Neutrinica oy Raportti ν MAANALAISEN FYSIIKAN TUTKIMUSKESKUKSEN PERUSTAMINEN SUOMEEN

Transkriptio

1 Neutrinica oy Raportti ν MAANALAISEN FYSIIKAN TUTKIMUSKESKUKSEN PERUSTAMINEN SUOMEEN

2 TIIVISTELMÄ Maan alla tehdään kokeellista tutkimusta suojassa maan pinnalla vallitsevalta taustasäteilyltä ja muilta häiriöiltä. Alkeishiukkas- ja ydinfysiikan sekä tähtitieteen alaan kuuluvat tutkimukset tuovat tietoa aineen rakenteesta, tähtien ja maailmankaikkeuden koostumuksesta sekä avaruuden ilmiöistä. Uusin haaste on tutkia maapallon sisäistä energiantuotantoa mittaamalla maan sisältä tulevaa säteilyä. Euroopan tutkimusorganisaatioiden laatimat tieteen tiekartat määrittelevät suuret maanalaiset kokeet yhdeksi tulevaisuuden painopistealaksi. Näitä valmistelemaan on perustettu eurooppalaisia yhteistyöryhmiä, jotka aloittavat niiden valmistelutyön EU:n seitsemännen puiteohjelman rahoituksella. Tutkimuskonsortioihin osallistuu huippututkijoita Euroopan parhaista yliopistoista ja tutkimuslaitoksista. Myös CERN on vahvasti mukana. Uudet kokeet vaativat kokonaan uuden eurooppalaisen maanalaisen laboratorion rakentamisen mahdollisimman syvälle. Sen sijoituspaikasta käydään kovaa kilpailua. Suomen mahdollisuudet ovat osoittautuneet poikkeuksellisen hyviksi. Suomen peruskallio on rakennettavuudeltaan maailman parasta ja sinne voidaan louhia paljon edullisemmin paljon suurempia kalliotiloja kuin minnekään muualle. Suomen pohjoisuus on myös noussut aivan erityiseksi valtiksi: Suomi on juuri sopivan kaukana Cernistä pitkän kantaman neutriinokokeita varten, ydinvoimaloista tuleva taustasäteily on Pohjois-Suomessa vain murto-osa siitä mitä Keski-Euroopassa ja tärkeitä tähtitieteellisiä havaintoja varten on eduksi olla mahdollisimman pohjoisessa. Suomi esittää uuden maanalaisen laboratorion rakennuspaikaksi ensisijaisesti Pyhäjärven kaupunkia. Paikkakunnalla sijaitsee Euroopan syvin metallikaivos, Pyhäsalmen kupari- ja sinkkikaivos, jonka infrastruktuuria voitaneen hyödyntää rakentamisen aloittamiseksi. Laboratorio toimisi kuitenkin kaivoksesta riippumattomasti kaivostoiminan jatkuessa ja jatkaisi toimintaa kaivostoiminnan päättyessä. Myös muita vaihtoehtoja löytyy runsaasti ympäri Suomea. Oulun yliopisto on valmistellut maanalaisen fysiikan tutkimusyksikön perustamista Pyhäjärvelle vuodesta 1997 alkaen. Metanimellä CUPP (Centre for Underground Physics in Pyhäsalmi) tunnetussa hankekokonaisuudessa on ollut useita Euroopan Unionin tavoiteohjelmarahoituksella rahoitettuja osahankkeita, uusimpana vuosille ajoittuva hanke nimeltään EMMA-kokeen toteuttaminen, jonka aikana asennetaan valmiiksi kosmisia säteitä maan alla tutkiva mittauslaitteisto. Hankkeessa on mukana useita partnereita, kuten Jyväskylän yliopisto, ja sen tieteellistä tasoa valvoo maailman parhaista asiantuntijoista koostuva tieteellinen neuvottelukunta. Kilpailu uudesta eurooppalaisesta laboratoriosta vaatii uuden organisaatiorakenteen muodostamisen. Alueorientoituneen hallinto- ja rahoitusmallin tilalle tulee pikaisesti luoda kansainvälisesti uskottava valtakunnallisesti tuettu toimintaorganisaatio, jolle määritellään vahvat tieteelliset toimintaperiaatteet ja myönnetään riittävä perusrahoitus.

3 Esipuhe Tässä raportissa esitellään suunnitelma taikka tiekartta maanalaisen fysiikan kokeelliselle tutkimustoiminnalle Suomessa. Maanalainen fysiikka on tieteellistä perustutkimusta, joka on yliopiston perustehtävä. Tämän raportin on tuottanut Neutrinica Oy. Toimittajana on allekirjoittanut, joka vastaa sisällöstä ja virheistä. CUPP-hankkeen yhteydessä Oulun yliopistossa tuotetut selvitykset ovat olleet pohjana tälle työlle, ja laadinnan aikana on kuultu hankkeen henkilökunnan ja ohjausryhmän jäseniä sekä koti- ja ulkomaisia yhteistyökumppaneita. Näillä on ollut suuri panos raportin sisältämään tietoon ja muotoon. Raportti ei kuitenkaan edusta yliopistojen tai muiden osapuolten virallista kantaa vaan on pohjana ja esityksenä tuleville neuvotteluille. Työn ensimmäisessä osiossa (luku 1) kerrotaan lyhyesti hankkeen taustasta, mahdollisuuksista, merkityksestä ja vaikutuksista. Kiireinen lukija voi lukea vain tämän luvun. Loppuosa raportista käsittelee aihetta yksityiskohtaisemmin. Luvussa 2 kerrotaan, mitä on maanalainen fysiikka ja miksi tutkijat tekevät työtään maan alla. Sitten siinä esitellään muita maailman maanalaisia laboratorioita ja niissä tehtyä tutkimusta. Luvussa 3 esitellään maanalaisen fysiikan tutkimus ja CUPP-hankkeen toiminta Oulun yliopiston yhteydessä vuosina Saadut tulokset esitellään pääpiirteittäin ja annetaan viitteet julkaisuihin, joista ne ovat tarkemmin luettavissa. Luvussa 4 luonnostellaan lähitulevaisuuden ( ) toimintaa. Siinä tarkastellaan valmisteilla olevaa EMMA-koetta ja esitellään käytössä olevat tilat sekä pohditaan niiden tarjoamia mahdollisuuksia muille tutkimuksille. Luvussa 5 kerrotaan eurooppalaisen tiedeyhteisön suunnitelmista uusille maanalaisille kokeille ja niiden tieteellisestä motivaatiosta. Luvussa viitataan laadittuihin eurooppalaisiin tiekarttoihin, joista saa tarkempaa tietoa. Luvussa 6 todetaan ehdolla olevat sijoituspaikat uudelle eurooppalaiselle laboratoriolle ja esitetään perusteluita, miksi se on parasta rakentaa juuri Suomeen. Pyhäsalmen kaivoksen mahdollisuudet tuodaan esille. Luku 7 käsittelee laboratorion maanalaisten ja maanpäällisten tilojen ja muun infrastruktuurin rakentamisen teknisiä haasteita ja vaatimuksia sekä rakennuskustannuksia. Käynnissä olevat selvitykset tuovat tähän pian tarkempaa tietoa. Luvussa 8 pohditaan tutkimuskeskuksen muodollista perustamista ja sen hallintomalleja. Myös tarvittavasta budjetista annetaan viitteitä todeten kuitenkin, että sen suuruus riippuu siitä, kuinka laajana laboratorio toteutetaan. Luvussa 9 esitetään johtopäätökset ja vaadittavat toimenpiteet. Raportin liitteenä on sanasto, jossa selitetään kansantajuisesti tekstissä usein esiintyvät tieteelliset termit ja lyhenteet. Oulussa 28. toukokuuta 2008 Juha Peltoniemi dosentti, toimitusjohtaja Neutrinica Oy juha.peltoniemi@neutrinica.com Esipuhe 3

4 1 Suomen maanalaisen fysiikan tavoitteet ja tilanne Tavoite Tavoitteena on saada Suomeen suunnitteilla oleva eurooppalainen maanalaisen fysiikan tutkimuskeskus ja rakentaa erittäin korkealaatuisia laboratoriotiloja syvälle suomalaiseen peruskallioon kansainvälisesti toteutettavia ja rahoitettavia jättimäisiä tieteellisiä kokeita ja teknologisia sovelluksia varten. Tutkimuskohde Maanalaisissa laboratorioissa tutkitaan erittäin harvinaisia ilmiöitä suojassa maan pinnalla esiintyviltä häiriöiltä. Maan pinnalla mittauksia häiritsevät kosminen säteily, seismiset värähtelyt ja sähkömagneettiset kentät. Mittaukset vaativat tutkittavasta ilmiöstä ja laitteistosta riippuen metrin syvyyttä. Maanalaisissa kokeissa havainnoidaan muun muassa avaruudesta tulevia läpitunkevia hiukkasia, kuten kosmisia säteitä (hyvin suurienergisiä atomiytimiä), neutriinoja (äärimmäisen keveitä valon nopeudella kiitäviä alkeishiukkasia) ja pimeää ainetta. Niissä etsitään myös aineen harvinaisia hajoamismuotoja. Laitteilla voidaan vastaanottaa kaukaisissa kiihdytinlaboratorioissa tuotettuja neutriinoja. Mielenkiintoisimman haasteen tarjoaa maapallon rakenteen ja sisäisen energiantuotannon tutkiminen etsimällä maan sisältä ja maapallon sydämestä tulevaa radioaktiivista säteilyä. Tulosten odotetaan tuovan lisävalaistusta mannerliikuntojen ja maan magneettikentän syntyyn ja kehitykseen. Maan sisusta tunnetaan edelleen hyvin huonosti, paljon huonommin kuin auringon tai kuun sisäosat. Maanalaisissa laboratorioissa tehdään myös soveltavaa tutkimusta. Aineiden ja esineiden ikiä tai yhteenkuuluvuuksia määritetään mittaamalla niiden äärimmäisen pieniä säteilypitoisuuksia. Maanalaiset tilat soveltuvat hyvin teknisille kalibraatiotutkimuksille tasalaatuisten olosuhteiden vuoksi. Eräissä laboratorioissa tehdään lääketieteellisiä säteilymittauksia ihmisille. Luonnollisesti maanalaisia tiloja käytetään kallioperän itsensä tutkimiseen. Maan alla on tutkittu myös biologiaa: jo kauan sitten eräät tutkimukset antoivat vihjeitä, että täysin säteilyltä suojatut olosuhteet eivät olisi kovin terveellisiä, vaan silloin solujen itsekorjausmekanismit surkastuisivat harjoituksen puutteessa. Maanalaisen fysiikan tutkimus Suomessa Suomalaista maanalaisen fysiikan toimintaa on kehitetty vuodesta 1997 Oulun yliopiston hallinnoimassa CUPP-hankekokonaisuudessa (Centre for Underground Physics in Pyhäsalmi). Hanke on saanut rahoitusta Euroopan aluekehitysrahastolta, Pyhäjärven kaupungilta, Nivala-Haapajärven seutukunnalta, eräiltä yksityisiltä tahoilta sekä Suomen Akatemialta ja useilta säätiöiltä. Turun ja Jyväskylän yliopistot ovat osallistuneet hankkeeseen tarjoamalla sen käyttöön tutkijoittensa työpanosta tai tutkimuslaitteistoja. Tähän mennessä hankkeille on myönnetty todellista tai laskennallista rahoitusta yli 4 miljoonaa euroa, sisältäen Suomen ja Venäjän välisellä velkakonversiolla hankittavat venäläiset laitteet. EAKR-rahoitteista toimintaa hallinnoi tällä hetkellä Oulun yliopiston alueyksikkö, Oulun Eteläisen instituutti. Hankkeen hallinnointia ohjaa rahoittajan edellyttämä sidosryhmien edustajista muodostettu ohjausryhmä. Tieteellistä toimintaa ohjaa Suomen maanalaisen fysiikan tavoitteet ja tilanne 4

5 puolestaan erittäin ansioituneista tutkijoista koostuva kansainvälinen asiantuntijaryhmä, joka kokoontuu Pyhäjärvelle kerran vuodessa arvioimaan hankkeen etenemistä ja suunniteltuja tutkimushankkeita sekä antamaan ohjeita jatkotyöskentelyä varten. CUPP-hankkeissa on luotu tyhjästä uusi, innostunut ja innovatiivinen tutkimusryhmä, joka on valmis vastaamaan haasteisiin. Tutkimustoiminta vaatii monenlaista huippuosaamista: fysiikan ja matematiikan syvällisen ymmärtämisen lisäksi koejärjestelyiden rakentaminen vaatii teknistä ja tietoteknistä osaamista. Mittaustoiminnan edellytyksenä on modernin tiedonkeruun, -siirron ja elektroniikan tuntemus. Parhaillaan hankkeen piirissä työskentelee neljä tohtorintasoista tutkijaa, kolme vastavalmistunutta maisteria ja muutamia valmistumisvaiheessa olevia opiskelijoita. Nykyinen maanalainen laboratorio toimii Pyhäjärven kaupungissa Pyhäsalmen kaivoksen kaivoskäytöstä poistetuissa tiloissa. Kaivostoiminta jatkuu arviolta vuoteen 2018 saakka, ja mahdollisesti paljon pitempäänkin, jos kaivoksesta löydetään uutta malmia syvemmältä tai sivummalta. CUPP-hankkeessa on selvitetty kaivoksen soveltuvuus tutkimustoimintaan ja mitattu tutkimusta häiritsevä taustasäteily. Tämänhetkinen tieteellinen tutkimus painottuu kosmisiin säteisiin. Niitä mitataan pian valmisteilla olevalla EMMA-kokeella (Experiment with MultiMuon Array). Koelaitteisto sijoitetaan vanhaan kaivokseen matalalle syvyydelle (80 m) ja sen odotetaan tuottavan merkittävää uutta tietoa maailmankaikkeuden rakenteesta ja koostumuksesta. Koe on poikkeuksellisen kustannustehokas, sillä siinä käytetään pääosin kierrätettyjä laitteita, joita saatiin edullisesti Cernistä. Näitä täydennetään Venäjältä velkakonversiolla hankitavilla laitteilla. EMMA-koe on jo aloittanut mittaukset ensimmäisellä modulilla. Ensimmäisiä tuloksia saataneen jo kesällä Suunnitelmien mukaan kaikki koelaitteet asennetaan kaivokseen vuoden 2009 loppuun mennessä. Euroopan tiekartat ja tulevaisuuden tutkimustyö Eurooppalaiset tutkimus- ja rahoitusorganisaatiot ovat laatineet tiekarttoja Euroopan astrohiukkasfysiikan tutkimuksen tulevaisuudelle. Astrohiukkasfysiikalle on määritelty neljä painoalaa: 1. suurenergiset kosmiset säteet, 2. pimeän aineen etsiminen, 3. neutriinotähtitiede ja 4. painovoima-aaltojen etsiminen. Tiekartan hankkeita varten pitää rakentaa uusia hyvin suuria maanalaisia tutkimuslaboratorioita. Eurooppalaiset tutkijat ovat muodostaneet LAGUNA-konsortion (Large Apparatus for Grand Unification and Neutrino Astronomy) suurten neutriinotähtitieteen kokeiden valmistelemista varten. Euroopan komissio on myöntänyt konsortiolle 1.7 miljoonaa euroa kokeiden vaatimien maanalaisten tutkimusinfrastruktuurien toteutettavuusselvitykseen. Suomesta hankkeeseen osallistuvat Oulun ja Jyväskylän yliopistot sekä Kalliosuunnittelu Oy Rockplan Ltd. Cernin johdolla laadittu Euroopan hiukkasfysiikan strategia tukee mainittuja astrohiukkasfysiikan hankkeita. Siinä myös vaaditaan uusien kiihdytinpohjaisten neutriinokokeiden suunnittelemista. Tälläisiä kokeita varten pitää rakentaa jättiläismäiset neutriinojen vastaanottoasemat satojen tai tuhansien kilometrien päähän kiihdyttimistä syvälle maan alle. Suomen maanalaisen fysiikan tavoitteet ja tilanne 5

