Syysretki Pyhäsalmen kaivokseen

Teksti Matti O. Koskinen

Kuvat Kari A. Kuure

Eräitä tähtitieteen perustavia kysymyksiä voidaan yrittää selvittää tutkimalla avaruudesta saapuvaa suurenergistä hiukkassäteilyä. Tällaista tutkimustyötä tehdään myös Suomessa Pyhäjärvellä. Niinpä meille heräsi halu päästä paikan päälle tutustumaan tuohon paikkaan. Tampereen Ursa teki sitten syksyllä tutustumisretken Pyhäsalmen kaivoksessa sijaitsevaan Maanalaisfysiikan tutkimuslaitokseen (CUPP, Center of Underground Physics in Pyhäsalmi) ja erityisesti sen EMMA-projektiin (Experiment with MultiMuon Array).

Meitä oli retkellä mukana pikkubussillinen väkeä – yksinkappalein lukien 15 henkilöä. Retken suunnittelu oli enimmältään Maria Lahtisen käsialaa. Etukäteen tutustumiskohteen valinnassa vähän arvelutti tarvittava pitkä automatka, mutta matkustus sujui kuitenkin suhteellisen vaivattomasti yhdellä välipysähdyksellä. Bussi lähti tornilta klo 6 ja saapui klo 20 niin, että kyllähän siinä aikaa paloi. Retki oli kuitenkin meidän kaikkien mielestä vaivan arvoinen.

Kuva Timo Enqvistin esitelmästä,  jossa valotetaan suurenergisten
kosmisen sätelyn reaktioita ilmakehässä. Kuva Timo Enqvist.

Pyhäsalmen kaivos on toki jo sinänsä maailmanlaajuisestikin nähtävyys erityisen syvänä kaivoksena, mutta meidän tarkoituksenamme oli nyt siis tutustua nimenomaan Oulun yliopiston eteläisen tutkimuskeskuksen suorittamaan maan alaiseen astrofysikaaliseen hiukkastutkimukseen. Tutkimustyö tapahtuu kansainvälisenä yhteistyönä suomalaisten, venäläisten ja tanskalaisten kesken.

Pyhäsalmen kaivoksen varsinainen käyttö loppuu parin vuoden kuluessa, kun malmi ehtyy. 1500 metrin syvyinen kovaan kiveen louhittu tunneliverkko olisi oivallinen paikka sijoittaa suurenergisten hiukkasten fysiikan tutkimuslaitteita. Toistaiseksi Pyhäsalmen maan alle on rakennettu 75 m syvyyteen myonimittausasema. 

Kaivoksen pohjalle 1500 m syvyyteen ollaan rakentamassa toisenlaista tutkimusasetelmaa. Ja toiveissa siintää kokonaan uuden kertaluvun hanke – suuren neutriinodetektorin pystytys LAGUNA-hankkeessa. Mutta tämän suuruusluokan tutkimuskeskuksen aikaansaaminen on kovin epävarmaa, niin hienoa kuin se tietysti olisikin.

Timo Enqvist esitteli tutkimustoimintaa.

Isäntinämme tutustumisessa olivat Timo Enqvist ja Pasi Kuusiniemi. Ennen ruokailua Timo piti meille tunnin esitelmän laitoksen toiminnasta. Esitelmä on luettavissa Tampereen Ursan kerhoiltojen Dropbox-sivuilta.

Vierailu tutkimusasemaan maan alla toteutui kahdessa kahdeksan hengen ryhmässä, jotka kuljetettiin maan alle neljä henkeä kerrallaan maastoautolla. Kahdeksan hengen ryhmäkoko johtui siitä, että tilat mittausasemien ympärillä ovat suhteellisen ahtaat. Ajomatka sumuisen ja pölyiseen auton mentävään alas viettävään tunneliin oli jo sellaisenaan elämys. 

Pukeuduimme luolamatkaa varten suojavaatteisiin, kumisaappaisiin, kypärään ja suojalaseihin. Ja syytä olikin, sillä tunnelin pohja oli punertavan kostean liejun peittämä. Kostea lieju oli vielä niin hapanta, että tehokkaasti tuhoaa siihen pudonneet tai kostuneen tavarat.

Mesonien mittaaminen tapahtuu yhdellätoista pinta-alaltaan noin 2 × 4 m² kokoisella suurikokoisella kaksikerroksisella havaintokammiolla, jotka on saatu lahjoituksena CERN:ltä, missä ne ovat jääneet pois käytöstä. Kolmessa keskeisimmässä havaintoteltassa ilmaisimia oli vielä useammassa kerroksessa. Varsinaisia tuikeilmaisimia on erikseen valmistettu venäjällä.

Kaivoksessa käytiin pienissä ryhmissä tutustumassa
EMMA-tutkimuksen laitteisiin.

Detektorit oli sijoitettu pienen mökin muotoisiin muovikalvotelttoihin. Laitteisto havaitsee myymesoni-nimisiä hiukkasia. Ne taas syntyvät ilmakehässä suurenergisten kosmisten hiukkasten aiheuttamien ydinreaktioiden tuloksena ilmakuuroksi kutsutussa ilmiössä. Varsinaisesti tutkijat haluavat saada tietoa alkuperäisistä yläilmakehän kosmisista hiukkasista. Näihin päästään käsiksi laskemalla havaittujen mesonien lukumäärä kutakin ilmakuuroa kohden. Mittaukset on vietävä syvälle kiven sisälle, jotta muu taustasäteily eliminoituu. Havaintoja saadaan paljon, mutta vain vähäinen osa on halutun laisia.

Suurempi LAGUNA:ksi kutsuttu tavoite olisi rakentaa kaivoksen pohjalle neutriinoilmaisin suurista tuikenestetankeista. Ne olisivat kymmenien kuutiometrien kokoisia. Erillisenä pulmana on, että hiiltä sisältävässä tuikenesteessä on aina epäpuhtautena mukana hiilen C-14 isotooppia, joka radioaktiivisena aiheuttaa ei-toivottuja tuikahduksia. Käyttöön haluttaisi saada mahdollisimman puhtaasti C-12 pitoinen tuikeneste. Nyt kaivoksen pohjalle ollaan rakentamassa mittausjärjestely, jolla tuikeaineesta voidaan määrittää C-14 pitoisuus. Tarkoituksena on siis etsiä puhdas tuikeaine. Ensin siis pitää saada paras tukeaine, jota sitten käytettäisi tonneittain mahdolliseen neutriinoilmaisimeen.

Suuria neutriinoilmaisimia on maailmanlaajuisesti olemassa kymmenkunta laitosta. Teknisesti Pyhäsalmen kaivos olisi sellaisen sijoituspaikaksi oivallinen. Suomi vain joutuu kilpailemaan maailman muiden sijoituspaikkojen kanssa paitsi teknillisten myös kauppapoliittisten syiden vuoksi.

Kiitos siitä isännille mielenkiintoisesta esittelystä! 

Kiitos myös Marialle ja Tommille retken masinoinnista.