Valmistautumista tiedeprojektiin: CERN-lukioseminaari Jyväskylän yliopistolla

Aineen rakenne

ja
maailman-
kaikkeuden
synty

 Ensimmäinen luento CERN-lukioseminaarissa käsitteli aineen rakennetta ja maailmankaikkeuden syntyä. Luennon piti kosmologina työskentelevä Sami Nurmi.

  Aine koostuu atomeista, jotka pohjimmiltaan koostuvat pienen pienistä alkeishiukkasista.  Näiden alkeishiukkasten tutkiminen on tärkeää, koska siten saadaan selville, miten luonnonlait pohjimmiltaan toimivat.

  Kaikkia alkeishiukkasia, eli kvarkkeja (atomin ytimessä), leptoneita (mm. elektronit ja neutriinot) ja Higgsin bosonia ja niiden välisiä vuorovaikutuksia kuvaa hiukkasfysiikan standardimalli. Se on ennustanut löydettäväksi hiukkasia, jotka nyt on havaittu, kuten vuonna 2012 löydetty Higgsin bosoni. Higgsin bosoni määrää kaikkien hiukkasten massan. Standardimalli ei kuitenkaaan selitä ihan kaikkea, ja sen laajentamiseksi tarvitaan uusia havintoja.

  Alkeishiukkasfysiikassa hiukkasta ei ajatella kiinteänä pallona, vaan hiukkanen on eräänlainen häiriö kentässä. Alkeishiukkasten paikkaa ja nopeutta ei voida määrittää tarkasti, vaan niitä mitataan vain todennäköisyyksinä, mitä varten on olemassa aaltofunktio. Hiukkasen aallonpituus on kääntäen verrannollinen sen energiaan, joten pienen pienten hiukkasten tutkimiseen tarvitaan valtavasti energiaa.

 Koska energiaa tarvitaan niin paljon, on alkeishiukkasten tutkimiseen käytännössä kaksi mahdollisuutta, hiukkaskiihdyttimet ja kosmologiset havainnot. Esimerkiksi CERNin LHC-kiihdyttimessä valonnopeudella liikkuvat hiukkaset törmäytetään toisiinsa, ja törmäyksessä vapautunut energia siirtyy törmäyksessä syntyneisiin hiukkasiin, joita tutkimalla voidaan tehdä päätelmiä alkuperäisten hiukkasten ominaisuuksista. Kosmologisten havaintojen avulla, joita tehdään satelliiteilla, saadaan tietoa maailmankaikkeuden rakenteesta ja siitä, millainen  maailmankaikkeus on ihan alkuaikoina ollut. Siten voidaan saada tietoa myös hiukkasten rakenteesta ja ominaisuuksista.

 Maailmankaikkeus on alkuaikoina ollut vain nuppineulan pään kokoinen ja erittäin kuuma, mutta vanhetessaan se laajeni ja jäähtyi. Ajasta, jolloin maailmankaikkeus oli nuppineulan pään kokoinen ei ole pystytty selvittämään mitään, mutta laajenemisen jälkeisestä ajasta on saatu selville erilaiset hiukkaset ja muut yleisesti tunnetut fysiikan lait, jotka standardimalli pystyy selittämään.

 Standardimalli selittää kuitenkin vain 5% maailmankaikkeudesta, koska loput 95% ovat pimeää energiaa ja pimeää ainetta, mitä se ei pysty selittämään. Noin 68% on pimeää energiaa eli tyhjiöenergian kaltaista ainetta, jolla on negatiivinen paine. Loput noin 27% on pimeää ainetta esim. uusia hiukkasia, jotka eivät tunne vahvaa heikkoa tai sähkömagneettista voimaa.

 Pimeää ainetta ei pystytä näkemään suoraan vaan painovoiman kautta. Siitä on tehty suuri joukko havaintoja teleskooppien avulla.

Nelli ja Sinja

Tiedeopiskelu CERNissä

CERN-lukioseminaarin toinen luento käsitteli tiedeopiskelua CERNissä. Luennon alussa kerrottiin hieman projektin historiasta, kuten reissun osallistujamääristä sekä sen järjestäjistä. Projektin on aloittanut Riitta Rinta-Filppula. Hänen jäädessään eläkkeelle vetovastuun on ottanut luennon pitäjä Katri Lassila-Perini.

