakennetta tutkitaan.
”Ionisointi ja kohtion läpäiseminen ovat ajallisesti marginaalisia.”
FYSIIKAN LAITOS perustettiin Jyväskylään vuonna 1965. Syynä oli, että haluttiin panostaa kokeellisen ydinfysiikan tutkimukseen. Se puolestaan vaatii hiukkaskiihdyttimen. Niinpä laitoksen ensimmäinen fysiikan professori Juhani Kantele laittoi viisi vuotta laitoksen perustamisen jälkeen alulle hankkeen, jotta Suomeen saataisiin ensimmäinen hiukkaskiihdytin.
Sellainen saatiin Jyväskylään joulukuussa 1973.
Seuraavaksi Kantele halusi hankkia vielä tehokkaamman laitteen: suprajohtavan kiihdyttimen. Sitä ei kuitenkaan hyväksytty sen hinnan vuoksi. Laite olisi maksanut noin 50 miljoonaa markkaa.
Ensimmäinen kiihdytin maalattiin keltaiseksi, hieman oranssiin taittavaksi Kanteleen toiveesta. Hänen autonsa oli samanvärinen.
Myös K130-syklotroni maalattiin keltaiseksi, kun se hankittiin Jyväskylään 1990-luvun alussa. Nykyinen kiihdytinlaboratorio otettiin käyttöön tammikuussa 1992, ja silloin K130-syklotroni lähetti ensimmäiset kiihdytetyt ionit.
Niin silloin kuin nykyäänkin K130-syklotronia pidetään Jyväskylän kiihdytinlaboratorion sydämenä. Koko ydinfysiikan perustutkimus on pitkälti sen varassa.
Itse asiassa yhtä tehokkaita kiihdyttimiä ei Euroopassakaan ole kuin muutama. Maailman tunnetuin hiukkaskiihdytin lienee LHC (Large Hadron Collider) Cernissä. Se on huomattavasti Jyväskylän kiihdyttimiä suurempi, koska sillä tutkitaan vielä atomiydintä pienempiä hiukkasia eli alkeishiukkasia. Mitä pienempi tutkimuskohde, sitä tehokkaampi kiihdytin tarvitaan.
Suomessa hiukkaskiihdyttimiä käytetään tutkimuskäytössä vain Jyväskylässä ja Helsingissä.
Jyväskylän laboratoriossa tutkimusryhmät paitsi tekevät ja tutkivat, myös rakentavat paljon itse käsityönä. Ei sentään syklotroneja, mutta monet muut laitteet, kuten ionilähteet.
Janne Pakarisen mukaan käsillä tekeminen asettaa Ylistön kiihdytinlaboratorion opiskelijat ja työntekijät erityiseen asemaan.
”Parhaimmillaan opiskelijat rakentavat itse uusia laitteita tutkimuksiaan varten”, hän sanoo.
Se tarkoittaa myös, että jatko-opiskelijat ja nuoret tutkijatohtorit valmistelevat erilaiset mittaukset useimmiten itse. Lisäksi maisterivaiheen opiskelijat voivat tarvittaessa päästä hyödyntämään kiihdytinlaboratoriota ja rakentamaan erilaisia laitteita pro gradu -tutkielmiaan varten.
Tutkimus on siis eräänlaista räätälintyötä. Kaikki tehdään erikseen kutakin tutkimusta varten.
KIIHDYTTIMESTÄ IONIT sujahtavat suuren kohtiohallin tutkimusluoliin. Luola sanana kuulostaa harhaanjohtavalta, eiväthän tilat ole varsinaisesti luolia. Mutta sellaisiksi niitä kutsutaan. Ne on rakennettu suurista harmaista ja valkoisista betonilaatikoista, jotka muistuttavat legopalikoita.
Betonilaatikoiden välistä työntyy koneisto, joka näyttää siltä kuin siihen olisi yhdistetty kylmälaukku, tietokoneen runko sekä jääkaappia muistuttava kaappi. Koko hökötys on täynnä johtoja pursuavia pieniä laitteita.
Koneisto kuulostaa linkoavalta pesukoneelta.
Pakarinen kulkee yhteen luolista, korkeaan tilaan, jonka seinät ovat valkoiset.
Siinä se on. Maalipurkeilla täytetyn metallisen jumppapallon näköinen laite täynnä satoja eripaksuisia johtoja ja jäähdytysletkuja.
Tämän pallomaisen laitteen eli gammailmaisinjärjestelmän sisällä on pieni, kymmenen kertaa keittiöfoliota ohuempi kalvo eli kohtio. Se on valmistettu nikkelin isotoopista Ni-58.