6 Strategisia päätöksiä astrohiukkasfysiikan kokeiden suhteen tehtäneen 2010 ja kiihdytinkokeiden suhteen Siihen mennessä pitäisi saavuttaa kaikki valmiudet kokeiden toteuttamiseen niin hallinnollisesti kuin teknisesti. Pian aukeaa ensimmäisen kerran mahdollisuus saada uusi maanalainen laboratorio euroopan infrastruktuurien strategisen foorumin ESFRI:n tiekartalle. Edellytyksenä tiekartalle pääsyyn pidetään riittävän suurta kokoa (yleensä yli 100 miljoonan euron kustannusarviota) sekä toteutettavuuden osoittamista, yleensä toteuttamalla menestyksellisesti puiteohjelman infrastruktuurien suunnittelututkimus (Design Study), joka on juuri alkanut. Eurooppalaisen laboratorion sijoituspaikka Suomen mahdollisuus Uuden eurooppalaisen maanalaisen laboratorion sijoituspaikasta käydään ankaraa kilpailua. Suomi lähtee kilpailuun erittäin hyvistä asemista, koska: 1. Suomessa on maailman paras kallioperä, jonne on helpointa ja halvinta rakentaa erittäin suuria kalliotiloja. 2. Suomessa kallion ja sen ominaisuuksien tuntemus sekä kalliorakentamisen osaaminen ovat huippuluokkaa. 3. Ydinvoimaloista tuleva häiriösäteily (neutriinot) on Pohjois- ja VäliSuomessa riittävän pientä. 4. Suomessa kallion lämpötila ei kohoa liian korkeaksi syvälläkään. 5. Mahdollisimman pohjoinen sijainti parantaa mahdollisuuksia saada enemmän tietoa irti neutriinotähtitieteen havainnoista. 6. Suomi voi olla juuri sopivan kaukana Cernistä ( km) hiukkaskiihdyttimellä tuotettujen neutriinojen vastaanottoaseman sijoituspaikaksi. 7. Suomen maine turvallisena, vakaana ja korruptoitumattomana maana nostaa tutkijoiden kiinnostusta Suomeen, ja maailman paras koululaitos lisää houkuttelevuutta myös perheille. Pyhäsalmen kaivos tarjoaa Euroopan syvimpänä toimivana metallikaivoksena (1444 m) hyvän lähtökohdan laboratorion rakentamiselle. Alueen geologia tunnetaan poikkeuksellisen hyvin ja vaativakin logistiikka on helposti järjestettävissä muun muassa kaivokselle tulevan rautatien avulla. Huolellisen suunnittelun avulla voidaan taata, että tutkimuskeskus ei häiritse kaivostoimintaa eikä kaivostoiminta tutkimusta. Kaivoksen käyttö vaatii vielä sopimuksen kaivoksen omistajan kanssa. Suomesta löytyy myös muita vaihtoehtoja eri puolilta maata. Suurella rahalla laboratorio voidaan jopa rakentaa vihreälle niitylle tai sopivimpaan kaupunkiin parhaalle paikalle. Tämä voi kuitenkin viedä useita lisävuosia. Tutkimuskeskuksen hallinto ja rahoitus Tutkimuskeskukselle on luotava uusi kansallinen tai kansainvälinen hallintomalli. Tulevasta hallintomallista on neuvoteltava kaikkien yhteistyöosapuolten kanssa. Toiminta on organisoitava tieteellisten tavoitteiden pohjalta niin, että luodaan tieteellisesti vahva ja kansainvälisesti uskottava yksikkö. Eurooppalaisessa tiedeyhteisössä on keskusteltu mahdollisuudesta perustaa eurooppalainen organisaatio hallinnoimaan tätä sekä monia olemassaolevia alan Suomen maanalaisen fysiikan tavoitteet ja tilanne 6

7 tutkimusinfrastruktuureja. Sen perustaminen voi olla niin pitkä prosessi, että sitä ennen on muodostettava kansallinen organisaatiorakenne. Uuden maanalaisen laboratorion perusrakenteiden kustannukset ovat laadusta ja laajuudesta riippuen 5-30 miljoonaa euroa. Suurten kokeiden koehallien rakentaminen maksaisi koetta kohti miljoonaa euroa. Kokeiden kokonaiskustannusarviot ovat arviolta välillä miljoonaa euroa, riippuen valitusta teknologiasta ja laitteiden koosta, ja viime kädessä myönnetystä rahotuksesta. Suuri osa investointikustannuksista voidaan saada takaisin kokeen lopettaessa, esimerkiksi LENA-kokeen suurin kustannuserä on 100 miljoonan arvosta tuikeöljyä, joka ei kulu mihinkään, vaan on myöhemmin myytävissä pois, todennäköisesti suurella voitolla. Kokeen aikana se voisi toimia myös kyseisen öljyn strategisena varmuusvarastona. Kokeiden kustannukset jaetaan kansainvälisesti siten kuten sovitaan. Hyvä tarjous kansallisesta rahoitusosuudesta varmistaa Suomen kilpailusasetelmat. Tutkimuskeskuksen tuloksellisuus, vaikuttavuus, taloudellisuus ja tuottavuus ovat jatkuvan arvioinnin kohteena. Tieteellisen toiminnan laatua asetetaan valvomaan korkeatasoisista kansainvälisistä asiantuntijoista koostuva tieteellinen neuvottelukunta. Vaikutukset Uuden tutkimuslaboratorion rakentaminen tuo uutta osaamista ja innovaatioita Suomeen ja kansainvälistää suomalaista yliopistoyhteisöä. Erittäin näkyvänä yksikkönä se toisi runsaasti myönteistä julkisuutta ja parantaisi Suomen imagoa tiedeja teknologiamaana niin tiedepiireissä kuin niiden ulkopuolellakin. Suurten kokeiden rakentaminen antaisi runsaasti työtä ja tilauksia suomalaiselle teollisuudelle. Tutkimuskeskus voisi synnyttää lukuisia uusia työpaikkoja sekä uusia yrityksiä niin elektroniikka- ja metallialalle kuin palvelusektorille unohtamatta muita yhteiskunnallisia vaikutuksia. Suomi on hyödyntänyt erittäin hyvin kansainvälisten infrastruktuurien ja tutkimusjärjestöjen (CERN, ESA, ESO, EMBL, Nordita jne.) jäsenyyttä. Omalla maaperällä oleva tutkimuskeskus hyödyntäisi näistä jo saatuja kokemuksia ja toisi merkittävää lisäarvoa jäsenmaksuille. Vaikutukset Suomen tieteelle olisivat vieläkin suuremmat kuin ulkomailla toimivien tutkimuskeskusten jäsenyydet, mutta kustannukset olisivat kuitenkin vain murto-osa niistä. Suomen teollisuus on jo menestynyt erinomaisesti suurten kansainvälisten tutkimuskeskusten laitehankinnoissa. Esimerkiksi Suomen teollisuuden saamat tilaukset Cernistä ylittävät reilusti Suomen vuotuiset jäsenmaksut. Teollisuuden hyöty Suomessa olevasta laboratoriosta olisi varmasti paljon suurempi ja välittömämpi. Tutkimuskeskusten kanssa käytävä kauppa kannustaa yrityksiä tuotekehittelyyn. Erittäin vaativalle asiakkaalle tehty toimitus voi olla ratkaisevan tärkeä tekijä yrityksen innovaatioiden kaupallistamiselle ja kilpailukyvylle, ja olisi myös merkittävä referenssi muissa kauppaneuvotteluissa. Tutkimuskeskus voi toimia tienraivaajana ja esikuvana usealle muulle kansainvälisesti merkittävälle tiedehankkeelle, joita on vireillä useampiakin. Onnistuminen rohkaisee muita sekä parantaa mahdollisuuksia kilpailtaessa uusien kansainvälisten tutkimuskeskusten ja laboratorioiden sijoituspaikoista. Maanalaisen tutkimuskeskuksen yhteyteen voidaan helposti rakentaa maanalaisia tiloja muita julkisia tai kaupallisia palveluja varten. Varmuusvarastoinnin ja erilaisten suojelutarpeiden lisäksi mahdollisuuksia on erityisesti matkailualalle ja vapaa-ajan Suomen maanalaisen fysiikan tavoitteet ja tilanne 7

8 palveluille. Hyvin suunniteltuna tälläiset oheistoiminnot tukisivat tutkimuskeskuksen toimintaa ja parantaisivat sen toimivuutta ja houkuttelevuutta. Toimenpiteet Tutkimustoiminta tulee organisoida tieteellisten tavoitteiden mukaisesti. Tutkimusyksikölle on mahdollisimman pian annettava virallisesti tunnustettu laboratorio-status nykyisen projektiorganisaation sijasta, jotta se hyväksytään osapuoleksi kansainvälisiin yhteisorganisaatioihin ja se voi saada kansainvälistä rahoitusta. On päätettävä, mikä yksikkö ottaa vetovastuun uuden tutkimuskeskuksen toteuttamisesta, rakentamisesta ja myöhemmin sen toiminnasta ja voi tehdä vaadittavat sopimukset kaivosyhtiön ja muiden tahojen kanssa. Tarvittaessa on perustettava kokonaan uusi yksikkö. Tutkimukselle tulee turvata riittävä perusrahoitus, joka antaa uskottavuutta ja mahdollistaa merkittävän eurooppalaisen rahoituksen saamisen sekä huippututkimukseen pystyvän tutkimusryhmän luomisen. Suomen tulee luoda valmiudet kokeiden vaatiman infrastruktuurin rakentamiseksi kansainvälisen tiedeyhteisön tehdessä lähivuosina päätöksiä suurten kokeiden aloittamisesta. Laboratorion suunnittelu- ja valmistelutyö on käynnistettävä. Suomen on aktiivisesti vaikutettava kansainvälisen tiedeyhteisön päätöksentekoon. Suomen tulee liittyä täysjäseneksi astrohiukkasfysiikan yhteistyöelimiin (ASPERA/ ApPEC). Jos sopivaa jäsenorganisaatiota ei ole, niin tulee perustaa sopiva todellinen tai virtuaalinen yksikkö. Suomen tulee tukea ApPECia uuden maanalaisen infrastruktuurin saamiseksi ESFRIn tiekartalle. Se on myös sisällytettävä tekeillä olevalle Suomen tutkimusinfrastruktuurien tiekartalle. Suomalaisten tutkijoiden tulee vaikuttaa yhteistyöelinten sisällä sekä tiedeyhteisössä. LAGUNA-hanketta pitää edistää kaikin tavoin. Suomen tulee tehdä aktiivisesti töitä suurienergisen neutriino-ohjelman toteuttamiseksi Cernissä siten, että sieltä voidaan suunnata neutriinosuihku Suomeen. Suomen tulee varjella merkittävää etuaan, matalaa ydinvoimaloiden aiheuttamaa taustasäteilyä. Ydinreaktoreiden rakentaminen Pohjois- tai Väli-Suomeen on estettävä. Kansainvälisessä tiedeyhteisössä tehdään kokeita koskevia päätöksiä lähivuosina. Suomen on annettava riittävän uskottava signaali, että olemme tosissamme ja meillä on osaamista ja halua sitoutua hankkeeseen. Suomen maanalaisen fysiikan tavoitteet ja tilanne 8

9 Maanalainen fysiikka 9

10 LIBRA LUNA HDMS LVD CRESST Cuoricino Eräitä maanalaisia kokeita Gran Sasson laboratoriossa. Näissä etsitään maailmankaikkeuden puuttuvaa pimeää ainetta, räjähtävästä tähdestä tulevia neutriinoja, sekä harvinaisia radioaktiivisia hajoamismoodeja. (Gran Sasson sivuilta) 2 Maanalainen fysiikka 2.1 Käsitteet Maanalaisella fysiikalla tarkoitetaan maan alla tehtävää fysiikan kokeellista tutkimusta. Suurimmaksi osaksi tämä tutkimus on astrohiukkasfysiikkaa tai avaruushiukkasfysiikkaa, eli maan ulkopuolelta tulevien hiukkasten havaitsemista. Maanalainen fysiikka ja astrohiukkasfysiikka eivät kuitenkaan ole käsitteenä sama asia: astrohiukkasfysiikan kokeita tai havaintoja voidaan tehdä myös maan päällä, jopa avaruudessa, ja maan alla tutkitaan muutakin kuin astrohiukkasfysiikkaa. Tulevaisuuden haaste on esimerkiksi maan sisäosista tulevien hiukkasten havaitseminen, jota voitaisiin nimittää paremmin geo- tai maahiukkasfysiikaksi. Yhdessä avaruushiukkasfysiikan kanssa sille voitaisiin luoda yläluokka luonnonhiukkasfysiikka. Tämä voi kuitenkin tuoda hieman vääriä mielleyhtymiä ja kenties jopa sekoittua aerosolifysiikkaan, joten emme käytä sitä tässä dokumentissa. Maan alla tutkitaan myös laboratorioissa tuotettuja hiukkasia tai mittalaitteen sisällä olevien aineiden hajoamisia, jotka eivät enää kuulu astro- tai luonnonhiukkasfysiikan alle. Siksi kutsumme tässä maan alla tehtävää tutkimusta rehellisesti maanalaiseksi fysiikaksi, huolimatta maanalaisuuteen mahdollisesti liittyvistä negatiivisistakin mielleyhtymistä. 2.2 Miksi maan alle Maanalaisissa laboratorioissa tehdään mittauksia, jotka vaativat erityisen kontrolloidut olosuhteet. Maan päällä esiintyvä taustasäteily peittää alleen monet etsittävät ilmiöt. Tästä syystä kaikkein harvinaisimpia ilmiöitä voidaan tutkia luotettavasti vasta useiden satojen metrien tai jopa kilometrien syvyydessä maan alla. Suurin osa taustasäteilystä aiheutuu kosmisista säteistä. Ne ovat suurienergisiä hiukkasia, lähinnä protoneja ja atomiytimiä. Kosmiset säteet syntyvät joissain osin tuntemattomissa ilmiöissä tähtijärjestelmissä, kulkevat avaruuden halki ja törmäävät maan ilmakehään. Ilmakehässä kosminen säde aiheuttaa ilmakuuron eli suuren ryöpyn sekundäärisäteilyä. Ilmakuuro voi sisältää lähes kaikkia tunnettuja alkeishiukkasia, mutta tärkeimpiä niistä ovat myonit, jotka ovat elektronien kaltaisia alkeishiukkasia. Niitä syntyy suurienergisissä törmäyksissä ja ne hajoavat hyvin lyhyen ajan kuluessa. Myonit ovat kuitenkin massaltaan 200 kertaa elektronia suurempia, minkä vuoksi ne voivat tunkeutua energiasta riippuen jopa satojen metrien syvyyteen. Maanalainen fysiikka 10

11 Kokeen vaatimus syvyydelle riippuu etsittävän ilmiön mittalaitteeseen aiheuttaman signaalin voimakkuuden suhteesta häiriöihin. Tyypillisesti tarvitaan usean sadan metrin syvyyttä, mutta herkimmät mittaukset on tehtävä yli kilometrin syvyydellä. Yleensä noin kahden kilometrin syvyydessä kosmisten säteiden aiheuttama taustasäteily on jo pienempi kuin laitteistojen oma taustasäteily, eikä sitä syvemmälle ole tarkoituksenmukaista mennä. Neljän kilometrin syyvydessä myonisäteily tulee kokonaan merkityksettömäksi. Maanalainen tutkimus edellyttää suuria laboratorioita ja hyvinkin monimutkaisten tutkimuslaitteiden ja -menetelmien käyttöä. Maanalaisfysiikka elää parhaillaan kukoistuskauttaan. Erityisesti neutriinofysiikassa on saatu vastauksia tutkijoita pitkään askarruttaneisiin kysymyksiin. Näiden tulosten pohjalta suunnitellaan uuden sukupolven kokeita. Tutkittavaa riittää vielä vuosikymmeniksi. 2.3 Tutkittavat kohteet ja ilmiöt Kosmiset säteet Kosmiset säteet ovat toisen tausta mutta toisten signaali. Maan alla tutkitaan paljon kosmisten säteiden törmäyksistä syntyviä myoneja, jotka tunkeutuvat syvälle maan alle. Nämä tuovat eniten tietoa törmäyksestä itsestään. Myonisäteilyn voimakkuuden avulla voidaan määrittää päällä olevan aineskerroksen paksuus. Usealla mittauksella voidaan selvittää päällä olevan kerroksen kolmiulotteinen tiheysprofiili. Japanilaiset ovat määrittäneet vuorten profiilia maan alta ja meksikolaiset etsivät pyramidien salakäytäviä kosmisten säteiden avulla. Neutriinot Neutriinot ovat näkymättömiä äärimmäisen pieniä alkeishiukkasia. Niitä on avaruudessa tavattomasti ja keveytensä takia ne kiitävät maailmankaikkeuden halki lähes valon nopeudella. Neutriinot vuorovaikuttavat heikosti muun aineen kanssa. Siksi ne pystyvät läpäisemään helposti kiven ja kallion, jopa maan ja auringonkin. Neutriinoja syntyy koko ajan radioaktiivisten hajoamisten seurauksina niin maassa kuin tähdissäkin. Joka sekunti ihmisen läpi menee noin sata biljoonaa auringosta tulevaa neutriinoa ilman, että ihminen huomaisi yhtään mitään. Neutriinojen havaitseminen on erittäin vaikeaa. Suurin osa neutriinoista menee mittalaitteiden läpi kuin tyhjää vain, mutta jos niitä menee riittävän monta, niin joku voi aiheuttaa havaittavan reaktion. Neutriinojen tutkiminen vaatii taustasäteilyltä suojatun mittauspaikan ja erittäin herkät ja suuret mittalaitteet, sekä paljon aikaa ja kärsivällisyyttä. Maanalaisissa kokeissa tutkitaan muun muassa seuraavista lähteistä tulevia neutriinoja: l Auringosta tulevat neutriinot: Aurinko tuottaa energiaa fuusioimalla vetyä heliumiksi. Yksinkertaiselta kuulostava prosessi tapahtuu todellisuudessa useiden monimutkaisten reaktioketjujen kautta. Näissä reaktioketjuissa syntyy myös neutriinoja. Mittaamalla näitä neutriinoja voidaan selvittää auringon energiantuotantoketjun yksityiskohtia. Ensimmäiset auringon neutriinojen mittaukset aiheuttivat enemmän ongelmia kuin ratkaisuja, koska neutriinoja havaittiin ennustettua vähemmän. Uudemmat mittaukset kuitenkin paljastivat, että puutos johtui neutriinojen uusista ominaisuuksista. Vasta nyt, kun neutriinot ymmärretään paremmin, on uusilla kokeilla mahdollisuus päästä tutkimaan itse aurinkoa. l Räjähtävästä tähdestä tulevia neutriinoja: Vuonna 1987 havaittiin kolmessa maanalaisessa kokeessa yhtäaikainen sarja signaaleja, jotka näyttivät neutriinoilta. Ne yhdistettiin pian Suuressa Magalhãesin Pilvessä tapahtuneeseen supernovaan 1987A. Ensimmäisen ja toistaiseksi ainoan kerran ihminen oli havainnut aurinkokunnan ulkopuolelta tulevia neutriinoja. Maanalainen fysiikka 11

