Kohti uutta fysiikkaa: ensimmäiset lyijy-ydintörmäykset rekisteröitiin CMS-koeasemalla Cernissä

Kello 11.20.56 marraskuun 8. päivänä LHC:n ohjauskeskus ilmoitti, että lyijy-ydinsuihkut kiertävät törmäyttimessä stabiilisti. Suihkut ohjattiin saman tien törmäämään CMS-koeaseman keskellä, ja ensimmäiset reaktiot nähtiin ja rekisteröitiin koeasemassa välittömästi. Törmäyksissä syntyy tuhansia hiukkasia, joiden radat rekonstruoidaan CMS-aseman pii-ilmaisinjärjestelmällä ja joiden energiat mitataan sen kalorimetri-ilmaisinjärjestelmien avulla. Kerätyn datan analysointi vei vain muutaman hetken, ja ensimmäiset kuvat törmäyksistä lähetettiin näyttöpäätteille CMS-tutkijoiden ihailtavaksi.

- Olemme kaikki innoissamme nähdessämme ensimmäiset raskasionitörmäykset CMS:ssä. Tämä data tekee mahdolliseksi tutkia perusrakennehiukkasten muodostamaa kuumaa ainetta korkeammassa lämpötilassa kuin koskaan aikaisemmin, sanoo CMS:n raskasioni-ohjelman johtaja Bolek Wyslouch.

Brookhavenin RHIC-kiihdyttimellä (Relativistic Heavy Ion Collider) on jo tuotettu kuumaa ja tiheätä aineen olomuotoa, joka on tulkittu Standardimallin ennustamaksi ns. kvarkki-gluoni-plasmaksi. LHC:llä tehtävissä kokeissa tullaan tuottamaan samanlaista aineen olomuotoa, nyt suuremmalla energialla. CMS:llä tutkitaan ensi aluksi törmäyksissä synnytettyjen hiukkasten lukumäärää (useita tuhansia per törmäys) ja hiukkasten lentosuuntia törmäyksen jälkeen. Niiden kulmajakautumassa on RHICillä havaittu asymmetrioita, joita nimitetään elliptiseksi virtaukseksi. Näitä tutkimalla voidaan mitata plasmassa vallitsevien vuorovaikutusten vahvuuksia.

- On todella vaikuttavaa nähdä, miten hyvin CMS-koeasema toimii haastavissa olosuhteissa, joita raskasionitörmäykset synnyttävät, sanoo CMS:n puhemies Guido Tonelli. - Kerätyn datan laatu on niin hyvää, että pystymme julkaisemaan ensimmäiset mittaustulokset hyvin nopeasti. Kun yhdistämme raskasionidataa ja aiemmin tänä vuonna protoni-protoni-törmäyksistä kerättyä dataa, meillä on käsissämme ainutlaatuinen tutkimusohjelma, jossa voimme etsiä tarkasti signaaleja, joita aineen uudet olomuodot voivat tuottaa.

Tämänhetkisen suunnitelman mukaan lyijy-ioneja törmäytetään LHC:llä joulukuun 6. päivään asti, jolloin CMS:llä pitäisi olla kerättynä niin paljon dataa, että sellaisten tärkeiden ilmiöiden kuin hadroniryöppyjen, Ypsilon-mesonien ja Z-bosonien tuottoreaktioiden tutkiminen tulee mahdolliseksi. CMS:n tiedonkeruujärjestelmä on niin nopea ja tehokas, että jokainen LHC:n tuottama yksittäinen lyijy-lyijy-törmäys voidaan rekisteröidä. Tutkimusohjelman tulokset tulevat antamaan uutta tietoa paitsi vahvojen vuorovaikutusten fysiikasta myös maailmankaikkeuden tilasta ensimmäisten mikrosekuntien aikana Big Bangin jälkeen.

Cernin tutkimusohjelma LHC:llä tulee noudattamaan myös tulevina vuosina aikataulua, jossa yli puoli vuotta kestävän protoni-protoni-törmäysjakson jälkeen ajetaan kuukausi raskasionitörmäyksiä.

