Kuidas Eesti õpilased CERNis müüoneid püüdmas käisid

Eesti koolinoored kuuluvad omavanuste hulgas maailma absoluutsesse tippu, sest äsja tulid viis kooliõpilast tagasi Šveitsist Euroopa tuumauuringute keskusest CERNist, kus nad said omal käel osakestekiirendis katseid teha.

Miks on see kõva sõna? Igal aastal võidavad 3 tiimi võimaluse CERNis oma katset läbi viia. Sel aastal oli osalejaid võistlusel üle 3000, kokku 78 riigist. Eesti tiim Maverics oli neist parima kolme hulgas. Uhke värk! Teised kaks tiimi olid Jaapanist ja USAst.

Mavericksi viieliikmeline tiim koosseisuga Violeta Jürgens, Ralf Robert Paabo, Saskia Põldmaa, Mihkel Rannut ja August Jakobson, käisid rääkimas, kuidas nad puutusid CERNis kokku footonite, prootonite, müüonite, piionite, kvarkide, antineutriinode ja teiste kvantosakestega. Neid termineid kuuldes võib tunduda, nagu oleksid nad käinud mõnes seiklusfilmis kosmiliste olenditega heitlemas, kuid lugu on palju maisem. Tõtt öelda ei ole ka see täielikult õige, sest CERNi kiirendi asub sootuks maa all ja nende endi poolt ehitatud detektor käis õhupalliga peaaegu kosmoses ära.

Ajastus Eesti õpilaste CERNi saabumiseks oli väga õige mitte vaid seetõttu, et Eesti oli äsja saanud liikmesriigiks, vaid ka seetõttu, et samal ajal tähistati CERNi 70. tööaasta algust. Suursuguste juubelipidustuste käigus õnnestus õpilastel käia end ka laval tutvustamas ning kohtuda CERNi Eesti kommuuniga, kellega jäädi suhtlema visiidi lõpuni.

Mavericksi viieliikmeline tiim koosseisuga (vasakult) Ralf Robert Paabo, Mihkel Rannut, Saskia Põldmaa, Violeta Jürgens ja August Jakobson CERNi laboris. Vasakul ja paremal äärtes on CERNi juhendajad. Foto: CERN

Mis asjaoludel koolinoored CERNI sattusid ja mida seal tegid?

Saskia Põldmaa selgitab, et füüsika praktilise poolega, mis oli vaatamata olümpiaadidele jäänud tema nõrgaks küljeks, puutus ta esmalt kokku stratosfäärilendude käigus. See on Tallinna Reaalkoolis pika traditsiooniga ettevõtmine ning tema on lende korraldanud kolmel korral. Viimase lennu pardal oli ka müüondetektor, mille valmistamise juhendi leidis ta internetist ja mille kokkupanekul oli abiks TalTechi elektroonik Veljo Sinivee. Müüondetektor mõõtis 24 kilomeetri kõrgusega stratosfäärilennul müüonite kogust ning kuna tulemused osutusid huvitavaks, tekkis idee esitada projekt Beamline for Schools (BL4S) võistlusele. Seal läks neil hästi ja tuli võit, mis viiski tiimi CERNi.

Mihkel Rannut, samuti Tallinna Reaalkooli õpilane, rääkis, et kõik tiimi liikmed olid juba varasemalt tuttavad tänu füüsikaolümpiaadidele, mistõttu oli loogiline ka CERNi minekuks sama koosseisuga tiim moodustada. Üheskoos on nüüd käidud ka mitmetel rahvusvahelistel võistlustel. Sel suvel tehti füüsikat ja astronoomiat nii Indoneesias, Tšehhis, Gruusias kui ka Brasiilias.

Et tõsta tõenäosust BL4S võistlust võita, esitas võistkond igaks juhuks mitu ettepanekut, millest edukaimaks osutus just müüondetektori idee.

Igal tiimi liikmel kujunes kohapeal välja oma roll. Programmeerimisega tegelesid peamiselt Ralf ja August, tehnilise poole eest vastutas Mihkel, Violeta abistas kusiganes sai ning tegevust koordineeris Saskia. Muidugi tegid tegelikult kõik kõike ning pidevalt toimus jooksmine eksperimendi ja andmeanalüüsi ruumide vahel.

Nagu teaduses kombeks, tuli õpilastel tehnika parandamise ja andmeanalüüsi kõrvalt ka regulaarselt oma tulemusi esitleda. Neid kanti ette erinevatele külalistele: ROLEXi [programmi sponsor] dokumentaalfilmi võttetrupile, õpetajate gruppidele ning ka Jaapani, Eesti ja USA saadikutele. Lisaks said õpilased erakordse võimaluse oma tööd ette kanda ka üle-CERNilisel koosolekul. Selline võimalus avaldas õpilastele suurt muljet, kuna nad said kohtuda instituudi võtmefiguuridega ning külastada selle käigus ka CERNi südant - kontrollkeskust.

