Mark Thomson, Cambridgen yliopiston kokeellisen hiukkasfysiikan professori, on saanut yhden maailman tieteen arvostetuimmista tehtävistä. Siitä huolimatta on vaikea olla miettimättä, onko hän tehnyt henkilökohtaista uhrausta yhteisen hyvän vuoksi.
Tammikuun 1. päivästä alkaen Thomsonista tulee CERN:n, Geneven lähellä sijaitsevan Nobelin palkinnon saaneen ydinfysiikan laboratorion, pääjohtaja. Täällä syvän maan alla maailman suurin tieteellinen instrumentti, suuri hadronitörmäytin (LHC), luo uudelleen olosuhteet hetkistä alkuräjähdyksen jälkeen.
LHC varmisti paikkansa historiassa löytämällä vaikeasti tavoitettavan Higgsin bosonin, jonka liittyvä kenttä toimii kuin kosminen liima antaen hiukkasille massan. Yksi Thomsonin ensimmäisistä tehtävistä on kuitenkin sammuttaa törmäytin suurten korjaustöiden ajaksi. Se ei käynnisty uudelleen ennen kuin hänen kautensa on melkein ohi.
Cavendish-laboratorion toimistossaan, ohitettuaan mallin Cambridgessä yli 70 vuotta sitten löydetystä DNA-kaksoiskierrejuosteesta, Thomson ei ole lainkaan huolissaan törmäyttimen sammuttamisesta. Itse asiassa hän odottaa innolla seuraavia viittä vuotta.
"Laite toimii loistavasti ja keräämme valtavia määriä dataa", hän sanoo. "Tänä aikana on paljon analysoitavaa. Fysiikan tulokset tulevat jatkuvasti."
Thomsonin tausta ei ole perinteisesti akateeminen: hän kävi kattavaa koulua Worthingissa, West Sussexissa, ja kehitti kiinnostuksen fysiikkaan vasta luettuaan teini-iässään tietokirjan CERN:istä. "Se tavallaan määritti suuntani", hän muistelee. "Halusin ymmärtää, miten maailmankaikkeus toimii." Hän oli perheensä ensimmäinen, joka kävi yliopistoa, opiskellen fysiikkaa Oxfordissa.
LHC kiihdyttää protoneja – vetyatomien ytimiä – lähes valonnopeuteen 27 kilometrin renkaassa Ranskan ja Sveitsin maaseudun alla. Renkaan neljässä kohdassa vastakkaisiin suuntiin kulkevat protonit törmäytetään yhteen. Näiden törmäysten energia synnyttää sateen uusia hiukkasia, jotka LHC:n ilmaisimet tallentavat. Einsteinin kuuluisan yhtälön E=mc² mukaisesti enemmän energiaa tuottaa massiivisempia hiukkasia.
Kesäkuussa alkava tauko luo tietä High-Luminosity LHC:lle, suurelle päivitykselle, joka sisältää tehokkaat uudet suprajohtavat magneetit protonisäteiden keskittymiseksi, tehden niistä kirkkaampia. Tämä kymmenkertaistaa törmäysten määrän. Ilmaisimia myös parannetaan, jotta ne tallentavat paremmin uuden fysiikan vihjeitä. "Se on uskomattoman jännittävä projekti", Thomson sanoo. "Se on mielenkiintoisempaa kuin pelkkä koneen normaalikäyttö."
Jos päivitys onnistuu, se mahdollistaa tarkemmat mittaukset hiukkasista ja niiden vuorovaikutuksista, mahdollisesti paljastaen nykyisten teorioiden puutteita, jotka voivat johtaa uusiin löytöihin. Yksi jatkuva mysteeri on Higgsin bosoni itse. Vaikka alkeishiukkaset saavat massansa Higgsin kentästä, miksi niiden massat poikkeavat toisistaan, on edelleen tuntematon. Jopa se, miten Higgsin bosonit vuorovaikuttavat keskenään, on epäselvää. "Voisimme nähdä jotain täysin odottamatonta", Thomson huomauttaa.
High-Luminosity LHC:n valvominen on keskeinen painopiste Thomsonin viiden vuoden kaudella. Mutta hänen on myös käsiteltävä suurempaa ja kiistanalaisempaa projektia: suunniteltava LHC:n seuraajaa, jonka käyttöikä päättyy noin vuonna 2041. Johtava ehdokas on jättimäinen kone nimeltä Future Circular Collider (FCC).
CERN:n toteutettavuustutkimuksen mukaan FCC olisi yli kolme kertaa LHC:n kokoinen, vaatien uuden 91 kilometrin ympyrätunnelin, joka kaivetaan jopa 400 metrin syvyyteen. Projekti rakennettaisiin kahdessa vaiheessa, ensimmäinen vaihe alkaen 2030-luvun lopulla. 2040-luvulla suunnitelmana on törmäyttää elektroneja niiden antimateriakumppaneiden, positronien, kanssa. Sitten noin 2070-luvulla tämä kone korvattaisiin uudella törmäyttimellä, joka on suunniteltu törmäyttämään protoneja seitsemän kertaa LHC:n energialla. Alkuvaiheen arvioitu hinta on 15 miljardia Sveitsin frangia, noin 14 miljardia puntaa.