Vuosi 2010 on jo ollut loistavaa aikaa CMS-kokeelle, LHC-kiihdyttimelle ja koko hiukkasfyysikkoyhteisölle. Maaliskuussa saatujen ensimmäisten protoni-protoni-törmäyksien jälkeen LHC:n protonisuihkujen intensiteettiä on saatu kasvatettua niin suureksi, että kaikki tunnetut Standardimallin hiukkaset on ns. löydetty uudelleen, kevyestä neutraalista pii-mesonista aina raskaisiin J/Psi-ja Ypsilon-mesoneihin asti kulminoituen syyskuussa tuhansien W-ja Z-bosonien ja satojen Top-kvarkkien tuottamiseen.

CMS on julkaissut tutkimuksista jo kymmeniä tieteellisiä raportteja. Näissä on raportoitu sekä CMS-ilmaisinjärjestelmän suorituskyvystä että fysiikan mittauksista. Uuden fysiikan etsintä, kuten leptokvarkkien olemassaolon, kvarkkien sisäisen rakenteen ja Supersymmetrian tutkimus on aloitettu, ja aiemmissa kokeissa saavutettuja rajoja ilmiöiden olemassaololle on parannettu. Syyskuussa CMS saavutti odottamattoman tuloksen kahden protoni-protoni-törmäyksessä tuotetun hiukkasen korreloitumisesta niiden syntymisprosessissa. Tämä ilmiö muistuttaa RHIC-kiihdyttimellä saatuja havaintoja, joten tulevan kuukauden tuloksia odotetaan suurella jännityksellä.

Vuonna 2011 LHC:n protoni-protoni-suihkujen intensiteettiä nostetaan edelleen, ja vuoden kuluessa on odotettavissa uuden fysiikan rajojen työntäminen yhä kauemmas, tai sitten tullaan aivan uusien ilmiöiden äärelle.

Kuvia ja animaatioita CMS:n rekisteröimistä ensimmäisistä törmäyksistä LHC:llä löytyy sivulta http://cms.cern.ch .

CMS on toinen LHC:lle rakennetuista suurista koeasemista, jolla voidaan laaja-alaisesti etsiä uusia fysiikan ilmiöitä. Se on suunniteltu havaitsemaan erilaisia hiukkasia ja ilmiöitä LHC:lla aikaansaaduissa protoni-protoni-ja raskasioni-törmäyksissä. Näin haetaan vastauksia kysymyksiin: Mistä maailmankaikkeus koostuu ja minkälaiset voimat vaikuttavat sen sisällä, ja mikä aiheuttaa aineen massan?

CMS mittaa tunnettujen alkeishiukkasten ominaisuuksia ennennäkemättömällä tarkkuudella ja toisaalta tavoittelee täysin uusien ennustamattomien ilmiöiden löytämistä. Sen lisäksi, että tutkimus auttaa meitä ymmärtämään, miten maailmankaikkeus toimii, se myös auttaa uusien teknologioiden syntymistä. Tämä muuttaa maailmaa ympärillämme, kuten on aina tapahtunut tieteen edistyessä.

Meneillään oleva LHC-ajo kestää suunnitelman mukaan 18 kuukautta. Tämän pitäisi tehdä mahdolliseksi kerätä riittävä määrä tutkimusmateriaalia tutkia uutta aluetta, jossa uutta fysiikkaa voi olla löydettävissä.

CM:n konsepti luotiin jo vuonna 1992. Suomalainen tutkijaryhmä Fysiikan tutkimuslaitoksesta oli mukana sen kehittelyssä alusta asti. Tämän valtavan suuren ja kompleksisen koeaseman (halkaisija 15 metriä, pituus 29 metriä, paino 14 000 tonnia) rakentaminen kesti 16 vuotta. Rakentamiseen tarvittiin kansainvälinen yhteistyöhanke, joka on yksi suurimmista tieteellisistä yhteistyöprojekteista maailmassa: yli 3100 fyysikkoa ja insinööriä 169 yliopistosta ja tutkimuslaitoksesta 39 maasta.

Lisää tietoa osoitteessa http://cms.web.cern.ch/cms/index.html .

Lisätietoja antavat myös

professori Jorma Tuominiemi, Helsingin yliopisto, Fysiikan tutkimuslaitos, jorma.tuominiemi@helsinki.fi , puhelin +358 50 585 7033

professori Paula Eerola, Helsingin yliopisto, Fysiikan tutkimuslaitos, paula.eerola@helsinki.fi , puhelin +358 50 317 5600.

Ystävällisin terveisin

Minna Meriläinen, HY, tiedottaja, puhelin (09) 191 51042