12 l Ydinvoimaloiden tuottama neutriinosäteily: Ydinvoimalat tuottavat valtaisasti neutriinoja. Itse asiassa neutriinon olemassaolo varmennettiin ensimmäiseksi ydinvoimaloideen säteilystä 50-luvulla, mistä Fred Reines sai Nobelin vuonna Mittaamalla neutriinoja riittävän kaukana ydinvoimaloista voidaan tehdä päätelmiä neutriinojen ominaisuuksista. l Hiukkaskiihdyttimillä tuotetut neutriinot: Hiukkaskiihdyttimillä voidaan tuottaa tiivis neutriinosuihku, jota voidaan havaita satojen tai tuhansien kilometrien päässä. Tälläisiä kokeita on tehty Yhdysvalloissa ja Euroopassa. l Komisten säteiden tuottamat neutriinot: Kosmisten säteiden törmätessä ilmakehään syntyy myös suurienergisiä neutriinoja. Niitä on havaittu useassa maanalaisessa kokeessa, mutta neutriinojen määrät poikkesivat ennustetuista. Tarkemmat mittaukset vahvistivat puutoksen johtuvan neutriinojen ominaisuksista, mistä myönnettiin Nobelin palkinto Ray Davis (USA, s. 1914) ja Masatoshi Koshiba (Japani, s. 1926) saivat Nobelin fysiikan palkinnon vuonna 2002 maanalaisista neutriinotutkimuksista. Kemisti Davis aloitti ensimmäisenä auringon neutriinojen mittaamisen 60-luvun lopulla, mutta näki niitä liian vähän. Tulokset olivat arvoitus aina vuosituhannen vaihteeseen saakka. Koshiba johti KamiokaNDE-koetta, joka näki supernovasta 1987A tulevia neutriinoja sekä osoitti ns. neutriinooskillaation eli neutriinojen värähtelemisen kahden lajin välillä mittaamalla ilmakehässä syntyviä neutriinoja. (Nobel säätiön sivuilta) Neutriinofysiikaan liittyvät Nobelin palkinnot 1945 Neutriinon olemassaoloa esittänyt Wolfgang Pauli ( ) palkittiin fysiikan Nobelilla, tosin palkinnon perustelut liittyivät hänen ansioihinsa kvanttimekaniikan kehittämisessä Hans Bethe ( ) palkittiin auringon energiantuotannon selvittämisestä, mikä myös ennusti auringon neutriinosäteilyn, vaikka sitä ei palkinnon perusteluissa erityisesti korostettu. Bethe toimi aktiivisesti neutriinofysiikassa vielä yli 90-vuotiaana ja vaikutti muun muassa auringon ja supernovan neutriinoja mittaaviin kokeisiin ja tulosten tulkintaan palkittiin Leon Lederman (1922), Melvin Schwartz ( ) ja Jack Steinberger (1923) löydöstä, että neutriinoja on kahta eri lajia. Myöhemmin löydettiin kolmas laji, mistä ei ole annettu Nobelia Frederic Reines ( ) sai palkinnon neutriinon löytämisestä, mikä tapahtui jo 50-luvulla. Hän jakoi palkinnon Martin Perlin (1927) kanssa, jonka löydöt viittasivat kolmannen neutriinolajin olemassaoloon Raymond Davis ( ) ja Masatoshi Koshiba (1926) saivat Nobelin maanalaisista neutriinokokeista. Davis on kaikkein vanhimpana (88) oikean Nobelin palkinnon saanut henkilö. Näiden lisäksi on palkittu niin laitteistojen keksijöitä ja kehittäjiä kuin teoreetikkojakin, joiden töillä on ollut suuri merkitys neutriinofysiikalle. Muutamia palkinnon ansaitsevia on jäänyt palkitsematta heidän kuoltuaan sitä ennen. Maanalainen fysiikka 12

13 Aineen pysyvyys suuret yhtenäisteoriat Protonia pidetään yleensä ikuisesti pysyvänä. Suuret yhtenäisteoriat, eli teoriat jotka pyrkivät selittämään kaikki hiukkasfysiikan vuorovaikutukset (perusvoimat) yhden teorian avulla ennustavat kuitenkin, että protoni lopulta hajoaisi välivaiheiden jälkeen pelkäksi säteilyksi. Protonin hajoamista tutkitaan hyvin suurilla laitteilla, mutta vielä siitä ei ole löydetty merkkiäkään. Kosmologia pimeän aineen metsästys Maan alla on etsitty maailmankaikkeuden pimeää ainetta. Tämänhetkisen käsityksen mukaan 20 % maailmankaikeuden massasta koostuu näkymättömästä heikosti vuorovaikuttavasta aineesta, jota kutsutaan pimeäksi aineeksi. Todennäköisesti pimeä aine on toistaiseksi tuntemattomia alkeishiukkasia, ehkä niin sanottuja neutraliinoja. Näitä on etsitty usealla kokeella, ja yhtä kiistanalaista koetta lukuunottamatta kokeet eivät ole nähneet signaaleja pimeästä aineesta. Muut tieteet ja sovellukset Luonnollisesti maan alla tutkitaan itse maaperää ja siihen liittyviä geofysikaalisia ilmiöitä. Tälläistä tutkimusta on tehty paljon myös Suomessa, esimerkiksi Outokummun syväreiästä. Fysiikan ohella maanalaisissa laboratorioissa voidaan tutkia myös muiden tieteiden alueelle kuuluvia ilmiöitä, kuten biologisia prosesseja säteilysuojatussa ympäristössä. Joissain tutkimuksissa havaittiin vaarallisia geenivaurioita säteilysuojatussa ympäristössä enemmän kuin normaalisti. Yksi selitys oli, että solujen itsekorjausmekanismit surkastuisivat harjoituksen puutteessa. 2.4 Maanalaiset laboratoriot maailmalla Tällä hetkellä muualla Euroopassa on toiminnassa viisi syvää maanalaista tutkimuskeskusta: Gran Sasso Italiassa, Boulby Englannissa, Canfranc Espanjassa, Modane Ranskassa ja Baksan Venäjän Kaukasuksella. Euroopan ulkopuolella merkittävimmät laboratoriot ovat SNOLAB Kanadassa ja Kamioka Japanissa. Yhdysvallat ovat juuri valinneet oman kansallisen laboratorionsa sijaintipaikaksi Pohjois-Dakotassa olevan Homestaken hylätyn kultakaivoksen. Maailman toimivat ja suunnitellut maanalaiset laboratoriot. Maanalainen fysiikka 13

14 Paine uusien tutkimuslaboratorioiden perustamiseen kasvaa, sillä tutkijoilla ja tutkimusryhmillä on vireillä yhä suurempia koe-ehdotuksia. Uudet kokeet eivät mahdu olemassa oleviin tiloihin, jotka on varattu täyteen vuosikymmeneksi eteenpäin. Mahdollisuudet olemassaolevien tutkimuskeskusten laajentamiseen ovat rajalliset. Lisäksi uusilla kokeilla on kokonaan omat vaatimuksensa tilojen ja sijainnin suhteen. Japani: Kamioka Japanissa on oma laboratorio Kamiokan kaivoksessa vuoristoalueella. Siellä on toiminut kolme erittäin merkittävää tieteellistä koetta: 1. KamiokaNDE rakennettiin 80-luvulla protonin hajoamista etsimään, muttei sitä koskaan havainnut. Sen sijaan se näki ilmakehässä syntyneitä neutriinoja, auringon neutriinoja sekä supernovan 1987A neutriinoja. Kokeen tuloksista myönnettiin vuoden 2002 Nobelin palkinto Masatoshi Koshiballe. 2. Super-Kamiokande on suurin maanalainen koe. Se sisältää kuutiometriä vettä. Sen tuloksilla varmistettiin ratkaisu ilmakehän neutriinojen ongelmaan, ja se tuotti paljon tarkkuusmittauksia auringon neutriinoista. 3. KamLAND rakennettiin Kamiokande-kokeen tilalle sen lopetettua toimintansa. KamLAND on mitannut läheisistä ydinvoimaloista tulevia neutriinoja. Tulokset vahvistavat ennusteen, että neutriinoja havaitaan vähemmän kuin niitä tuotetaan. Super-Kamiokande koe. Koe mittaa auringosta tulevia neutriinoja sekä kosmisten säteiden törmäyksissä ilmakehässä syntyviä neutriinoja. Kokeessa on kuutiometriä vettä säiliössä, jonka seinällä on valtava määrä valomonistinputkia. Koe on noin kilometrin syvyydessä Kamiokan metallikaivoksessa Japanissa. (SK web-sivuilta) Maanalainen fysiikka 14

15 Kanada ja USA Kanadaan Sudburyyn INCO-yhtiön Creightonin kaivokseen on juuri rakennettu uusi laboratorio, SNOLAB. Aiemmin samassa kaivoksessa toimi maineikas SNO-koe, joka mittasi auringon neutriinoja. Tulokset olivat ratkaisevia ongelman ratkaisemiseksi. Yhdysvalloissa on toiminut useita maanalaisia laboratorioita. Homestakessa Etelä-Dakotassa aloitettiin maailman ensimmäinen auringon neutriinoja mittaava koe jo 60-luvun lopuilla. Tulokset olivat yllätyksellisiä, ja kesti kolme vuosikymmentä, ennen kuin ongelma lopulta ratkaistiin. Kokeen johtaja Ray Davis palkittiin Nobelilla IMB (Irvine-Michigan-Brookhaven, osallistuvien yliopistojen mukaan), koe (Cleveland, Ohio) etsi protonin hajoamista 80-luvulla, mutta näki supernovan neutriinoja Soudanin lakkautetussa rautakaivoksessa (Minnesota) toimii ilmakehän neutriinoja mittaava Soudan-koe sekä neutriino-oskillaatiokokeen kohtioasema MINOS. Kanadassa Sudburyssä toimi auringon neutriinoja mittaava SNO-koe. Kokeessa käytettiin kohtiona raskasta vettä. Tulokset ratkaisivat tutkijoita pari vuosikymmentä askarruttaneen auringon neutriinojen arvoituksen: neutriinot muuttuvat auringon sisällä toiseen lajiin, jota ei muissa mittalaitteissa havaita. Kuvassa on kokeen vedenpuhdistuslaitteistoja. (JP) Amerikkalaiset suunnittelevat uutta suurta laboratoriotaan (DUSEL1 = Deep Underground Science and Engineering Laboratory). Sen sijaintipaikaksi on valittu Homestake Etelä-Dakotassa, ja se nimettiin Sanford-laboratorioksi paikallisen mesenaatin mukaan. Gran Sasso Maailman suurin maanalainen laboratorio on Italian Gran Sasso. Se on rakennettu Roomasta itään päin johtavan moottoritien tunneliin 1980-luvulla. Laboratoriossa on kolme isoa koehallia, pituudeltaan 100 metriä ja leveydeltään 20 metriä, sekä joitain pienempiä tiloja. 1 Maanalainen fysiikka 15

16 Laboratoriolle on rakennettu upeat maanpäälliset tilat. Niissä on tutkijoiden työtilojen, laajojen laboratoriotilojen ja työpajojen lisäksi myös kirjasto sekä konferenssikeskus. Gran Sasson laboratoriossa työskentelee vakituisesti yli sata tutkijaa ja teknistä tai hallinnollista henkilöä. Kokeisiin osallistuu noin 750 tutkijaa. Laboratoriossa on tällä hetkellä käynnissä tai rakenteilla 16 tieteellistä koetta. Aiemmin on toteutettu 9 koetta, ja 8 koe-ehdotusta on käsiteltävänä. Tärkeimmät Gran Sassossa toteutetut kokeet ovat: MACRO koe tutki kosmisia säteitä ja etsi magneettisia monopoleja, niitä koskaan löytämättä GALLEX mittasi matalaenergisia auringon neutriinoja. Tuloksilla oli erittäin suuri merkitys ratkaisun löytämiseksi. DAMA etsi merkkejä pimeän aineen olemuksesta, ja löysikin. Tulokset ovat vielä hyvin kiistanalaisia, eikä niitä ole vahvistettu muissa kokeissa. Heidelberg-Moskova kaksoisbeetakoe havaitsi merkkejä neutriinon massasta. Tulokset ovat vieläkin kiistanalaisempia, niin tieteellisesti kuin henkilökohtaisesti. Laboratorio on jatkuvasti täynnä ja uusia kokeita on jonossa. Gran Sasson laboratoriolla on sijaintinsa puolesta ollut ongelmia sekä turvallisuus- että ympäristökysymyksissä. Vuori on vettä läpäisevää kalkkikiveä ja lähiseutujen kylät ja kaupungit ottavat juomavetensä suoraan vuoresta läheltä laboratoriota. Huoli juomaveden puhtaudesta on aiheuttanut asukkaiden ja laboratorion välille vastakkainasetteluja, joita laboratorion huolimattomuudet ovat vain kärjistäneet. Ympäristöongelmien ratkaisemiseksi laboratoriota on korjattu viime vuosina yli 50 miljoonalla eurolla. Gran Sasson maanalainen laboratorio Italiassa on rakennettu Apenniinien alle moottoritietunneliin. Laboratoriossa on kolme koehallia ja pienempiä tunneleita. Laboratorion laajennukselle myönnettiin rahoitus jo viime vuosikymmenellä. Nyt nämä suunnitelmat on haudattu ja laboratorio tavoittelee edes oman yhteystunnelin rakentamista, joka olisi välttämätöntä jo turvallisuussyistä. Uusin ajatus on rakentaa uusi sivulaboratorio muutaman kilometrin päähän. Se olisi varsin matalalla ja kooltaan nykyisiä luolia vastaava siten se sopisi vain tietyille spesifeille neutriino-oskillaatiokokeille. Maanalainen fysiikka 16

17 Ranskan Frejus'n laboratorion mittalaitteita. Näillä mitataan äärimmäisen pieniä säteilypitoisuuksia. Frejus Ranskalaisten laboratorio sijaitsee Alpeilla Frejus'n tunnelissa Ranskan ja Italian rajalla. Laboratorio rakennettiin jo 70-luvulla protonin hajoamista tutkivaa koetta varten, ja se oli välillä tyhjillään, mutta nousi 90-luvulla uuteen kukoistukseen NEMO-kaksoisbeetakokeen sekä pimeää ainetta etsivän EDELWEISS-kokeen myötä. Laboratoriossa on myös patteristo äärimmäisen herkkiä säteilymittareita, joilla voidaan mitata eri aineiden ja esineiden pieniä säteilypitoisuuksia. Niitä on käytetty muun muassa geologisten näytteiden tutkimiseen sekä ydinkokeiden laskeumien mittaamiseen. Eniten julkisuutta yleisessä mediassa laboratorio on kuitenkin saanut mitattuaan viinien ikää, tarkoituksenaan etsiä tuoteväärennöksiä. Useimmat maanalaiset laboratoriot sijaitsevat maantietunneleissa. Kuvassa on Frejus'n tunnelin suuaukko. Tunnelin keskellä on Modanen maanalainen laboratorio. Kesäkuussa 2006 tunnelissa oli tulipalo laboratorion lähellä. Laboratorio säilyi vahingoittumattomana, mutta tunneli kärsi pahoja vaurioita. (Frejus) Laboratoriossa työskentelee vakituisesti vajaat kymmenen henkeä. Kokeisiin osalistuu kymmeniä tutkijoita eri yliopistoista. Laboratorio on kahden keskusviraston, CEA:n ja CNRS:n yhteisessä hallinnossa, ja sen johtaja toimii Bordeaux'sta käsin. Maanalainen fysiikka 17

18 Vanhan laboratorion viereen suunnitellaan uusia laboratoriotiloja. Ensimmäisessä vaiheessa rakennettaneen uusi erittäin matalataustainen laboratorio säteilymittauksia ja pimeän aineen kokeita varten sekä suurempi tila Super-NEMO kaksoisbeetakoetta varten. Uusien tilojen rakentamiseen voidaan päästä vasta vuonna 2012, kun uusi turvatunneli valmistuu. Ilmeisesti edes kalliotutkimuksia ei voida tehdä ennen tätä. Frejus'n maanalainen laboratorio on saanut suurta julkisuutta tutkittuaan viinien ikää niiden säteilypitoisuuksien perusteella. Alkusysäyksen tutkimuksille antoi havainto, että joku toi markkinoille runsaasti vuosikertaviinejä 1900-luvun alusta. Näiden alkuperästä syntyi epäilyjä, ja laboratoriossa tehdyt tutkimukset osoittivat, että pullot sisälsivät radioaktiivista cesiumia, jota esiintyy vain ydinkokeiden seurauksena. Väärentäjä joutui vankilaan. Boulby Englantilaiset ovat rakentaneet maanalaisen laboratorion Boulbyn suolakaivokseen noin 1100 metrin syvyydelle. Pohjanmeren rannalla sijaitseva Cleveland Potash -yhtiön kaivos tuottaa lähinnä potaskaa. Laboratorio toimii kaivoksen ehdoilla kaivostoiminan jatkuessa vielä hamaan tulevaisuuteen. Laboratorioon laskeudutaan kaivoksen henkilöhissillä ja sinne tulee kulkea kaivoksen tilojen läpi. Pääsy edellyttää kaivoksen turvallisuusohjeiden noudattamista, mihin sisältyy turvallisuuskoulutus ja turvallisuusvälineiden käyttö. Boulbyn laboraroriossa on käynnissä useita pimeää ainetta etsiviä kokeita. Nämä kokeet vaativat ympäristöltään erittäin matalaa radioaktiivisuutta. Paikka soveltuu näihin mittauksiin erinomaisesti suolakiven matalan radioaktiivisuuden vuoksi. Suolaan voidaan louhia uusia tiloja hyvin nopeasti suhteellisen edullisesti. Kovin suuria tiloja ei suolaan voi rakentaa, koska se on hyvin elävää ja pehmeää materiaalia. Tulevaisuuden mahdollisuutena on rakentaa tiloja syvemmältä löytyvään kovempaan kiveen (polyhaliittiin). Tutkimuksen tästä ovat meneillään. Maanalainen fysiikka 18