LHC juhtpult Foto: CERN

Milles seisnes võidutöö, mis auhinnareisi tõi?

Stratosfäärilennu käigus ilmnes, et mida kõrgemale detektor lendas, seda suurema pingeamplituudiga signaale see mõõtis. Esialgu järeldati, et kõrgem pinge tuleneb sellest, et atmosfääri ülalkihtides on ka müüonid suurema energiaga ning seega tekitavad need suuremat signaali. Sellest tekkiski idee mõõta kontrollitud tingimustes pinge ja müüoni energia sõltuvust.

Kuna kõigist osakestest on just müüonite energia mõõtmine kõige keerulisem, oli tiimil tarvis kontakteeruda võistluse korraldajatega, et mõelda välja, mis detektoriga oleks võimalik uurimisküsimusele läheneda.

Mis eksperimendi õpilased ise CERNis läbi viisid ja millised olid tulemused?

Katse õnnestus ja andmeid koguti piisavalt ka teadusartikli jaoks. Kahjuks kummutas tulemus hüpoteesi – energia ja pinge vahel sõltuvust ei ole. Selgus, et õpilased olid enda teadmata ehitanud müüonitel põhineva termomeetri: detektori jahtudes stratosfäärilennu pardal, muutus sensor oluliselt tundlikumaks. Sellele järeldusele jõuti eksperimendi finišijoonel, mil detektor suleti kuiva jääga karpi.

Sellele vaatamata osutusid andmed kasulikuks aga ettearvamatul moel. Müüonite energia mõõtmiseks tuli välja mõelda meetod, mis äratas ka CERNi teadlaste huvi, sest selle abil oleks võimalik lahendada igivana probleem. Nimelt pole CERNi müüonkiire puhul teada selle spekter. Kasutades vaid ühte Cherenkov detektorit, mis on igas eksperimentaalalas niigi olemas, suutis tiim Mavericks mõõta ära oma müüonkiire spektri.

Enne idee avaldamist tuleb seda aga veelgi eksperimentaalselt testida, mistõttu proovivad CERNi teadlased samasugust spektrimõõtmist korrata ka parema, puhta müüonkiirega.

Eesti tiimi laborikatse võeti lindile ka ROLEXi dokumentaalfilmi tarbeks. Foto: CERN

Šveits ja CERN

Eesti tiim viibis CERNis kaks nädalat ja ka pärast ametliku osa lõppu jäädi Šveitsi veidi kauemaks, kuni sealsete kõrgete hindade mõju rahakotile hakkas endast tunda andma. Siis tuli alustada koduteed. Kõik muidugi oleks soovinud veelgi kauemaks jääda.

Šveits üldiselt jättis Mavericksid üsna külmaks, aga muljet avaldas just CERNi linnakus nähtu ja kogetu. Kõik eeldasid, et kaks nädalat tuleb viibida üsna kõledates maa-alustes tööstushoonetes ja teha kuiva teadustööd. Tegelikult asub eksperimendi ala maa peal ja ka osakeste kiirendi on maa all ainult osaliselt. CERN asub väga suurel alal maa peal, mis moodustab omaette väikse linna, maa all on vaid mõned torud. CERNi linnakus on olemas kõik, mis ühes linnas olema peab: restoranid, hotellid, jõusaalid, oma bussiliinid, jalgrattalaenutuse süsteem ja eraldi CERNi äpp, kus leiab näiteks juhised linnas orienteerumiseks. Eesti tiimil õnnestus kohalviibitud aja jooksul heal juhul näha ainult poolt sellest, mida CERNi maapealne osa endast kujutab, sest ülejäänud pool CERNist asub hoopis teisel pool piiri Prantsusmaal. Ka suur osa maa-alusest osast jäi kahjuks nägemata, sest kiirendi oli töös ja inimesi seetõttu eksperimendi juurde ei lubatud – seda siis nii eksperimendivahendite kui ka inimese enda hoidmiseks. Tegelikult CERNis kiirgus liiga suur ei ole, aga lisaks osakestele voolab mööda kiirendi torusid ka magneteid jahutav vedel heelium, mille lekked võivad olla juba väga tõsiste tagajärgedega.

Siiski leidub ka CERNis ohtlikumaid piirkondi, need on selgelt märgitud ja nõuavad ka töötajatelt erilise varustuse kandmist. Eesti õpilased said endale kõvade ninadega tossud, kiivrid ja dosimeetrid. Lisaks sellele läbisid noored ka CERNi ohutuskoolituse – kusjuures rõhk oli pigem tuleohutusel, esmaabil ja küberturvalisusel. Ka testimise ala sai korralikult üle vaadatud ja ohutus tagatud.