Suuri osa luentoa kului kerrottaessa tulevan reissumme alustava ohjelma. Siihen kuuluu niin luentoja kuin vierailuja tutkimuslaitoksen tiloissa. Eräs mielenkiintoinen mahdollinen vierailuohjelman osa on sumukammion rakentaminen. Sumukammion sisällä varattujen hiukkasten kulku näkyy niin sanottuina sumujälkinä. Tämän lisäksi suunnitelmissa on vierailu esim. CMS-koeasemalle, missä esimerkiksi löydettiin Higgsin bosoni.

Luento oli kohtuullisen mielenkiintoinen, oli mukava saada selville millainen ohjelma tulon päällä on, sekä kuulla hieman edellisistä CERNiin tehdyistä reissuista.

Lucas

Fysiikan tutkielmien kirjoittaminen ja julkaiseminen

Päivän kolmannen luennon aiheena oli fysiikan tutkielmien kirjoittaminen ja julkaiseminen. Luennon piti Jussi Maunuksela Jyväskylän yliopiston fysiikan laitokselta.Siinä käsiteltiin hyvän tutkielman sisältöä ja asioita, jotka tulee ottaa huomioon tutkielmaa tehtäessä ja sitä julkaistaessa.

Tutkielmaa kirjoittaessa lähteet ovat tärkeässä roolissa. Tiedon täytyy perustua useaan lähteeseen ja eri lähteitä tulee arvioida kriittisesti. Lähteet on myös aina mainittava julkaisussa.

Tieteellisten tekstien tarkoituksena on tuottaa uutta tietoa tai ainakin avata uusia näkökulmia asiaan. Tieteellinen teksti on oltava helposti tunnistettavaa. Siksi tieteellisen tekstin kirjoittajan tulee osata monia taitoja. Väitteille on löydettävä tieteelliset perustelut. Tieteellisen tekstin kirjoittajan on osattava arvioida tekstiään kriittisesti lukijan näkökulmasta. Tieteellisessä tutkimuksessa on tärkeää, että muut voivat toistaa kokeet ja saada saman tuloksen. Näin voidaan olla varmoja tiedon paikkansa pitävyydestä.

Fysiikan alalla tieteellisten tekstien perusrakenne noudattaa varsin vakiintunutta kaavaa: johdanto, metodit, tulokset ja pohdinta.Lopuksi uusi tieto on julkaistava, jotta ihmiset voivat lukea siitä. Hyviä julkaisupaikkoja ovat esim. sanoma- ja viikkolehdet, kirjat, tieteelliset julkaisut jne. Julkaisun jälkeen tieto on kaikkien saatavilla.

Juuso

Vierailu syklotronilaboratorioon ja nanoteknologian tutkimuslaitokseen

Hiukkaskiihdytin Kuva: Nelli K-F

    Opastetulla kiihdytinlaboratoriokierroksella tutustuimme Jyväskylän yliopiston kiihdyttimiin ja muuhun niihin liittyvään laitteistoon. Meille kerrottiin muun muassa laitteiden toimintatavoista ja käyttökohteista. Kiihdytinlaboratorion kiihdyttimillä voidaan muun muassa tehdä materiaalitutkimusta ionisuihkujen avulla, säteilykestävyysmittauksia ja valmistaa lääketieteellisiä isotooppeja.

     Syklotroni on yliopiston suurin laite. Hiukkaset kiihdytetään spiraaliradan ja niitä ohjataan voimakkaiden sähkömagneettien avulla. Sitä voidaan käyttää moniin tarkoituksiin ja sen suihkuvalikoima on Euroopan parhaita. Kiihdyttimen toiminnasta aiheutuu säteilyä, jonka vuoksi syklotronin ympärillä oli kolmen metrin paksuiset betoniseinät.

     Teimme myös ohjatun kierroksen fysiikan laitoksen Nanoscience Centeriin, jossa tutustuimme laboratoriotiloihin, laserlaboratorioon, sekä saimme nopean katsahduksen puhdastilojen toimintaan ja nanomateriaalien valmistukseen. Nanolabrassa tutkitaan muun muassa erilaisten synteettisten materiaalien valmistusta, sekä nanomateriaalien ominaisuuksia ja käyttömahdollisuuksia. Tutkimusalana nanotiede onkin verrattain laaja, sillä se yhdistää hyvin sekä kemian, fysiikan että biologian alat.

Valtteri, Jukka ja Sami

Pitkän, mutta antoisan päivän päätteeksi yhteispotretti