19 Canfranc Espanjaan Canfrancissa on toiminut pieni laboratorio jo 90-luvulta alkaen. Se on rakennettu Pyreneiden vuoriston läpi kulkevaan vanhaan käyttämättömään rautatietunneliin. Siellä mitattiin eräiden atomiydinten harvinaisimpia radioaktiivisia hajoamismuotoja. Canfranciin valmistui vuonna 2005 kokonaan uusi maanalainen laboratorio entisen viereen. Laboratorio on vielä tyhjillään, koska se sortui pian aloittamisen jälkeen rakennustöissä tehtyjen vakavien virheiden vuoksi. Tällä hetkellä laboratoriota korjataan, ja se avattaneen uudelleen viimeistään Laajennussuunnitelmia ei ole, koska tilat ovat nykyisellään aika optimit tarkoitukseensa. Kivi ei ole kovin hyvää, ja ilmeisesti suurempien tilojen louhimien on aika haasteellista. Kaukasus-vuoristossa olevaan Baksanin laboratorioon mennään pienellä junalla. Kuvassa tutkijat odottavat sisäänkäynnin edessä laboratorioon menevän junan lähtöä. (JP) Baksan Neuvostoliitto rakensi oman maanalaisen laboratorion Baksaniin Kaukasus-vuorille KabardiBalkarian tasavaltaan 80-luvulla. Se on ensimmäinen ja toistaiseksi ainoa laboratorio, joka on rakennettu varta vasten rakennettuun luolaan eikä kaivokseen tai tietunneliin. Laboratorio sijaitsee logistisesti vaikeassa paikassa, ja se on vain parin sadan kilometrin päässä Tsetseniasta, mikä vaikuttaa poliittisestikin riskialtiilta. Laboratoriossa on toiminut muun muassa auringon neutriinoja havainnoinut SAGE koe sekä kosmisia säteitä tutkiva BUST-koe, joka näki myös supernovan neutriinoja. Rakentamiseen liittyy hauska anekdootti. Suunnittelijoilla ja rakentajilla oli käytössään erilaiset kartat, koska Neuvostoliiton aikana siviilikartoissa oli tarkoituksellisia virheitä. Siksi laboratorio rakennettiin erehdyksessä vähän sivuun tarkoitetusta kohdasta. Virhe huomattiin, kun tunneli oli rakennettu, ja siihen tehtiin mutka. Maanalainen fysiikka 19

20 Muut eurooppalaiset laboratoriot Näiden lisäksi erilaisia ajatuksia ja suunnitelmia maanalaisesta laboratoriosta on ollut ainakin Puolassa (SUNLAB), Romaniassa (Slanic) ja Ukrainassa (Solotvina), joissa on jo toteutettu joitain kokeita ja mittauksia. Nämä ovat kaikki suolakaivoksia. 2.5 Eurooppalainen yhteistyö Eurooppalaista yhteistyötä maanalaisen fysiikan tutkimuksessa tehdään ILIAS-(Intergrated Large Infrastructures for Astroparticle Science) yhteistyöverkoston puitteissa. ILIAS 1 on erittäin suuri eurooppalainen konsortio, joka on saanut EU:n kuudennesta puiteohjelmasta (Valmiudet infrastruktuurit I3) noin 8 miljoonan euron rahoituksen. Jyväskylän yliopisto on ollut täysjäsen alusta saakka, ja CUPP-hanke tuli mukaan liitännäisjäseneksi vuonna 2005 ja on siitä asti osallistunut aktiivisesti sen toimintaan. ILIAS-konsortion tärkeimmät (meidän kannalta) osat ovat: N2-verkosto: maanalaisten laboratorioiden yhteistyöverkosto. Se sisältää kolme työryhmää, joissa käsitellään tieteellistä yhteistyötä, turvallisuuskysymyksiä sekä tiedotusta. CUPP-hanke on liitännäisjäsenenä. N4-verkosto: kaksoisbeetakokeet. Jyväskylän yliopisto on mukana sopijana. N6-verkosto: teoreettinen astrohiukkasfysiikka. JRA1: Yhteinen tutkimustoiminta, jossa tutkitaan matalan taustan teknologiaa, selvitetään taustasäteilyä ja kehitetään matalan taustan laitteita. CUPP on juuri liittynyt liitännäisjäseneksi. JRA2: Kaksoisbeetahajoamiskokeiden kehittäminen. Jyväskylän yliopisto on mukana. ILIAS-verkoston puitteissa on suunniteltu yhteistä, eurooppalaista maanalaisen fysiikan strategiaa. Siinä kartoitetaan ja päivitetään jatkuvasti uusien koe-ehdotusten tarpeet ja toiveet sekä etsitään niille yhdessä optimaalisin sijoituspaikka. Työ tehdään yhteistyössä eurooppalaisten rahoittajatahojen kanssa. ILIAS-hankkeelle haetaan jatkoa seitsemännestä puiteohjelmasa. Hankkeen rakenne on uudistettu, ja sille haetaan noin 9 MEUR rahoitusta. Hakuaika päättyy ja päätöksiä tehdään vuoden 2008 loppuun mennessä. Suomi on siinä mukana. Suurimpien eurooppalaisten maiden rahoitusorganisaatiot ovat perustaneet yhteistyöorganisaation ApPEC (Astroparticle Physics European Coordination)2. Perustajajäseniä ovat Saksa, Ranska, Britannia, Italia, Espanja ja Alankomaat. Myöhemmin siihen ovat liittyneet ainakin Belgia, Sveitsi ja Kreikka, ilmeisesti muitakin. Hieman laajemmalta pohjalta on muodostettu ASPERA-verkosto3 (AStroParticle ERA-net), joka on EU:n kuudennen puiteohjelman ERA-NET-hanke. Sen jäseniä ovat useimpien EUmaiden rahoittajaorganisaatiot sekä CERN ja ESA. Suomi ei ole vielä liittynyt jäseneksi kumpaankaan, vaikka se on kutsutttu mukaan. Neuvotteluja käydään edelleen. Suurimpana ongelmana on sopivan jäsenorganisaation puute, koska Suomessa ei ole keskitettyjä valtakunnallisia tutkimusorganisaatioita Maanalainen fysiikka 20

21 ASPERA-verkoston jäsenmaat. Suomi ja eräät muut maat puuttuvat, koska niillä ei ole sopivaa osallistujaksi kelpaavaa kansallista organisaatiota. 2.6 Vakiintuneen maanalaisen laboratorion tunnusmerkit Kansainvälisissä yhteistyöelimissä on tullut tarpeen määritellä maanalaisen laboratorion olemus. Mikä tahansa reikä vuoressa ei vielä ansaitse laboratorion nimeä. On ehdotettu, että maanalaiset laboratoriot ja sellaiseksi aikovat jaetaan kolmeen kategoriaan: 1. vakiintuneet laboratoriot 2. kehittyvät laboratoriot 3. potentiaaliset laboratoriot Vakiintuneen laboratorion tunnusmerkeiksi on esitetty: 1. Kansainvälisen tieteellisen komitean arvioima tieteellinen ohjelma, johon sisältyy ainakin yksi merkittävä tieteellinen koe. 2. Laboratoriossa työskentelee ainakin kaksi päätoimista henkilöä. 3. Riittävät turvallisuusjärjestelyt ja hyväksytyt turvallisuusmääräykset 4. Laboratoriolle myönnetään kansallista erillisrahoitusta instituuttina 5. Mahdollisuus ottaa vastaan tutkijoita tai tutkimusryhmiä tekemään tutkimusta (Erityisesti EU:n transkansallisen ohjelman mukaisesti) Näitä vaatimuksia ei kuitenkaan ole vielä virallisesti hyväksytty missään elimessä. Suomen Pyhäsalmen kaivoksessa oleva laboratorio täyttää neljä ehtoa viidestä. Ehto 4 ei täyty, koska laboratorio toimii edelleen erillisillä projektirahoituksilla ilman muodollista statusta. Maanalainen fysiikka 21

22 Kun kosmiset säteet - suurienergiset protonit tai ytimet - törmäävät ilmakehään, ne aiheuttavat ryöpyn sekundäärisäteilyä, niin sanotun ilmakuuron. Ilmakuuro voi sisältää kaikkia tunnettuja hiukkasia, joista tärkeimpiä ovat elektronit ja myonit. Maan pinnalla sekundäärisäteily häiritsee monia mittauksia, ja sitä vastaan suojaudutaan menemällä maan alle. Suurienergiset myonit voivat kuitenkin tunkeutua kiven sisään, ja niiltä suojautuminen vaatii satojen metrien syvyyttä. (IMB) Maanalainen fysiikka 22

23 3 Maanalainen fysiikka Suomessa vuosina Hallinto ja rahoitus Käynnistyminen Hankkeen käynnistymiseen vaikutti ratkaisevasti Pyhäjärven (aiemmin Pyhäsalmen) kaupungin ja sen silloisen kaupunginjohtajan Pasi Vallivaaran aktiivisuus. Ideointiin osallistuivat ilmeisesti ainakin kaupunginhallituksen jäsenet Jukka Tikanmäki ja Seppo Lähteenmäki sekä useat kaivoksen edustajat. Tieteellisiä neuvoja antoivat muun muassa professorit Juha Äystö, Jukka Maalampi, Matts Roos, Risto Orava ja muutamat ulkomaiset tutkijat, joista mainittakoon (tieteellisen neuvottelukunnan jäsenten ja muoden myöhemmin mainittavien lisäksi) ainakin professori Lothar Oberauer (München). Vuosina toteutettiin kaksi rakennerahastorahoitteista esiselvityshanketta Pyhäjärven kaupungin toimesta. Selvitysmiehinä olivat muun muassa DI Mikko Nuutinen, FT Matti Vallinkoski ja kaupunginjohtaja. Tavoiteohjelmahankkeet Maanalaisen fysiikan tutkimuskeskusta on valmisteltu Oulun yliopistossa viidessä eri rakennerahastohankkeessa. Oulun ottaessa vastuun toiminnasta ensimmäisenä projektipäällikkönä toimi FT Matti Vallinkoski ja vastuullisena johtajana ja ohjausryhmän puheenjohtajana professori Jorma Kangas vuoteen 2001 asti. Tämän jälkeen hanke siirtyi Oulun Eteläisen instituutin alle, ja vastuulliseksi johtajaksi määrättiin instituutin johtaja Eelis Kokko. Ohjausryhmän puheenjohtajina toimivat Lauri Lajunen, Esko Suhonen, Tero Nissinen ja Jukka Tikanmäki. Hankkeet ovat saaneet rahoitusta EU:n aluekehitysrahastosta ja opetusministeriöltä sekä Pyhäjärven kaupungilta ja Nivala-Haapajärven seutukunnalta. Lisäksi seuraavat yritykset ovat osallistuneet hankkeeseen antamalla rahoitusta taikka tarjoten asiantuntemusta, työpanosta tai muita luontaissuorituksia: Detection Technology Ltd, SR-instruments oy, Stonello Oy/Espotel Oy, Outokumpu Oy, Pyhäsalmi Mine Oy. Hankkeet ovat jaksottuneet rahoituskausien mukaan seuraavasti: Hanke KSM CUPP-1 CUPP-2, ESR CUPP-2, EAKR CUPP-3 CUPP-4 KSMR YHTEENSÄ Kausi Kokonaisbudjetti Hallinnoiva organisaatio Pyhäjärven kaupunki Fysikaalisten tieteiden laitos Sodankylän geofysiikan observatorio Sodankylän geofysiikan observatorio Oulun Eteläisen instituutti Oulun Eteläisen instituutti Oulun Eteläisen instituutti Vuosina hankkeessa on työskennellyt yli 30 tutkijaa tai tutkimusapulaista. Näiden joukossa on kaksi ulkomaalaista professoria Linkai Ding ja Changquan Shen sekä Suomessa jo pitempään asunut FT Elena Kozlovskaya. Suomalaisia tohtoreita on ollut palkattuna tutkijoiksi Petteri Keränen sekä Pasi Kuusiniemi Suomen Akatemian rahoituksella. Hankkeiden työntekijöistä naisia on ollut kymmenen. Aluksi kaikki hankkeen työntekijät toimivat Oulusta käsin. Toiminnan painopiste on siirtynyt pikkuhiljaa Pyhäjärvelle vuodesta 2002 alkaen, kun sinne palkattiin laboratoriopäälliköksi FT Timo Enqvist. Hankkeen tutkimuksiin on osallistunut yli 10 henkeä Oulun yliopiston muiden yksiköiden palkkaamana. Lisäksi useat Turun, Jyväskylän ja Helsingin yliopistojen tutkijat ovat osallistuneet tutkimusyhteistyöhön. Seitsemän ulkomaisen tutkimuslaitoksen tutkijaa on ollut konkreettisesti Maanalainen fysiikka Suomessa vuosina

24 mukana maanalaisissa kokeissa ja mittauksissa. Tulevien kokeiden suunnitteluun on lisäksi osallistunut lukuisia ulkomaisia tutkijoita. Vuonna 2001 allekirjoitettiin aiesopimus kansallisesta yhteistyöstä. Sopimuksen allekirjoittajina olivat Oulun, Helsingin, Jyväskylän ja Turun yliopistojen fysiikan laitokset, Teknillisen korkeakoulun kalliotekniikan laboratorio ja geologian tutkimuskeskus. Vuonna 2002 nimettiin CUPP-hankkeelle huippuasiantuntijoista koostuva kansainvälinen tieteellinen neuvottelukunta (SAB) valvomaan hankkeen tieteellistä tasoa. Ensimmäisen neuvottelukunnan puheenjohtajana toimi professori Dan-Olof Riska (HIP, Helsinki), ja jäseninä professorit Piero Monacelli, Jean-Pierre Revol, David Sinclair, Alexei Smirnov ja Franz von Feilitzsch. Se kokoontui kolme kertaa. Toisen neuvottelukunnan puheenjohtajana toimi professori Juha Äystö Jyväskylän yliopistosta. Jäseninä toimivat professorit Alessandro Bettini (Padovan yliopisto, Gran Sasson maanalaisen laboratorion entinen johtaja), Leonid Bezrukov (Venäjän tiedeakatemian ydintutkimuslaitoksen varajohtaja, Moskova), Friedrich Dydak (CERN, entinen tutkimusjohtaja), Karl-Heinz Kampert (Wuppertalin yliopisto, toiminut aiemmin merkittävimmän Euroopassa toimivan kosmisten säteiden kokeen, Kascaden, puhemiehenä), David Sinclair (Ottawa, SNOLABin johtaja) sekä Franz von Feilitzsch (Münchenin teknillinen yliopisto, mm. ILIAS-valtuuston puheenjohtaja, LENA-kollaboraation puhemies). Kaikki jäsenet ovat kansainvälisesti erittäin arvostettuja ja hyvin merkittävässä asemassa olevia tutkijoita. Tieteellinen neuvottelukunta on kokoontunut Suomessa vuosittain, CUPP-4-hankkeen aikana kaksi kertaa. Se on antanut raporteissaan hyödyllisiä suosituksia hankkeen tieteellisen toiminnan kehittämiseksi. Viimeisin raportti elokuulta 2006 suositti hyvin vahvasti etenemään nopeasti ja määrätietoisesti EMMA-kokeen toteuttamiseksi. Raportit ovat saatavilla hankkeen toimistosta. Muu maanalaisen fysiikan tutkimusrahoitus Tutkimusrahoitusta on saatu Suomen Akatemialta, useilta säätiöiltä sekä EU:n puiteohjelmista kansainvälisten yhteistyöhankkeiden myötä. Turun ja Jyväskylän yliopistot ovat tukeneet hanketta antamalla sen käyttöön henkilöresursseja ja tutkimuslaitteita. Neuvostoliitolta jääneen velan konversiolla hankitaan Venäjältä miljoonan dollarin arvosta mittalaitteita vuosina Toimintaan on lisäksi saatu yksittäisiä matka-apurahoja kansallisista ja kansainvälisistä lähteistä. Ulkopuolisella rahoituksella on ollut tärkeä rooli mahdollistamassa toimintaa, jota ei EAKRrahoituksella voi toteuttaa. Yritysyhteistyö Yhteistyötä on tehty useiden kotimaisten yritysten kanssa. Niistä mainittakoon Outokumpu Oy, Pyhäsalmi Mine Oy/Inmet Mining Corporation, Stonello Software Oy/ Espotel Oy, Detection Technology Oy, SR-electronics Oy, Kalliosuunnittelu Oy Rockplan Ltd, Arkture Oy, Instakon Oy, Gridpoint Oy, TransKuosmanen Oy, Nihak Oy ja Pyhäjärven Kehitys Oy. Pyhäjärvellä CUPP-hanke on toiminut yhteistyössä pienkaivostoimintaa ja kivialaa kehittävän Geopolis-hankkeen kanssa muun muassa ohjausryhmätyöskentelyn kautta, samoin sitä edeltävässä Pyhätekno-hankkeen kanssa. Maanalainen fysiikka Suomessa vuosina