Itse suunnittelu on kunnianhimoista, mutta Future Circular Collider (FCC) kohtaa laajempia haasteita. CERN:n jäsenvaltiot, jotka äänestävät hankkeesta vuonna 2028, eivät voi kattaa koko kustannusta, joten tarvitaan lisää kansainvälisiä rahoittajia. Samanaikaisesti keskustelu jatkuu siitä, onko tämä paras kone uusien löytöjen tekemiseen. Ei ole takeita siitä, että se vastaisi fysiikan suuriin kysymyksiin, kuten: Mikä on galaksien ympärillä kasautuva pimeä aine? Mikä on maailmankaikkeuden laajenemista ajava pimeä energia? Miksi painovoima on niin heikko? Ja miksi aine voitti antimaterian maailmankaikkeuden muodostuessa? Ilman selkeää, taattua läpimurtoa Mark Thomsonin tehtävä saada tukea on vaikeampaa.
Mutta CERN on aina ollut muutakin kuin pelkkää tiedettä. Laboratorion ansiosta Eurooppa on hiukkasfysiikan maailman johtaja, houkutellen kymmeniä tuhansia tutkijoita ja edistäen uusien teknologioiden kehitystä. Muut maat, erityisesti Yhdysvallat ja Kiina, ovat kuitenkin edistämässä omia suunnitelmiaan seuraavan sukupolven törmäyttimille. Säilyttääkö CERN etuasemansa, riippuu LHC:n seuraajan menestyksestä.
"Emme ole saavuttaneet pistettä, jossa löytöjen tekeminen olisi pysähtynyt, ja FCC on luonnollinen seuraava askel. Tavoitteemme on ymmärtää maailmankaikkeutta sen perustavimmalla tasolla", Thomson sanoo. "Ja tämä ei todellakaan ole aika luovuttaa."
Usein kysytyt kysymykset
Tässä on luettelo usein kysytyistä kysymyksistä väitteestä: "Suuren hadronitörmäyttimen vastuun ottava mies tekee sen vain sammuttaakseen sen"
Aloittelija Yleiset kysymykset
1 Mikä on suuri hadronitörmäytin?
LHC on maailman suurin ja tehokkain hiukkaskiihdytin. Se on 27 kilometrin pituinen suprajohtavista magneeteista koostuva rengas, joka on haudattu maan alle Geneven lähelle Sveitsissä CERN:iin. Tieteilijät käyttävät sitä törmäyttämään protoneja yhteen lähes valonnopeudella tutkiakseen maailmankaikkeuden perusrakenteita.
2 Onko totta, että uusi henkilö ottaa vastuun vain sammuttaakseen LHC:n?
Ei, se ei ole totta. Tämä on väärinymmärrys tai fiktiota. LHC on kriittinen tieteellinen instrumentti. Uusia johtajia tai projektipäälliköitä nimetään hallinnoimaan sen toimintaa, päivityksiä ja tulevia tutkimustavoitteita, ei lopettamaan sitä.
3 Miksi kukaan ajattelisi, että joku haluaa sammuttaa sen?
Tämä ajatus saattaa tulla tieteisfiktiosta, suunnitellun huollon väärinymmärryksestä tai sekaannuksesta budjettikeskusteluista. LHC käy läpitse säännöllisesti pitkiä seisokkeja päivityksiä ja korjauksia varten, jotka joku saattaa tulkita väärin pysyväksi sulkemiseksi.
4 Kuka oikeastaan vastaa LHC:stä?
LHC:stä vastaa CERN, Euroopan hiukkasfysiikan tutkimuskeskus. Sen päivittäistä toimintaa valvoo tiimi tutkijoita, insinöörejä ja projektipäällikkö. Johtotehtävät vaihtuvat ajan myötä osana normaalia uran kehitystä.
5 Voiko yksi henkilö edes päättää sammuttaa LHC:n?
Ei. LHC on kansainvälinen projekti, jota rahoittaa ja operoi monien maiden yhteistyö. Mikä tahansa suuri päätös, kuten pysyvä sulkeminen, vaatisi monimutkaista yksimielisyyttä jäsenvaltioiden ja tieteellisen yhteisön kesken, ei yhden henkilön päätöstä.
Keskitaso Toiminnalliset kysymykset
6 Sammutetaanko LHC koskaan?
Kyllä, mutta vain väliaikaisesti. Se toimii usean vuoden jaksoissa, joita seuraa suunnitellut pitkät seisokit. Nämä jaksot ovat välttämättömiä huoltoa, päivityksiä tehon tai herkkyyden lisäämiseksi ja uusien ilmaisimien asentamiseksi varten.
7 Mitä tapahtuu suunnitellun pitkän seisokin aikana?
Tiimit suorittavat tuhansia huoltotehtäviä: vahvistavat sähköliittymiä, päivittävät tietojärjestelmiä, asentavat uusia sädeputkia ja parantavat ilmaisinkomponentteja. Se on kuin massiivinen varikkopysähdys, joka tekee koneesta vielä paremman.