Kohtioon tähdätään kiihdytettyjä sinkin isotooppi Zn-64:sta valmistettuja ioneja. Jotta Pakarisen ryhmän tutkima lantaani-120-ydin syntyy, sinkin ja nikkelin ytimien täytyy törmätä.
Ja koska sinkit valahtavat helposti kohtion läpi vuorovaikuttamatta nikkelin kanssa, tehtävä on vaikea.
Kalvo koostuu atomeista, mutta koska nikkeliytimet eivät ole vierekkäin, ionit voivat kulkea niiden välistä.
”Täytyy ylittää Coulombin valli, sähköinen voima, joka pitää positiivisesti varatut ytimet erillään”, Pakarinen selittää.
Voisiko sitä verrata samannapaisten magneettien hylkimiseen?
”Niinkin voisi ajatella. Kun ionit tulevat tuhatta ja sataa – tässä tapauksessa 275 megaelektronivoltin energialla – ja törmäävät, Coulombin voima ei riitä pitämään ytimiä erillään.”
”Onhan tämä kuin etsisi heinäsuovasta neulaa”, Pakarinen sanoo.
”Vaatii paljon toistoja, vähän tuuriakin.”
Silloin tällöin fuusio eli yhdistyminen kuitenkin onnistuu.
Mutta sittenkin on vielä yksi vaihe: höyrystyminen.
Nikkelin ja sinkin fuusiossa ei nimittäin synny lantaanin isotooppia, vaan cesium-122-ydin. Siitä höyrystyy yksi protoni ja yksi neutroni.
Ja kun se lopulta onnistuu, on lantaani-120-ydin syntynyt. Sitten sitä voidaan tutkia.
Mutta miten?
Atomien elektroneineen voi vielä nähdä hyvin, hyvin tarkoilla mikroskopeilla. Ydintä sen sijaan ei.
Siksi jumppapalloa muistuttavassa johtohökötyksessä on nuo maalipurkit. Ne ovat oikeastaan gammailmaisimia, jotka toimivat tutkijoiden silminä. Ne tunnistavat fuusioreaktiossa syntyvät gammasäteet eli huomaavat kun fuusio tapahtuu. Silloin tutkijat voivat paikantaa myös syntyneen ytimen ”heinäsuovasta”.
Tutkimuksen kannalta mielenkiintoiset hiukkaset päätyvät laitteiston perälle. Pakarisen ryhmän tapauksessa se on lantaani-120-ydin. Laitteet keräävät tietoa ytimestä, ja yhdistävät sen puolta mikrosekuntia aiemmin havaittuun fuusioreaktiosta kerättyyn dataan. Lopulta tutkijat analysoivat datan tietokoneella.
Tätä on ydinfysiikan perustutkimus.
Mutta mitä hyötyä tästä kaikesta lopulta on?
Lantaani-120-ytimen tutkiminen vahvistaa joko aiemmin havaittuja tutkimustuloksia atomiydinten rakenteesta tai sitten tutkimus osoittaa aiemmat havainnot vääräksi.
Mutta mihin tieto käytännön tasolla johtaa, se onkin vaikeampi kysymys.
Tutkimustieto on tärkeää, vaikka sille ei heti voisi osoittaa käytännön sovelluksia. Aina ei myöskään ole mahdollista osoittaa, mihin tulokset pitkällä aikavälillä johtavat. Voi olla, että lantaani-120-ytimen ominaisuuksista saatua tietoa ei välttämättä voida soveltaa mihinkään.
Niin tosin ajateltiin aikoinaan sähköstäkin: turha kuriositeetti, josta ei olisi käytännön hyötyä.
Vaikka perustutkimus on tiedeyhteisön ulkopuolella suhteellisen tuntematonta, se on tiedon perusta. Innovaatioita ja sovelluksia ei olisi ilman perustutkimuspohjaa.
Ja sitten on vielä monimutkaiset ilmiöt kuten ilmastonlämpenemisen mallintaminen tai lääketieteen sovellukset. Niiden ymmärtäminen vaatii poikkitieteellistä tutkimustietoa.
”Tutkimuksen avulla haluamme oppia ympäröivästä maailmasta enemmän”, Pakarinen sanoo.
Kuva maailmasta tarkentuu pala palalta.
Ioni ionilta.
▸ Lähteenä on käytetty Mari Heikkilän toimittamaa teosta (2015) Sattumaa, haperotatteja ja keltainen syklotroni. Lisäksi on haastateltu myös Jyväskylän yliopiston yliopistonlehtori Hannu Koivistoa ja Helsingin yliopiston tieteen- ja teknologiatutkimuksen professori Petri Ylikoskea.