25 Pyhäjärven kaupunki sijaitsee Oulun ja Jyväskylän puolivälissä lähellä Suomen keskipistettä. (Pyhäjärven kaupunki) Esisuunnitelma mahdollisten uusien laboratoriotilojen rakentamiseksi valmistui vuonna Tehtävänä oli selvittää uusien maanalaisten tilojen rakentamismahdollisuudet, etsiä tiloille sopivin sijoituspaikka sekä arvioida rakentamiskustannukset. Selvityksen toteutti Kalliosuunnittelu Oy Rockplan Ltd alihankkijoineen (Gridpoint Oy, Arkture Oy, Instakon Oy). Isojenkaan laboratoriotilojen rakentamiselle nykyisen kaivoksen yhteyteen ei todettu olevan kallion ominaisuuksien puolesta teknisiä esteitä. Laboratorioiden rakentamisen ja toiminnan kaivokselle mahdollisesti aiheuttamista vaaroista ja riskeistä on valmistettu vuonna 2003 laaja turvallisuusanalyysi. Tekijänä oli saksalainen DMT Gmbh. Turvallisuusanalyysi ei tuonut esiin merkittäviä, ennalta arvaamattomia riskitekijöitä. Raportissa todettiin, että noudatettaessa turvamääräyksiä kaikki suunnitteilla olevat kokeet ovat turvallisia. Maanalainen fysiikka Suomessa vuosina

26 Tutkimuskeskuksen omana työnä on valmistettu kaivosyhtiön hyväksymät turvallisuusanalyysit EMMA- ja MUD-kokeille. Tiedotus Tutkimuskeskuksen toiminnasta on tiedotettu tiedeyhteisölle useissa konferensseissa ja kokouksissa ja kirjallisten raporttien muodossa. Suurelle yleisölle on tiedotettu sekä valtakunnallisissa että paikallisissa tiedotusvälineissä. Joulukuussa 2005 esitettiin TV1:ssä ja YLE Teema-ohjelmassa viisi kertaa Tutkittu juttu -sarjassa toimittaja Paul Segersvärdin tekemä televisio-ohjelma Myoneja maan alla, jossa käsiteltiin havainnollisesti maanalaisen fysiikan tutkimusta 28 minuutin ajan. Ohjelman ensilähetys analogisessa verkossa saavutti katsojaa (PS ). Keväällä 2005 pidettiin Pyhäjärvellä yleisölle avoin Kerttu Saalasti -seminaari. 3.2 Opetustyö Yliopistollinen opetus ja tutkijankoulutus Tutkijankoulutus on välttämätön osa uuden tutkimuskeskuksen perustamista. Oulun yliopiston fysikaalisten tieteiden laitoksella on pidetty kurssit Johdatus hiukkasfysiikkaan, Neutriinofysiikka ja Kosmiset säteet. Hankkeen tutkijat ovat lisäksi antaneet vapaa-aikanaan ohjausta ja opetusta opiskelijoille. Hankkeen piiristä on valmistunut vuoden 2007 loppuun mennessä Oulun ja Jyväskylän yliopistoihin yhteensä kymmenen pro gradu -työtä. Vuonna 2008 arvioidaan valmistuvan ainakin neljä maisteria. Useat valmistuneista opiskelijoista ovat kirjoittautuneet jatko-opiskelijoiksi ja tähtäävät tutkijan uralle. Hankkeen piirissä on luotu vahva teoreettisen ja käytännöllisen maanalaisen fysiikan osaamispohja. Toiminnan kannalta on merkittävä ongelma, että EU-tavoiteohjelmarahoitusehtojen mukaisesti hankkeen tutkijat eivät voi antaa virkatyönään opetusta. Hankkeen työntekijät eivät voi työaikanaan osallistua edes tutkijankoulutukseen. Hankkeen piirissä toimivat tutkijakoulutettavat ovatkin suorittaneet tutkimus- ja opinnäytetyönsä työajan ulkopuolella. Tämä on tehty mahdolliseksi osa-aikaisen työn avulla. Ammattikorkeakoulut ja ammattiaste Useiden ammattikorkeakoulujen ja ammatillisen toisen asteen opiskelijat ovat osallistuneet CUPP-hankkeen toimintaan työharjoittelun muodossa. Harjoittelu on rahoitettu oppilaitoksen toimesta tai säätiöiden apurahoilla. Erityisesti Oulun seudun (Raahen yksikkö), Kajaanin, Vaasan ja Kuopion (kouluprojekti) ammattikorkeakoulut ja ammattioppilaitoksista Pohjois-Pohjanmaan ammattioppilaitos ja Kalajokilaakson ammattioppilaitoksen Pyhäjärven toimipiste ovat osallistuneet yhteistyöhön. Kosmisten säteiden kouluprojekti Maanalaisen fysiikan tutkijat ovat osallistuneet kansalliseen hankkeeseen, jonka tavoitteena on tehdä tieteellinen tutkimus tutuksi koululaisille (ASDA kosmisten säteiden mittausverkosto lukioille). Tavoitteena on rakentaa yksinkertaisia laitteita kosmisten säteiden havaitsemiseksi ja tehdä todellinen tieteen tekeminen tutuksi koululaisille sijoittamalla kouluihin oikeita tieteellisiä mittalaitteita, joita oppilaat käyttäisivät opettajien johdolla. Laitteet sijoitetaan lähinnä lukioihin, mutta myöhemmin myös muut koulut voivat tulla mukaan toimintaan. Yliopistot koordinoivat hankkeen tieteellistä toimintaa. Ammattikorkeakoulut puolestaan osallistuvat laitesuunnitteluun. Tavoitteena on koko maan kattava verkosto. Vastaavia kouluprojekteja on maailmalla useita. Erityisesti Yhdysvalloissa kokemukset ovat hyvin rohkaisevia: sekä oppilaat että opettajat ovat hyvin innostuneita hankkeesta. Euroopassa Maanalainen fysiikka Suomessa vuosina

27 Hollanti ja Puola ovat hankkeissaan pisimmällä. Käytännön tutkimustyö edistää yhteistyötä ja positiivista ilmapiiriä auttaen näin myös muiden aineiden opetusta. Suomi oli mukana perustamassa muiden Euroopan maiden vastaavien kouluprojektien kanssa yhteistä EuroCosmic -verkostoa. Sen tavoitteena on luoda hankkeille laitekehitykseen ja hankintoihin keskittyvä yhteistyöorganisaatio sekä hakea toimintaan rahoitusta Euroopan Unionin ohjelmista. Tällainen toiminta integroituisi hyvin kosmisten säteiden tutkimusohjelmaan erityisesti laitekehityksen kautta. Kouluissa käytettävät mittalaitteet ovat pääosin samankaltaisia EMMA-, MUG- ja MUDkokeissa käytettävien ilmaisinten kanssa. Kouluprojekti sopiikin hyvin yhteen CUPP-hankkeen tieteellisen ohjelman kanssa. Kouluprojekti on erillinen hanke, jota varten on saatu oma rahoitus. 3.3 Tutkimustyö MUG ja MUD Pyhäsalmen kaivoksessa on mitattu kosmisen säteilyn aiheuttamaa sekundäärisäteilyä MUG(Muons UnderGround) ja MUD- (Mobile Underground Detector) kokeilla. Molemmissa kokeissa käytettyihin tuikeilmaisimiin on rakennettu itse tarvittava mittauselektroniikka ja tukilaitteistot. Mittaustyön päävastuu on ollut Sodankylän geofysiikan observatoriolla (SGO). Turun yliopiston fysiikan laitos on antanut tutkijoiden käyttöön arvokkaita mittalaitteita. Jyväskylän yliopiston fysiikan laitos on puolestaan osallistunut työhön useiden kuukausien henkilötyöpanoksella. MUG-kokeen mittausasema maan alla 210 m tasolla. (JP) MUG on osaksi maan alle, 90 ja 220 metrin syvyyteen ja osaksi maan päälle sijoitettu mittalaitteiden verkosto. Koetta johtaa FT Ilya Usoskin Sodankylän geofysiikan obser-vatoriosta, ja suurimman vastuun sen rakentamisesta on kantanut FM Teppo Jämsén Kokeeseen on osallistunut CUPP-hankkeen ulkopuolelta muun muassa professori Kalevi Mursula ja FM Anne-Marie Elo Oulun yliopiston fysiikan laitokselta ja dosentti Eino Valtonen Turun yliopistosta. MUG-kokeessa on saavutettu mielenkiintoisia tuloksia kosmisten säteiden kausivaihtelusta auringon aktiivisuuden mukaan, esimerkiksi auringon energeettisten purkausten yhteydessä. Maanalainen fysiikka Suomessa vuosina

28 Koetta on esitelty useissa kansallisissa konferensseissa. Sen tuloksista on laadittu artikkeli kansainväliseen tieteelliseen lehteen. MUD eli liikuteltava myoni-ilmaisin kaivoksessa 990 metrin syvyydellä. Tällä laitteistolla mitattiin maan alle tunkeutuvan säteilyn voimakkuus eri tasoilla. MUD -kokeessa kartoitettiin kosmisten säteiden aiheuttamaa taustasäteilyä eri puolilla kaivosta auton perävaunuun rakennetun liikuteltavan mittalaitteen avulla. Taustasäteilyn tunteminen on tärkeää suunniteltaessa tulevia kokeita. Kokeen ensimmäiset tulokset julkaistiin tieteellisessä aikakauslehdessä. [T. Enqvist et al. (2005) Nuclear Methods and Instruments A 554, ] EMMA CUPP-hankkeen tieteelliset resurssit on keskitetty pääosin kosmisten säteiden tutkimuksen, EMMA-kokeen (Experiment with MultiMuon Array) toteuttamiseen. Kokeessa mitataan kosmisten säteiden aiheuttaman läpitunkevan sekundäärisäteilyn (myonien) määrää ja jakaumaa maan alla 80 metrin syvyydessä. Ensisijaisena tavoitteena on tutkia kosmisten säteiden koostumusta tietyllä energia-alueella, jossa mitattu spektri muuttuu selittämättömästi. On epäselvää, mistä kyseiset suurienergiset hiukkaset ovat peräisin. Käytössä olevat teoriat eivät selitä havaintoja ja EMMA kokeen odotetaankin tuovan lisäselvyyttä säteiden alkuperään. EMMA pohjautuu alunperin CUPP-hankkeessa vierailevana tutkijana toimineen professori Linkai Dingin ideoihin. Kehitystyön aikana koe on kuitenkin muuttunut hyvin toisenlaiseksi ensimmäiseen hahmotelmaan verrattuna. Nyt koetta valmistelee ja toteuttaa kansainvälinen kollaboraatio. Siihen osallistuu CUPP-hankkeen ulkopuolisia tutkijoita SGO:sta, Jyväskylän, Helsingin ja Turun yliopistoista sekä Århusin yliopistosta ja Kiinan ja Venäjän tiedeakatemioista. Suurin osa mittalaitteista on saatu edullisesti Euroopan hiukkastutkimuskeskuksesta, Cernistä hankkeen käyttöön syksyllä Tällöin lukuisia aikaisemmin jättimäisissä hiukkaskiihdytinkokeissa käytettyjä, erittäin tarkkoja hiukkasilmaisimia kuljetettiin Pyhäjärvelle. Muutamia yksiköitä saatiin testattavaksi jo vuonna Myös Turun ja Jyväskylän yliopistoista on saatu useita laitteita Maanalainen fysiikka Suomessa vuosina

29 hankkeen käyttöön. Venäjän kanssa on sovittu, että Venäjän tiedeakatemian ydintutkimuslaitos (INR) toimittaa tuikeilmaisinlaitteiston, joka rahoitetaan Neuvostoliiton aikaisten velkojen konversiolla. EMMA -kokeesta on valmistunut yksityiskohtainen koe-ehdotus, jota on esitelty useissa konferensseissa. Ehdotuksesta on myös kirjoitettu useita julkaisuja. [mm. T. Enqvist et al. (2006) Nucl. Phys. B (Proc.Suppl.), 151, 307]. Cernistä saatuja hiukkasilmaisimia Pyhäjärven testilaboratoriossa. Laitteita käytettiin aiemmin DELPHI-kokeessa ja ne saatiin nimellistä korvausta vastaan. Epäilyttävästä ulkonäöstä huolimatta lähes kaikki ilmaisimet ovat ehjiä ja toimintakuntoisia. Kaikki nämä asennetaan maan alle EMMA-kokeeseen. (PK) RPC-laitteisto Vuosina kehitettiin uudenlaista RPC-hiukkasilmaisinta (Resistive Plate Chamber) kosmisten säteiden tutkimiseen ja uuden myonikokeen perustaksi. Oulussa rakennettiin täydellinen testilaitteisto, jota tutkittiin perusteellisesti. Tutkimusta johti vieraileva tutkija Changquan Shen ja aiheesta valmistui opinnäytetyö [Lehtola, Mika (2005) RPC-ilmaisimeen perustuvan laitteiston kehittäminen ja testaus]. RPC-ilmaisimien rakentamisesta on luovuttu toistaiseksi, koska on edullisempaa käyttää Cernistä saatuja ilmaisimia. INM-2 Pietarilainen V.G. Khlopinin radiumintutkimuslaitos suoritti Pyhäsalmen kaivoksessa neutronivuon mittauksia vuosina Koetta johti laitoksen johtaja Alex Rimski-Korsakov. Mittaukseen käytettiin heidän itse rakentamaansa mittalaitetta ja mittauksia tehtiin useilla eri syvyyksillä. Tavoitteena oli todentaa Pietarissa tehdyt selittämättömät havainnot, mutta tehdyt mittaukset osoittivat testattavan työhypoteesin vääräksi [CUPP-08/2003: Report on INM2 experiment in Pyhäsalmi mine ]. Maanalainen fysiikka Suomessa vuosina

30 Neutronitaustan mittaus Venäjän tiedeakatemian ydintutkimuslaitoksen tutkimusryhmä mittasi rakentamallaan tarkalla mittalaitteella kaivoksen neutronisäteilytaustan vuonna 2000 [CUPP-11/2003: Measurement of the fast neutron background in the Pyhäsalmi mine, J.N. Abrurashitov, V.N. Gavrin, V.L. Matushko; Measurement of Neutron Background at the Pyhasalmi mine for CUPP Project, Finland. J.N. Abdurashitov, V.N. Gavrin, V.L. Matushko, A.A. Shikhin, V.E. Yants (Moscow, INR), J. Peltoniemi, T. Keränen (Oulu U., CUPP) e-print Archive: nucl-ex/ ]. Taustasäteilyn mittaaminen on erittäin tärkeää kivimateriaalista peräisin olevien nopeiden neutronien aiheuttaman vaikeasti tunnistettavan taustasäteilyn vuoksi. Mittaustulokset olivat hyviä ja osoittivat taustasäteilyn olevan odotetun alhaisen. Neutriinofysiikka CUPP-hankkeessa on tutkittu neutriinoja tähän saakka teoreettisesti. Neutriinoista on hankkeen aikana valmistunut useita julkaisuja [J.T. Peltoniemi and V. Sipiläinen (2000) Neutrino propagation in matter using the wave packet approach. Journal of High Energy Physics 06, 011; E. Kozlovskaya, J. Peltoniemi and J. Sarkamo (2003) The density distribution in the Earth along the CERN-Pyhäsalmi baseline and its effect on neutrino oscillations, Preprint CUPP-07/2003, hepph/ ; J. Peltoniemi and J. Sarkamo (2005) Neutrino oscillations in the CERN-Pyhäsalmi baseline, Nucl. Phys. B (Proc.Suppl.), 155: ,2006; D. Autiero et al, mm. Enqvist, Kuusiniemi, Maalampi, Peltoniemi, Trzaska, Äystö: Large undeground, liquid based detector for astro-particle physics in Europe: scientific case and prospects. 51 s. JCAP 11 (2007) 011; arxiv: v1 [hep-ph] (2007): Physics at a future Neutrino Factory and super-beam facility: The ISS Physics Working Group (mm. Peltoniemi, Sarkamo). 370 s.;arxiv: [hep-ex] (2007) Detectors and flux instrumentation for future neutrino facilities, The ISS Detector Working Group, T. Abe et al, mm Kozlovskaya, Peltoniemi, Sarkamo]. Neutriinofysiikassa on tehty yhteistyötä Jyväskylän ja Helsingin yliopistojen fysiikan laitosten kanssa. Helsingin yliopistosta valmistui neutriinofysiikkaa käsittelevä väitöskirja [Sipiläinen, Ville (2003) Some Theoretical Issues in Physics of Massive Neutrinos] osin CUPP-hankkeessa toimineen henkilön ohjaamana. Neutriinotutkimukset liittyvät kokeellisen neutriino-ohjelman aloittamiseen. Valmisteluvaiheessa on useita Pyhäjärven maanalaisessa laboratoriossa toteutettavaksi ehdotettuja kokeita. Kansainvälisenä yhteistyönä on valmisteltu muun muassa seuraavia tulevaisuuden kokeita: LENA: jättiläismäinen koe, joka mittaa avaruudesta ja maan sisältä tulevia neutriinoja. Suunnitelmaa koordinoi Münchenin teknillinen yliopisto. Oulussa on laskettu ydinvoimaloiden aiheuttamaa taustasäteilyä, mistä on valmisteilla julkaisu ja opinnäytetyö. TPC-koe: pieni, tarkka koe, joka mittaa räjähtävistä tähdistä tulevia neutriinoja. Kehitystyötä koordinoi Saclayn tutkimuskeskus (Pariisi) [TPC paperi, with T. Enqvist] Neutriino-oskillaatio-koe: erittäin laaja koe, joka mittaa kiihdyttimellä tuotettuja neutriinoja tuhansien kilometrien päässä. Kokeita suunnitellaan maailmanlaajuisesti, Euroopassa CERN on päävastuussa. CUPP on mukana hankkeen kansainvälisessä suunnittelutyössä (International Design Study for future neutrino facilities, IDS). GENIUS: vuosina selviteltiin mahdollisuuksia toteuttaa kaksoisbeetahajoamista tutkiva GENIUS-koe Pyhäsalmella. Koe ei kuitenkaan toteutunut. Tieteelliset konferenssit ja kansainväliset verkostot Oululaiset maanalaisen fysiikan tutkijat ovat osallistuneet useiden kansainvälisten kokousten järjestämiseen. Näistä merkittävin on ollut Oulussa pidetty Beyond the Desert 02 -konferenssi. Merkittäviä olivat myös Rovaniemellä pidetty Cosmo kokous ja Saariselällä vuonna 1999 pidetty kosmisten säteiden kokous. Syyskuussa 2005 järjestettiin hankkeen toimesta ensimmäinen kansainvälinen EMMA-symposio, johon kokoontui yli 20 alan tutkijaa eri maista. Maanalainen fysiikka Suomessa vuosina