Kuid eksimiseks väga ruumi polnudki, sest kiire tööle panemiseks oli tarvis läbida põhjalik protsess: iga inimene pidi tagastama personaalse võtme, mis oli võetud ruumi sisenemiseks, ning viimane lahkuja pidi sooritama patrulli ning lõpetuseks tuli ukse juures veel 20 sekundit oodata ja kuulata, ega ruumi seest inimhääli ei kostu.

Eesti õpilased tutvustavad tehtud eksperimente sponsoritele ja saadikutele. Foto: CERN

Kokkupuude aintiaine ja antimateeriaga

Õpilased said võimaluse külastada antiaine tehast, kus käibki justkui tehaseliini pidi antiaine tootmine. Selle tegemine tundus õpilastele üllatavalt lihtsana, sest protsessi kõige keerulisem osa oligi ehk magneti valmistamine. Antiaine tehases tutvustas noortele oma teadustööd Jaapani uurimisgrupp, kelle eesmärk oli mõõta gravitatsiooni mõju antiainele. Kas kusagil CERNi koobastes on ka suur must auk peidus, ei osanud noored öelda, kuid arvestades CERNi ala suurusega, ei saa nad välistada, et midagi seal võib tõesti olla. Lisaks polnudki koolinoortel võimalik igale poole uudistama minna, sest tähtsamate eksperimentideni pääsemiseks peab läbima silmaskänneri. Näiteks antiaine tehase tuumikuni jõudmiseks on vaja läbida kolm silmaskännerit.

Huvi kvantfüüsika vastu

Enne CERNis käiku polnud noortel osakestefüüsikaga erilist kokkupuudet olnud, sest isegi olümpiaadi ainekava seda ei kata, rääkimata koolipingis õpitust. CERNis nähtu tõttu muutus osakestefüüsika noortele aga oluliselt südamelähedasemaks.

«Nüüd see tundub täitsa põnev ja paljud meist mõtlevad ka tulevikus CERNi tagasi minna ja midagi uut luua seal,» ütleb Ralf Robert Paabo. Violeta Jürgens ei teadnud enne CERNi minekut osakesktefüüsiast põhimõtteliselt mitte midagi. Kõik mida ta nüüd kvantmaailmast teab, ongi videoloengute ja CERNis õpitu põhjal omandatud. «Nüüd hakkas täitsa huvitama see osakestefüüsika ja ei osanudki arvata, et mind selline asi huvitaks» ütleb Jürgens.

«Me oleme kõik füüsika entusiastid ja füüsikute Meka peakski olema CERN, aga enne seda, kui me seal päriselt ära käisime, jättis CERNi töö meid üsna külmaks. See tundus täiesti välja mõeldud ala ja üldse mitte selline füüsika, millega meie oleme tuttavad. Miks meid varem see ei huvitanud, oli ju vist sellepärast, et osakestefüüsika oli meie jaoks liiga kauge ja me ei teadnud mis seal toimub. Aga nüüd, kui päriselt kohal käisime, siis see hakkas meile kõigile kohutavalt meeldima,» lisas Põldmaa.

Tiim Mavericks CERNi kontrollkeskuses. Foto: CERN

Õpilased tõid välja, et meeldejääv oli nende jaoks see, kui pühendunud olid CERNi töötajad. Kui õpilased ise jäid eksperimendi kallale varahommikuni tööle vaid viimasel päeval, siis CERNi töötajate jaoks olid sellised tööpäevad tavalised. Õpilaste sõnul ei lahkunud neid abistavad teadlased 2-nädalase perioodi jooksul kordagi pikemalt kui kolmeks tunniks eksperimendi juurest, sest pidevalt vajasid lahendamist uued tehnilised viperused. Samas polnud ka töö eksperimendi alas sugugi lihtsam, sest analüüsitavad andmed olid vägagi mahukad – tavapärase pärastlõuna jooksul kogusid detektorid kokku 300GB andmeid. Seetõttu tuli pelgalt koodi jooksutamiseks hoida pidevalt terve tiimi arvuteid üheaegselt töös.

Mida nii andekad ja targad õpilased oma tulevikuga edasi plaanivad teha?

CERNis tehtud mõõtmiste kokkuvõttena on õpilastel valmimas nii teadusartiklid kui ka blogipostitused. Aga sellega on noorte teekond CERNis alles alanud. Järjekordne võimalus sinna naasta on CERNi suvetudengina – nagu nimigi ütleb, on selle eelduseks aga tudeng olemine. Seetõttu on kõigil õpilastel siiski kindel plaan ülikoolis jätkata, kuid eks tulevik näitab, millistesse teadusasutustesse need noored veel jõuavad.

Pikem intervjuu Eesti tiimi CERNis käigust on järelkuulatav Kuku Raadio keskkonnasaates Ilmaparandaja.