31 CUPP-hanke ja Oulun yliopisto ovat mukana useiden maanalaiseen fysiikkaan liittyvien kansainvälisten verkostojen toiminnassa. Näistä tärkein on ILIAS (Integrated Large Infrastructures in Astroparticle Science), joka hallinnoi EU:n kuudennen puiteohjelman yli kahdeksan miljoonan euron infrastruktuurihanketta. CUPP on ILIAS-verkoston liitännäisjäsen ja osallistuu maanalaisten laboratorioiden N2-verkoston toimintaan. Verkostossa etsitään Euroopan maanalaisten laboratorioiden välille yhteistyötä sekä infrastruktuurien kehittämiseksi että maanalaisen tutkimuksen turvallisuuden parantamiseksi. Kesäkuussa 2006 järjestettiin Pyhäsalmella ILIAS-N2-verkoston turvallisuustyöryhmän kokous. Se antoi matkaraportin, jossa oli kommentteja laboratorion turvallisuudesta. Seitsemännen puiteohjelman hakemuksia on valmisteltu koordinoidusti alan tutkijoiden yhteistyöverkostoissa, erityisesti ILIAS-hankkeen pohjalta. Pyhäsalmen kaivos, vanha torni. Hankkeiden kehittyessä toimintaa on siirretty yhä enemmän Pyhäjärvelle. Yhteistyö kaivoksen ja sen henkilökunnan kanssa on ollut aina hyvin sujuvaa. (TJ) 3.4 Havaitut ongelmat ja haasteet Uuden tieteenalan luominen tarjoaa pohjattomia haasteita. Ongelmilta ei ole vältytty tässäkään hankkeessa. Tavanomaisten (rerurssien puute, byrokratia, kokemattomuus, tutkijankateus) ongelmien ja kaivosympäristön asettamien teknisten vaatimusten lisäksi erityisiä haasteita ovat aiheuttaneet muun muassa: Viranomaisten yhteistyö: EAKR-rahoituksen hakeminen ja hallinta edellyttää useiden eri viranomaisten (EU, valtio, aluehallinto, kunnat, seutukunnat, yliopisto) toimenpiteitä, ja heidän toisistaan poikkeavat toimintatavat ja määräykset ovat aiheuttaneet päänvaivaa. Muuten rahoittajaorganisaatioiden toiminta sinänsä on yleensä ollut hyvin rakentavaa. Muna-kana-dilemma: Eteneminen edellyttää useiden tahojen päätöksiä, mutta usein kaikki osapuolet odottavat ensin muiden sitoutumista ennen kuin ryhtyvät valmistelemaan omia päätöksiään. Vyörytyksen pelko: Yliopistot ja laitokset ovat varaukselisia sitoutumaan, koska ne pelkäävät, että lopulta kaikki kustannukset vyörytetään niiden omalle vastuulle. Rajoitukset rahoituksen käytössä: Ulkoisen rahoituksen käyttöön liittyy useita rajoituksia, jotka sinänsä ovat ymmärrettäviä rahoittajan kannalta mutta jotka vaikeuttavat työtä, Maanalainen fysiikka Suomessa vuosina

32 koska osa tärkeistä toimista jää tekemättä. Erityisesti yliopiston perustehtävään kuuluvaan opetukseen on hyvin vaikeata saada ulkoista rahoitusta. Epäjatkuvuus ja pitkäjänteisyyden puute: Rahoitus on annettu pienissä pätkissä, ja usein rahoituspäätökset viipyvät niin kauan, että projektit välillä katkeavat. Tämä estää pitkäjänteisen suunnittelun ja aiheuttaa henkilöstön vaihtuvuutta ja vähentää motivaatiota, varsinkin, kun yliopisto pätkii virkasuhteet rahoituskausiakin pienempiin jaksoihin. Houkuttelevuus: Suurkaupunkien ulkopuolella sijaitseviin laboratorioihin on usein vaikeaa houkutella henkilöstöä. Tämä on lähes kaikkien maailman maanalaisten laboratorioiden ja observatorioiden yhteinen ongelma. Toiminnan kasvaessa ja konkretisoituessa tämä ongelma on pienentynyt, mutta sen voittamiseksi on edelleen tehtävä työtä. Myös yliopiston yleinen houkuttelevuus on heikko, muun muassa yliopistossa harjoitetun henkilöstöpolitiikan vuoksi. Uusissa hankkeissa ja aloitteissa pyritään voittamaan nämä ongelmat ja kääntämään tilanne eduksi. 3.5 Tilastotietoja hankkeista EAKR-hankkeiden ohjausryhmissä ovat toimineet puheenjohtajina 1. prof Jorma Kangas prof Lauri Lajunen prof Esko Suhonen kaupunginjohtaja Tero Nissinen valtuutettu Jukka Tikanmäki ja jäseninä (tai varajäseninä), Oulun yliopistoista jollei muuta mainita: 1. prof Esko Suhonen 2. prof Kalevi Mursula 3. prof Jukka Maalampi (Jyväskylän yliopisto) 4. prof Jouni Suhonen (Jyväskylän yliopisto) 5. prof Jukka Jokisaari 6. prof Alpo Kallio 7. prof Pekka Tanskanen 8. päägeologi Timo Mäki (Pyhäsalmi Mine Oy) 9. toimitusjohtaja Teuvo Jurvansuu (Pyhäsalmi Mine Oy) 10. teknologiajohtaja Juho Mäkinen (Outokumpu Oy) 11. kaupunginjohtaja Pasi Vallivaara (Pyhäjärven kaupunki) 12. kaupunginjohtaja Tero Nissinen (Pyhäjärven kaupunki) 13. päällikkö Mika Niemi (Detection Technology Oy) 14. toimitusjohtaja Mikko Nuutinen (Detection Technology Ltd) 15. valtuutettu Seppo Lähteenmäki (Pyhäjärven kaupunki) 16. seutukuntajohtaja Esa Jussila (Nivala-Haapajärven seutukunta) 17. vs seutukuntajohtaja/hankevalmistelija Reino Kivioja (Nivala-Haapajärven seutukunta) Lääninhallituksen valvojina tms ovat olleet Tauno Puolakka, Paula Lohikoski ja Aki Lappalainen. Alla olevassa taulukossa on eritelty tärkeimmät rahoitukset EAKR-rahan ohella: Rahoittaja Suomen Akatemia Suomen Akatemia Suomen Akatemia Suomen Akatemia Suomen Akatemia Magnus Ehrnroothin rahasto Magnus Ehrnroothin rahasto Magnus Ehrnroothin rahasto Käyttötarkoitus Rahoitus tutkijatohtorin palkkaan Kv. tieteellisen konferenssin järjestäminen Kv. tutkimushankkeiden valmistelu Kv. tutkimushankkeiden valmistelu Vierailevan tutkijan kutsuminen (Venäjä) Aputyövoiman palkkaukseen Laitehankintaan Matka-apuraha TPC-kokeeseen Rahoitus Maanalainen fysiikka Suomessa vuosina Vuosi

33 Rahoittaja Magnus Ehrnroothin rahasto Magnus Ehrnroothin rahasto Vilho, Kalle ja Yrjä Väisälän r. Suomen kulttuurirahasto Suomen kulttuurirahasto Suomen kulttuurirahasto Suomen kulttuurirahasto Suomen kulttuurirahasto Jenny ja Antti Wihurin rahasto Kerttu Saalastin säätiö Jenny ja Antti Wihurin rahasto EU:n kuudes puiteohjelma Jyväskylän yliopisto Oulun yliopisto Venäjä Käyttötarkoitus EMMA-koe EMMA-koe EMMA-koe Kokouksen järjestely Kouluprojekti Kouluprojekti EMMA-koe EMMA-koe Laitehankinnat Henkilökohtaiset apurahat: Henkilökohtaiset apurahat ILIAS- infrastruktuuri-verkosto Valtionhallinnon harjoittelijanpaikat Valtionhallinnon harjoittelijanpaikat Hiukkasilmaisimia EMMA-kokeeseen Rahoitus kpl 4 kpl Matkarahoja 4 paikkaa 7 paikkaa $ Vuosi EAKR-hankkeiden projektipäälliköinä ovat toimineet: 1. FT Matti Vallinkoski dos Juha Peltoniemi FT Timo Enqvist 2008Hankkeiden projektisihteereinä ovat toimineet mm 1. HK Birgitta Brusila FM Auli Suorsa YTM Arja Aula-Matila KTM Sari Tervo 2007Lisäksi useat yliopiston henkilökuntaan kuuluvat ovat hoidelleet projektihallinnon tehtäviä oman työnsä ohella. Vanhempia tutkijoita: 1. prof Linkai Ding 2. prof Changquan Shen 3. FT Elena Kozlovskaya 4. FT Timo Enqvist 5. FT Petteri Keränen 6. FT Pasi Kuusiniemi (Suomen Akatemian tutkijatohtori) Tutkijankoulutettavia ja nuorempia tutkijoita 1. FM Juho Sarkamo 2. FM Tomi Räihä Teknistä henkilökuntaa: 1. teknikko Antti Kvist Tutkimusapulaisia, harjoittelijoita, pro gradu -työn tai muun lopputyön tekijöitä tms (satunnaisessa järjestyksessä) 1. Jani Junttila 2. Teemu Ollakka 3. Pekka Manninen 4. Mika Lehtola 5. Teppo Jämsén 6. Mikko Mutanen 7. Sami Nurmenniemi 8. Jari Joutsenvaara 9. Leena Pasanen 10. Toni Keränen 11. Hanna Remes 12. Annika Mattila 13. Ville Föhr 14. Mikael Reponen Maanalainen fysiikka Suomessa vuosina

34 15. Lauri Olanterä 16. Antti Pennanen 17. Maria Komu 18. Timo Kulju 19. Jussi Mattas 20. Ismo Talsta 21. Matti Vaittinen 22. Jarmo Kukkola 23. Kai Loo 24. Heikki Laitala 25. Anne-Mari Mykkänen 26. Zhengkui Zhang Muun yliopistoviran puitteissa hankkeessa tai siihen liittyvässä tutkimustyössä ovat toimineet tai hanketta avustaneet (ohjausryhmän jäsenten lisäksi) mm 1. FL Hannu Kananen 2. FM Anne-Marie Elo 3. FT Ilya Usoskin 4. FT Wladek Trzaska Maanalaisesta fysiikasta tai siihen liittyvästä teoriasta tai teknologiasta on tehty seuraavat opinnäytetyöt (Oulun yliopiston fysikaalisten tiedeiden laitokselle, jos ei muuta mainita): 1. Teemu Ollakka, 1999, pro gradu Neutriinon massan määrittäminen 2. Jani Junttila, 1998, pro gradu Kosmisen säteilyn maanalaiset mittaukset 3. Juho Sarkamo, 2002, pro gradu Neutriinon massa ja sen generointi standardimallin ulkopuolella 4. Pekka Manninen, 2002, pro gradu Hiukkasfysiikan standardimallin ulkopuoliset neutriinot 5. Mikko Mutanen, 2005, pro gradu MUG-myoniteleskoopin tiedonkeruujärjestelmä 6. Mika Lehtola, 2005, pro gradu RPC-ilmaisimeen perustuvan laitteiston kehittäminen ja testaus 7. Ville Föhr, 2005, pro gradu, Jyväskylän yliopisto 8. Teppo Jämsen, 2006, pro gradu MUG-myoniteleskooppi 9. Sami Nurmenniemi, 2006, pro gradu EMMA-multimyonikokeen tiedonkeruujärjestelmä 10. Janne Narkilahti, 2007, pro gradu Efficiency and resolution tests of DELPHI MUon Barrel chambers with cosmic-ray muons 11. Tomi Räihä 2007, pro gradu (9 ov) Simulation of high energy interactions of cosmic rays in the atmosphere (sivulaudatur) 12. Kai Loo, 2008, pro gradu Ydinreaktoreista tulevat neutriinot taustana ja tutkimuskohteena 13. Timo Kulju, 2008, pro gradu Neutriinojen synty ja eteneminen supernovassa 14. Jarmo Kukkola, 2008, pro gradu Dark Matter: Evidence, Observation and Candidates 15. Heikki Laitala, 2008, pro gradu Myonivuon mallintaminen Pyhäsalmen kaivoksessa GEANT-ohjelmistokehyksen avulla 16. Toni Keränen, 2002, insinöörityö, Kajaanin ammattikorkeakoulu Ainakin yksi gradu on tulossa syksylle 2008 ja kaksi väitöskirjaa on pitkällä. Opiskeluun, opintoihin liittyvään harjoitteluun ja opinnäytetöiden tekemiseen ei ole käytetty EAKR-rahoitusta. Hankkeiden ansiosta syntyneitä yrityksiä: Neutrinica Oy 2007 Maanalainen fysiikka Suomessa vuosina

35 4 Lähitulevaisuuden toiminta olemassaolevissa tiloissa 4.1 Hankkeiden ja hallinnon järjestely Maanalaisen fysiikan toiminta jatkuu projektimuotoisena. Laajimpana toimijana on epämuodollinen metahanke (Astrohiukkasfysiikan yhteisö/ CUPP), joka on mukana olevien tutkijoiden ja tukijoiden löysä yhteenliittymä. Muodollisempi toiminta tapahtuu yliopistojen vastuilla, erilaisten projektien rahoituksella. EAKR-hanke EMMA-kokeen toteuttaminen Oulun yliopisto jatkaa tavoiteohjelmahankkeiden hallinnointia. Viimeisin hanke on nimeltään EMMA-kokeen toteuttaminen ja se kestää 2010 kesään saakka. Hankekausi on Vastuullisena yksikkönä toimii Oulun Eteläisen instituutti ja vastuullisena johtajana FT Eelis Kokko, projektipäällikkönä FT Timo Enqvist. Partnereina ovat Jyväskylän yliopisto, Pyhäjärven kaupunki sekä Nivalan-Haapajärven seutukunta. Toimipisteet ovat Pyhäjärvellä ja Oulussa, mutta työtä tehdään myös Jyväskylässa ja Nivalassa. Hanketta valvomaan ja hallinnoimaan nimitetään ohjausryhmä, johon kuuluvat: kaupunginvaltuutettu Jukka Tikanmäki, Pyhäjärven kaupunki, puheenjohtaja seutukuntajohtaja Esa Jussila, Nivalan-Haapajärven seutukunta, varapuheenjohtaja professori Jukka Maalampi, Jyväskylän yliopiston fysiikan laitos professori Kari Rummukainen, Oulun yliopisto, fysikaalisten tieteiden laitos professori emeritus Esko Suhonen toimitusjohtaja Teuvo Jurvansuu, Pyhäsalmi Mine Oy johtaja Eelis Kokko, Oulun Eteläisen instituutti Kullekin nimitetään henkilökohtainen varajäsen. Hankkeelle nimitetään tieteellinen neuvottelukunta. Siihen kutsutaan 6-8 kansainvälisesti arvostettua alan tutkijaa. Sen tehtävänä on valvoa tutkimuslaitoksen tieteellistä tasoa ja tehdä ehdotuksia ja suosituksia tieteellisestä toiminnasta. Tavoiteohjelmahankkeen kokonaisrahoitus on euroa. Tästä kuntaosuutta on euroa ja loput jakautuu valtion ja EU:n kesken. Vuosibudjetti on tyypillisesti: Kululuokka Palkkakulut Ostopalvelut Matkakulut Laitehankinnat Toimistokulut Muut kulut YHTEENSÄ Määrä/1000 EUR Menobudjetin kohdat sisältävät l palkkakulut henkilöstösuunnitelman mukaan l matkakulut: henkilöstön koti- ja ulkomaanmatkat sekä kutsutut vierailijat. Suurin osa matkakuluista menee matkoihin yliopistoilta laboratorioon. l laitehankinnat: yleiseen käyttöön tulevia työkaluja ja instrumentteja sekä kokeiden (EMMA) komponentteja ja mittalaitteita. l ostopalvelut: tilojen käyttökustannuksia, viestiyhteydet, pieniä laboratoriotilojen rakennus-, korjaus-, kunnostus- ja varustelutöitä ym. l muut kulut: kulutustarvikkeita, materiaaleja, sisäisiä kuluja. Lähitulevaisuuden toiminta olemassaolevissa tiloissa 35

36 Myönnetyt resurssit mahdollistavat EMMA-kokeen mittalaitteiston rakentamisen ja valmistamisen mittauskuntoon, mutta ei tulosten analyysia eikä muiden kokeiden tai tutkimuskeskuksen suunnittelua. EU-hankkeisiin osallistutaan mahdollisuuksien mukaan, mutta EAKRrahoitusta ei käytetä niiden omarahoituksena tai päinvastoin. Hankkeessa toimii EAKR-rahoituksella 5-7 henkilöä seuraavasti: projektipäällikkö FT Timo Enqvist projektitutkija FT Pasi Kuusiniemi ( alkaen) projektitutkija FM Juho Sarkamo projektitutkija FM Tomi Räihä laboratorioinsinööri FM (in spe) Jari Joutsenvaara projektisihteeri KTM Sari Tervo (sijaisena sosionomi Johanna Nissinen) Kesäksi palkataan tutkimusapulainen. Toiminta muun rahoituksen turvin Rakennerahastohankkeen ulkopuolella instituutissa toimii yksi tutkijatohtori Suomen Akatemian rahoituksella sekä opiskelijoita muilla rahoituksilla. Sodankylän geofysiikan observatorio (SGO) ja Jyväskylän yliopiston fysiikan laitos ovat aktiivisesti mukana toiminnassa henkilöpanoksella. Jyväskylän osuus on kasvamassa ja se on ottanut vastuuta tieteellisestä toiminnasta. EAKR-rahoituksen lisäksi tarvitaan välttämättä muuta rahoitusta tavoitteiden saavuttamiseksi. Avainasemassa on tulosneuvotelujen kautta saatava rahoitus opetusministeriöltä. Toimintaan haetaan myös tieteellistä rahoitusta eri säätiöiltä ja Suomen Akatemialta. EU:n seitsemännestä puiteohjelmasta saadaan rahoitusta infrastruktuurin suunnitteluun osana kansainvälistä LAGUNA-konsortiota. Hanke alkanee kesällä Suunnittelutyö on jo osittain alkanut Münchenin teknillisen yliopiston rahoituksella. 4.2 Laboratoriotilat Pyhäsalmella ja muut toimitilat Maanalaisen laboratorion toiminta tapahtuu Pyhäsalmen kaivoksessa kaivosyhtiöltä vuokratuissa, kaivoskäytöstä vapautuvissa maanalaisissa tiloissa. Näistä tärkeimpiä ovat 80 metrin tilat EMMA-koetta varten sekä 660 metrin taso mahdollisia supernovakokeita varten. Mahdollisuus käyttää kaivokselta vapautunutta tilaa 1400 metrin syvyydessä selvitetään. Tiloja kunnostetaan tarpeen mukaan ja niihin asennetaan sähköt ja tietoliikenneyhteydet. Pyhäsalmen maanpäälliset toimitilat sijoitetaan olemassa oleviin tiloihin kaivosalueelle tai sen läheisyyteen. Tilat vuokrataan kaivosyhtiöltä sekä yksityisiltä (testaustilaa TransKuosmanen Oy:ltä). Yksityisiltä markkinoilta vuokrataan asuinhuoneisto vierasmajoiksi. Oulussa olevat toimitilat sijoitetaan Oulun yliopiston käytössä oleviin (Senaatti-kiinteistöt Oy:n omistamiin) vuokratiloihin Linnanmaalle. (Tällä hetkellä huoneet HK huoltokeskuksessa.) Lähitulevaisuuden toiminta olemassaolevissa tiloissa 36

37 Lähitulevaisuuden toiminta olemassaolevissa tiloissa 37

38 Kosmisten säteiden spektri eri mittausten perusteella. Suurienergisten kosmisten säteiden alkuperä on tuntematon, samoin niiden koostumus. Käyrässä on pieni muutos ns. polven (knee) kohdalla. Tämä muutos saattaisi olla vihje kosmisten säteiden alkuperästä tai muusta ilmiöstä. EMMA-kokeella pyritään mittaamaan kosmisten säteiden koostumusta juuri tämän polven kohdalla. Lähitulevaisuuden toiminta olemassaolevissa tiloissa 38

39 4.3 Tutkimustyö Kosmisten säteiden mittaukset: EMMA EMMA-kokeen tarkoituksena on tutkia kosmisten säteiden koostumusta. Erilaisten mittausten perusteella on päätelty, että suurin osa matalaenergisistä kosmisista säteistä on protoneja, mutta suuremmilla energioilla raskaampien ydinten osuus kasvaa. EMMA-kokeella voidaan tutkia kosmisia säteitä energia-alueella, jossa spektrin käyttäytyminen muuttuu. EMMA-koe mittaa kosmisten säteiden sekundäärisäteilyä eli ilmakuuroja maan alla. Maan alle tunkeutuvan ilmakuuron myonien määrä ja kuuron laajuus antavat epäsuoraa tietoa siitä, mikä hiukkanen tai ydin osuu ilmakehään. Johtopäätösten teko vaatii ilmiöiden tarkkaa ymmärtämistä ja mallintamista tietokoneilla. EMMA-kokeen mittalaitteiden sijoitus kaivostunneleihin metrin syvyydelle. Punaiset neliöt kuvaavat mittausasemia. Oranssin soikion sisällä olevat laitteet asennetaan vuonna 2008, ja loput vuonna EMMA-kokeen tieteellisestä toteuttamisesta vastaa kansainvälinen kollaboraatio. Siihen kuulunevat: Wladek Trzaska (kollaboraation johtaja ja puhemies), Lauri Olanterä Jyväskylän yliopisto Linkai Ding, Changquan Shen, Zhu Qingqi Hans Fynbo, Oliver Kirsebom Leonid Bezrukov, Lev Inchechik, Valeri Petkov, V. Yants, I. Dzaparova, S. Karpov, A. Kurenya Petteri Keränen Matts Roos Ilya Usoskin, Teppo Jämsén IHEP, Peking, Kiina Århusin yliopisto, Tanska INR, Moskova/Baksan, Venäjä Säteilyturvakeskus, Helsinki Helsingin yliopisto Lähitulevaisuuden toiminta olemassaolevissa tiloissa 39

40 Sodankylän geofysiikan observatorio, Oulun yliopisto Timo Enqvist, Juha Peltoniemi, Juho Sarkamo, Pasi Kuusiniemi, Tomi Räihä, Jari Joutsenvaara, Heikki Laitala, Anne-Mari Mykkänen, Maria Komu Oulun Eteläisen instituutti, Oulun yliopisto Emmaa varten on hankittu Cernistä suuri määrä hiukkaskiihdytinkokeissa käytettyjä erittäin tarkkoja hiukkasilmaisimia. Laitteita käytettiin aiemmin DELPHI-kokeessa, ja ne saatiin nimellistä korvausta vastaan. Ilmaisimet on testattu ja todettu toimiviksi. Venäjän tiedeakatemian ydintutkimuslaitos (Moskova) toimittaa EMMA-kokeeseen merkittävän määrän ilmaisinlaitteita. Nimellisesti miljoonan dollarin arvoinen hankinta rahoitetaan Neuvostoliiton clearing-kaupan velkakonversion avulla. Vuonna 2008 saadaan prototyypit, ja sarjatuotantolaitteita vuoden 2008 loppupuolelta alkaen. Myös Turun, Jyväskylän ja Århusin yliopistot osallistuvat EMMA-kokeeseen tuomalla arvokkaita laitteita. Nämä laitteet pysyvät kyseisten yliopistojen omaisuutena. Koe Tutkimuskohde Tilanne Laitteisto Paikka Toteuttaja Koko Kustannusarvio Aikataulu EMMA (kosmiset säteet) Kosmisten säteiden tuottamat ilmakuurot Asenteilla, tila varustettu Kaasutäytteiset ilmaisimet (ajautumiskammiot), tuikemuovi-ilmaisimet Olemassaolevat tilat 80 m tasolla Kansainvälinen kollaboraatio, mm. CUPP, SGO, Jyväskylä, INR, Kiina, Tanska Yksikkö 12 m2, useita yksiköitä > Ensimmäinen EMMA-kokeen mittausasema koostuu tälläisestä laitesuojasta, jonka sisällä on hiukkasilmaisimia yhdessä kerroksessa. Toisissa asemissa ilmaisimia on kahdessa kerroksessa. (PK) Mahdolliset uudet kokeet olemassaolevissa tiloissa Pyhäsalmen kaivoksen kaivoskäytöstä poistetuissa tiloissa voidaan varsin nopeasti toteuttaa uusia kokeita. Erityisesti 660 metrin syvyydellä oleva taso sopii hyvin kokeille, joiden tehtävänä on Lähitulevaisuuden toiminta olemassaolevissa tiloissa 40

41 havainnoida supernovasta eli räjähtävästä tähdestä tulevia neutriinoja. Syvemmällä voidaan toteuttaa esimerkiksi geoneutriinokokeiden (EARTH) prototyyppejä tai testilaitteita. Esillä ovat olleet seuraavat kokeet: Koe Tutkimuskohde Tilanne Laitteisto Paikka Toteuttaja Koko Kustannusarvio Aikataulu Supernovailmaisin (Pb/Fe-Gd) Räjähtävistä tähdistä (supernovista) tulevat neutriinot Idea-asteella Metallikohtiosta ja edullisista neutroni-ilmaisimista kootut modulit Olemassaolevat tilat 660 m tasolla CUPP, mahdollisesti INR (Venäjä) Moduli n 5-10 m, useita moduleja > 1 M Koe Tutkimuskohde Tilanne Laitteisto Paikka Toteuttaja Koko Kustannusarvio Aikataulu Supernovailmaisin (TPC) Räjähtävistä tähdistä (supernovista) tulevat neutriinot Suunnitteilla, testilaitteisto Ranskassa Uuden teknologian kaasutäytteinen ilmaisin. Olemassaolevat tilat 660 m tasolla Kansainvälinen kollaboraatio, mm. CUPP, Saclay (Ranska) Moduli n 5 m, useita moduleja Koe Tutkimuskohde Tilanne Laitteisto Paikka Toteuttaja Koko Kustannusarvio Aikataulu Pimeän aineen koe (TPC) Maailmankaikkeuden pimeän aineen etsiminen Suunnitteilla, testilaitteisto Ranskassa, Kuten supernovakoe yllä, mutta kovemmat vaatimukset laitteistolle ja ympäristölle Olemassaolevat tilat 1400 m tasolla Kansainvälinen kollaboraatio, mm. CUPP, Saclay (Ranska) Moduli n 5 m, useita moduleja Koe Tutkimuskohde Tilanne Laitteisto Paikka Toteuttaja Koko Kustannusarvio Aikataulu Sovellukset Herkkä säteilymittaus Kappaleiden hyvin pienten radioaktiivisten pitoisuuksien määritys Vastaavia laitteistoja käytössä muissa laboratorioissa, saatavilla nopeasti Hyvin puhtaasta germaniumista valmistettu säteilyspektrometri. Olemassaolevat tilat 660 m tai 1400 m tasolla Yhteistyössä esimerkiksi Modanen laboratorion kanssa Yksi laiteyksikkö n 2 m Esineiden pitoisuuksien määritys esineitä rikkomatta, mm iän määritykset, yhteenkuuluvuuden määritys (arkeologia, geologia, säteilysuojelu jne) Koe Tutkimuskohde Tilanne Laitteisto Paikka Toteuttaja Koko Kustannusarvio Aikataulu LENA-testilaitteisto LENA-kokeen toteutettavuustutkimus, Kehitteillä tuikenesteilmaisin Esim 1400 m tila Kv. Kollaboraatio, useita ryhmiä, mm München m pieni Koe Tutkimuskohde Tilanne Laitteisto Paikka Toteuttaja Koko Kustannusarvio Aikataulu Sovellukset EARTH Geoneotriinot: testilaitteisto Kehitteillä tuikenesteilmaisin 1400 m tila, voi vaatia pientä laajennusta. Kv. Kollaboraatio, useita ryhmiä, mm hollantilaisia < 5m 2-20 M Ydinvoimaloiden tarkkailu neutriinoilla Lähitulevaisuuden toiminta olemassaolevissa tiloissa 41

42 Aineiden säteilymittauksille voi tulla suurta tarvetta parin vuoden päästä, jos SuperNEMOkoetta aletaan rakentaa mihin tahansa Eurooppaan. Se käyttää erittäin säteilypuhtaita komponentteja, ja kaikkien niiden säteilypitoisuudet tulee tarkastaa ennen niiden asentamista. Euroopan olemassaoleva mittauskapasiteetti ei riitä siihen alkuunkaan. Näiden kokeiden suunnittelu ja toteutus vaatii erillisen rahoituksen. Lähitulevaisuuden toiminta olemassaolevissa tiloissa 42

43 5 Euroopan tiedeyhteisön suunnitelmat tulevaisuuden maanalaisille kokeille 5.1 Tieteen tiekartat Eurooppalainen astrohiukkasfysiikan yhteisö on laatinut tiekartan alan kokeille (Astroparticle physics in Europe: a Roadmap)1. Muodollisena tilaajana ovat rahoittajaorganisaatioiden verkostot ApPEC ja ASPERA (EU-hanke), ja laadinnan aikana on kuultu alan merkittävimpiä tutkijoita. Tiekartta kuvaa perusteellisesti astrohiukkasfysiikan eli tähdistä ja avaruudesta tulevien hiukkasten tutkimuksen tulevaisuutta. Siinä määritellään alan painopistealueet sekä mahdollisuudet. Neljä tärkeintä toimintalinjaa ovat: 1. CTA (Cherenkov Telescope Array): Maanpäällinen Tserenkovin teleskooppi hyvin suurienergisten kosmisten gammasäteiden havaitsemiseksi. Kattavaa mittausta varten tarvitaan kaksi laitteistoa, yksi eteläiselle ja toinen pohjoiselle pallonpuoliskolle. Paikkoja ei ole vielä valittu. 2. EURECA (European Underground Rare Event Calorimeter Array): uuden sukupolven maanalainen koe maailmankaikkeuden pimeän aineen etsimiseksi. Koe vaatii erittäin säteilypuhtaat tilat ja suuret kylmälaitteet. Koetta suunnitellaan ensisijassa Ranskaan Frejus'n laboratorioon. 3. LAGUNA: protonin hajoamista ja neutriinoastronomiaa tutkiva suuri maanalainen laitteisto. Tämä on meille tiekartan hankkeista oleellisin, koska Suomi on ehdokas sijoituspaikaksi. 4. ET (Einstein Telescope): Uuden sukupolven maanalainen laitteisto painovoima-aaltojen etsimiseen. Se koostuisi kolmiomaisesta luolastosta, jonka kukin sivu on noin 10 km pitkä. Kolmion kärjissä on noin 30 m läpimittaiset luolat, joissa on herkkiä instrumenttejä roikkuen 100 m korkean langan päässä. Sijoituspaikka on auki. Näistä kolme viimeistä ovat maanalaisia kokeita. Tiekartan painopistehankkeista LAGUNA ja ET ovat saaneet EU-rahoitusta valmisteluun. CTA ja EURECA todennäköisesti joutuvat odottamaan ainakin seuraavaan hakuun. Tiekartassa todetaan LAGUNA-hankkeeseen liittyen muun muassa: We recommend that a new large European infrastructure is put forward, as a future international multipurpose facility on the ton scale for improved studies proton decay and low-energy neutrinos from astrophysical origin. The three detection techniques being studied for such large detectors in Europe, WaterCherenkov (like MEMPHYS), liquid scintillator (like LENA) and liquid argon (like GLACIER), should be evaluated in the context of a common design study which should also address the underground infrastructure and the possibility of an eventual detection of future accelerator neutrino beams. The design study should also take into account worldwide efforts and converge, on a time scale of 2010, to a common proposal. Eli siinä suositellaan, että Euroopan tulisi edistää suurta monikäyttöistä tutkimuslaitteistoa protonin hajoamisen ja matalaenergisten neutriinojen tutkimiseen, josta tulisi laatia yhteinen ehdotus vuonna Tiekartassa suositellaan myös, että ensi vuosikymmenellä Euroopan tulisi yhdessä ei-eurooppalaisen tiedeyhteisön kanssa pyrkiä toteuttamaan entistä suurempi uuden teknologian maanalainen kaksoisbeetakoe sekä pimeää ainetta etsivä koe. Samanaikaisesti maailman hiukkasfysiikan tutkimusyhteisö on tehnyt kiihdytinkokeita varten omaa strategiaansa, johon sisältyy suuria neutriinobiimikokeita. Cernin neuvoston aloitteesta vuonna 2006 laadittiin Euroopan hiukkasfysiikan strategia (The European strategy for particle phycics). Siinä todetaan muun muassa: 1 Euroopan tiedeyhteisön suunnitelmat tulevaisuuden maanalaisille kokeille 43

44 Studies on the scientific case for future neutrino facilities and the R&D into associated technologies are required to be in a position to define the optimal neutrino programme based on the information available in around 2012; Council will play an active role in promoting a coordinated European participation in a global neutrino programme. A range of very important non-accelerator experiments take place at the overlap between particle and astroparticle physics exploring otherwise inaccessible phenomena; Council will seek to work with ApPEC to develop a coordinated strategy in these areas of mutual interest. Tämän perusteella neutriinokokeista voidaan tehdä päätöksiä vuonna 2012, mihin mennessä kansainvälisen neutriinoyhteisön tulee laatia selkeä koesuunnitelma. Euroopan suurimpien tutkimusinfrastruktuurien rakentamisesta keskustellaan strategisen forumin ESFRIn puitteissa (European Strategic Forum for Research Infrastructures). Se pitää listaa suunnitelluista ja suositelluista infrastruktuureista. Päästäkseen listalle infrastruktuurin tulee olla riittävän suuri, tyypillisesti investointikulut ovat yli 100 miljoonaa euroa, hyödyntää laajalti eurooppalaista tiedeyhteisöä sekä osoitettu toteuttamiskelpoiseksi. Viimeinen vaatimus käytännössä tarkoittaa, että hanke on edennyt puiteohjelman Design Study -vaiheeseen, josta on saatu positiivisia tuloksia. Euroopan astrohiukkasfysiikan hankkeista ESFRIn listalla on Välimerelle suunnitteilla oleva kuutiokilometrin neutriinokoe, jolla etsitään kosmisista lähteistä tulevia suurenergisiä neutriinoja. Ehdokashankkeiden listalla on ollut edellä mainittu CTA, joka ei kuitenkaan ole vielä saanut valmistelurahoitusta komissiolta. Parhaillaan Euroopan rahoittajaorganisaatioiden yhteiselin ApPEC laatii esitystä uusien hankkeiden tuomiseksi ESFRI:n tiekartalle. Se suosittelee, että LAGUNA-hanke otetaan suositeltujen hankkeiden listalle pikimmiten, eli heti, kun Design Study tuottaa realistiset esisuunnitelmat, kustannusarviot ja osoittaa hankkeen teknisesti toteuttamiskelpoiseksi ja tieteellinen motivaatio selvitetään täsmällisesti. Luonnoskirjeessä (toistaiseksi epävirallinen tieto) ehdotetaan: The inclusion of the megaton-scale detector is considered for inclusion in the ESFRI roadmap in its next upgrade, when the Design Study results will start to be formulated and a few key elements of the discovery potential (range of values of unknown neutrino angle, neutrino beam schedules, world context) are better known. Myös muita edellä manittuja painopistealoja esitetään ehdokaslistalle. Seuraavassa esitellään eräitä esillä olevia tulevaisuuden kokeita, jotka voisivat sijoittua Suomeen. Kokeiden päätöksenteko kestää vuosia ja sitä ennen on tehtävä lukuisia selvityksiä. 5.2 Astrohiukkasfysiikan kokeet: LAGUNA Euroopan tutkijayhteisö on perustanut LAGUNA-hankkeen suunnittelemaan suuria kokeita. Se on erityisesti EU-hanketta varten luotu yhteenliittymä, jolle myönnetään vuosille noin 1.7 miljoonan euron avustus seitsemännen puiteohjelman Design Study -ohjelmasta. Hankkeen on tarkoitus alkaa ja kestää 24 kuukautta. LAGUNA-hankkeen tavoitteena on selvittää kokeiden vaatiman maanalaisen infrastruktuurin toteutettavuus ja kustannukset. Tulosten perusteella rahoitus- ja hallinto-organisaatioiden pitäisi voida tehdä päätökset laboratorion rakentamisesta ja sijoituspaikasta. Työohjelmassa on neljä työpakettia: 1. hallinto 2. maanalainen tilojen rakennus 3. turvallisuus, ympäristö ja yhteiskunnalliset vaikutukset 4. tieteellinen optimointi ja tutkimuspotentiaalin selvitys Näistä paketti 2 on rahoitusosuudeltaan selvästi suurin. Sen puitteissa tutkitaan seitsemää ehdokasta laboratorion sijoituspaikaksi. Nämä sijaitsevat Suomessa, Ranskassa, Espanjassa, Puolassa, Italiassa, Englannissa ja Romaniassa. LAGUNA-konsortioon kuuluu 19 jäsentä yhdeksästä maasta. Näistä 14 on tieteellisiä osapuolia eli yliopistoja tai tutkimuslaitoksia ja 5 yrityspartneria, jotka vastaavat teknistä suunnittelusta ja Euroopan tiedeyhteisön suunnitelmat tulevaisuuden maanalaisille kokeille 44

45 selvitystyöstä. Suomesta ovat mukana Oulun ja Jyväskylän yliopistot sekä yrityspartnerina Kalliosuunnittelu Oy Rockplan Ltd. Hankkeen koordinaattorina toimii André Rubbia, ETH Zürich, ja johtoryhmässä ovat Franz von Feilitzsch, Neil Spooner ja Agnieweska Zalewska. LAGUNA-hankkeeseen liittyvissä kollaboraatioissa on mukana pian yli 100 tutkijaa yli 30:sta instituutista ainakin kahdestatoista eri maasta (Saksa, Sveitsi, Ranska, Iso-Britannia, Italia, Espanja, Portugali, Puola, Venäjä, Tanska, Romania ja Suomi). Suomesta on edellä mainittujen tahojen lisäksi kiinnostusta ja sopivaa osaamista ainakin Turun ja Helsingin yliopistoissa ja Geodeettisella laitoksella. LAGUNA-hankkeessa suunniteltavien kokeiden tieteellisinä tavoitteina on: 1. Protonin hajoamisen etsiminen: Hiukkasfysiikan vallitsevan teorian, standardimallin mukaan protoni on pysyvä. Suuret yhtenäisteoriat, eli ehdotetut teoriat, jotka selittävät kaikki hiukkasfysiikan vuorovaikutukset yhdellä kertaa, kuitenkin ennustavat, että protonilla on tiettyjä äärimmäisen harvinaisia hajoamismuotoja. Tällöin maailmankaikkeuden aine muuttuisi lopulta säteilyksi. Välitöntä huolta ei kuitenkaan ole, sillä ennustettu elinikä olisi suuruusluokkaa 1035 vuotta. Protonin hajoamisen löytäminen olisi selkeä merkki standardimallia syvemmästä teoriasta. 2. Maasta tulevien neutriinojen havaitseminen: Maan radioaktiivsuus synnyttää neutriinoja (tarkemmin: elektronin antineutriinoja). Näitä mittaamalla voidaan tutkia maapallon rakennetta ja sen sisäistä energiantuotantoa, joka aiheuttaa muun muassa mannerten liikunnan ja maan magneettikentän. Maaneutriinojen havainnointi avaa aivan uuden ikkunan maapallon tutkimiseen. Maapallon sisäosat tunnetaan edelleen erittäin huonosti, jopa paljon huonommin kuin auringon sisus. 3. Auringosta tulevien neutriinojen havaitseminen: Aurinko tuottaa energiaa ydinreaktoillla, joissa syntyy myös neutriinoja. Niiden havainnointi toisi lisätietoja auringon sisäosista ja sen energiantuotosta. Uudet kokeet pystyvät mittaamaan neutriinojen energiaspektrin aiempaa tarkemmin ja siten ne tuovat paljon yksityiskohtaisempaa tietoa auringon toiminnasta, ja ehkä myös neutriinojen ominaisuuksista. 4. Ilmakehässä syntyvien neutriinojen havaitseminen: Näillä voidaan määrittää neutriinojen ominaisuuksia entistä tarkemmin. Vaikka siitä on jo yksi Nobelin palkinto annettu, niin tarkemmat mittaukset voivat paljastaa hienompia salaisuuksia. 5. Räjähtävästä tähdestä eli supernovasta tulevien neutriinojen havaitseminen: Tähden räjähtäminen supernovana on kauan tunnettu ilmiö, mutta räjähdystä ei edelleenkään ymmärretä täysin. Neutriinohavainnot voisivat tuoda merkittävää tietoa niin kuolevan tähden räjähtämisestä kuin neutriinojen ominaisuuksista. 6. Pimeän aineen epäsuora havaitseminen: Suurin osa maailmankaikkeutta koostuu aineesta, jota ei tunneta. Teoreetikot ovat ehdottaneet, että pimeä aine olisi raskaita heikosti vuorovaikuttavia alkeishiukkasia. Sellaisten löytäminen olisi vallankumouksellinen havainto. Hankkeen tieteellisestä motivaatiosta on valmistunut dokumentti (Large Liquid Detectors in Europe: Scientific Case, J. Autiero et al, mm. J. Äystö, T. Enqvist, P. Kuusiniemi, J. Maalampi, J. Peltoniemi, M. Roos, JCAP 11(2007)011). Ilmaisinteknologioista ja tutkittavista ilmiöistä on tehty lukuisia erillisjulkaisuja ja raportteja. LAGUNA-hankkeen puitteissa tutkitaan kolmea ilmaisinteknologiaa. Niiden pohjalta työstetään kolmea koe-ehdotusta, jotka esitellään seuraavassa. Tarkoitus olisi, että näiden pohjalta muotoutuu yksi yhteinen ja lopullinen työsuunnitelma. LENA Münchenin teknillisen yliopiston tutkijat esittivät useita vuosia sitten uutta neutriinokoetta, jolle he antoivat nimen LENA (Low Energy Neutrino Astronomy). Erittäin monikäyttöinen koe koostuu jättimäisestä tankista ilmaisinnestettä. Se perustuu paljolti Gran Sassossa toimivan Borexino-kokeen pohjalta saatuihin kokemuksiin. Euroopan tiedeyhteisön suunnitelmat tulevaisuuden maanalaisille kokeille 45

46 Kokeen kollaboraatio on kasvamassa ja virallinen koe-ehdotus on tekeillä. LENA-kokeen piirissä työskentelee nyt useita päätoimisia tutkijoita Münchenissä ja muualla. Puhemiehenä on professori Franz von Feilitzsch (TUM). Oheisessa taulukossa esitetään LENA-kokeen ominaisuudet: Koe Tutkimuskohde Tilanne Laiteisto Paikka Toteuttaja Koko Kustannusarvio Aikataulu Suomen ja Pyhäjärven vahvuudet Muu synergia LENA (neutriinot) Maan sisältä, auringosta ja räjähtävistä tähdistä (supernovista) tulevat neutriinot, aineen harvinaiset hajoamisreaktiot (protonin stabiilisuus) Vakavasti kehitteillä (Münchenissä useita päätoimisia henkilöitä) Hyvin suuri säiliö erikoisöljyä (PXE tai LAB), jossa hiukkasen synnyttämä valotuikahdus havaitaan säiliön reunoilla olevilla herkillä valoilmaisimilla. Uudet tilat 1400 m syvyydellä, mahdollisesti syvemmälläkin Kv. Kollaboraatio, mm. Münchenin teknillinen yliopisto, Hampurin yliopisto, CUPP, INR (Venäjä), Jyväskylän yliopisto, Ranska 30 m x 30 m x 90 m MEUR Syvyys, etäisyys ydinreaktoreista (häiritsevä tausta), turvallisuus ja ympäristökysymykset Voi toimia öljyn strategisena varmuusvarastona Kokeen kustannusarvio on vielä avoin haarukassa MEUR. Suurin kustannuserä on 50 kilotonnia erikoisöljyä. On huomattava, että se ei kulu kokeen aikana mihinkään, vaan on käytettävissä sen jälkeen muihin tarkoituksiin. Todennäköisesti öljyn arvo vain kasvaa, ja se voidaan myydä pois voitolla. Olisi myös järkevä vaihtoehto, että valtio ostaisi öljyn varmuusvarastoksi, jolloin tutkimuskeskus vastaisi sen säilyttämisestä. LENA-kokeessa kehiteltävällä teknologialla voisi olla sovelluksia myös ydinvoimaloiden etävalvontaan. Paitsi että voimayhtiöt voivat käyttää teknologiaa edullisesti polttoaineen koostumuksen seurantaan, niin suuremmassa mittakaavassa sillä voidaan havaita asemateriaalia tuottavien reaktorien olemassaolo rajojen takaa. Tällä voisi olla suuri merkitys rauhantyössä ja ydinaseiden leviämisen estämisessä. Münchenin teknillinen yliopisto on aloittanut LENA-kokeen suunnittelun. Se on jo tehnyt yhteensä euron arvosta suunnittelusopimuksia suomalaisen yritysryhmän kanssa Pyhäsalmelle toteutettavan maanalaisen infrastruktuurin esiselvityksestä. Euroopan tiedeyhteisön suunnitelmat tulevaisuuden maanalaisille kokeille 46

47 Hahmotelma LENA-kokeen mittaussäiliöstä. Säiliössä olisi tonnia tuikenestettä (erikoisöljyä) ja sen seinillä valomonistinputkea. Sisä- ja ulkosäiliöiden välissä on vettä säteilysuojana. (LENA-TUM) GLACIER GLACIER on tekniikaltaan nestemäisellä argonilla täytetty aikaprojektiokammio (TPC). Koe sisältänee 100 kilotonnia nestemäistä argonia. Kokeessa hyödynnetään erityisesti ICARUSkokeessa hankittua osaamista ja teknologiaa. Kollaboraatiossa on mukana tutkijoita Sveitsistä, Puolasta, Espanjasta, Iso-Britanniasta, Italiasta ja Espanjasta. Johtavana instituuttina on ETH Zürich ja puhemiehenä André Rubbia. Kokeen vaatima tila on muodoltaan hyvin haastava, 70 m läpimittainen sylinteri. Itse asiassa yhtä suurta jänneväliä ei ole toteutettu vielä missään maanalaisessa tilassa edes matalalla (ennätys on Gjövikin jäähalli 66 m). Kiven laatu voi olla tärkein sijoituspaikkaa rajaava tekijä - tässä Suomella on vahva etuasema. Oheisessa taulukossa esitetään GLACIER-kokeen ominaisuudet: Euroopan tiedeyhteisön suunnitelmat tulevaisuuden maanalaisille kokeille 47

48 Koe Tutkimuskohde Tilanne Laitteisto Paikka Toteuttaja Koko Kustannusarvio Aikataulu Suomen ja Pyhäjärven vahvuudet Muu synergia GLACIER (neutriinot) Auringosta, ja räjähtävistä tähdistä (supernovista) tulevat neutriinot, aineen harvinaiset hajoamismuodot (protonin hajoaminen) Vakavasti kehitteillä Hyvin suuri säiliö nestemäistä argonia. Uudet tilat vähintään 300 m syvyydellä Kv. Kollaboraatio, mm. ETH Zürich, Espanja, Italia, Englanti, Puola,... Halkaisija 70 m, korkeus 20 m 340 MEUR Luja peruskallio, kalliorakentamisen osaaminen Neutriinobiimikokeet: korkean energian beetabiimi Hahmotelma GLACIER-kokeen tankista. Tämän korkeus on 20 metriä ja halkaisija 70 metriä. (AR?) MEMPHYS MEMPHYS on jättiläismäinen vesi-tserenkovin ilmaisin. Sen oletuspaikkana on Ranska, mutta jos ja kun se osoittautuu mahdottomaksi rakentaa ranskalaiseen kallioon, niin Suomen peruskallio voi tarjota vaihtoehdon. Koe on mittasuhteiltaan niin valtava, että paremmat kallion rakennettavuusominaisuudet voivat tuoda kymmenien miljoonien säästöt. Oheisessa taulukossa esitetään MEMPHYS-kokeen ominaisuudet: Koe Tutkimuskohde Tilanne Laiteisto Paikka Toteuttaja Koko Kustannusarvio Aikataulu Suomen ja Pyhäjärven vahvuudet Muu synergia MEMPHYS (neutriinot) Ilmakehästä, auringosta, ja räjähtävistä tähdistä (supernovista) tulevat neutriinot, aineen harvinaiset hajoamisreaktiot Vakavasti kehitteillä (Ranksassa useita päätoimisia henkilöitä) Hyvin suuri säiliö puhdasta vettä.hiukkasen synnyttämä valotuikahdus havaitaan säiliön reunoilla olevilla herkillä valoilmaisimilla. Uudet tilat 1400 m syvyydellä Kv. Kollaboraatio, mm.ranska > 500 m3, joko useita 60 m läpimittaisia sylintereitä tai yksi pitkä 60 m paksu putki >500 MEUR Syvyys, peruskallio Voi toimia juomaveden strategisena varmuusvarastona Euroopan tiedeyhteisön suunnitelmat tulevaisuuden maanalaisille kokeille 48

49 MEMPHYS-kokeen hahmotelma Frejus'n laboratorioon Ranskan ja Italian rajalle Alppien alle. Vesitankkeja voi olla kolmesta viiteen. Punaisella merkityn turvatunnelin rakentaminen mahdollistaa uuden laboratorion rakentamisen. Käytännössä tankit pitää viedä kuvassa esitettyä kauemmaksi tiestä ja kauemmaksi toisistaan. 5.3 Hiukkaskiihdyttimillä tehtävät neutriinobiimikokeet Neutriinojen tuotto hiukkaskiihdyttimillä Eri puolilla maailmaa suunnitellaan intensiivisesti uusia hiukkaskiihdyttimiin perustuvia neutriinojen tuotantolaitoksia. Näillä tutkitaan neutriinojen ominaisuuksia hallitusti laboratorioolosuhteissa. Neutriinojen ominaisuuksien tarkka määritys voi paljastaa hiukkasfysiikan perustavia salaisuuksia sekä ihan konkreettisesti helpottaa neutriinojen käyttöä viestintuojina tutkittaessa niin maasta kuin avaruudesta tulevia neutriinoja. Esillä on kolme erilaista kiihdytinkonseptia: superbiimi : Konventionaalisesti pionien hajoamisella tuotettu neutriinobiimi, joka on kuitenkin tavallista intensiivisempi. beetabiimi : Kiihdytetään radioaktiivisia ytimiä, jotka hajoavat varastorenkaassa beetasäteilyksi, mistä syntyy puhdas neutriinobiimi. neutriinotehdas : Tuotetaan myoneja, jotka kiihdytetään suuriin energioihin. Hajoavat myonit tuottavat puhtaita biimejä. Kaikkien ajatuksena on tuottaa hyvin voimakas neutriinosuihku ( biimi ), joka suunnataan maan lävitse satojen tai tuhansien kilometrien päähän, jossa sitä mitataan jättimäisellä ilmaisinlaitteella. Biimiteknologian valinta riippuu ratkaisevasti pian mittauksensa aloittavien kokeiden tuloksista, joita odotellaan vielä ainakin pari vuotta. Mahdollisia ehdokkaita neutriinolähteen sijoituspaikaksi ovat CERN Sveitsissä, RAL Englannissa, Brookhaven ja Fermilab Yhdysvalloissa sekä Tokaimura Japanissa. Beetabiimin paikaksi on ehdotetty myös Legnaroa, Ganilia, Darmstadtia, Lundia ja uutta laboratoriota kehittyvällä alueella, mutta nämä lienevät vähemmän todennäköisiä paikkoja. Uusien neutriinolähteiden kehittelyyn on investoitu maailmalla jo kymmeniä miljoonia euroja. Aiemmin on toteutettu lyhyemmän kantaman kokeita ja rakenteilla on kaksi keskipitkän kantaman koetta Euroopassa (CERN Gran Sasso) ja Yhdysvalloissa (Fermilab Soudan). Euroopan tiedeyhteisön suunnitelmat tulevaisuuden maanalaisille kokeille 49

50 Neutriinotehtaan esisuunnitelma. Kiihdytinlaitteisto koostuisi useasta erillisestä kiihdyttimestä, joilla kiihdytetään myoneja lopulliseen energiaan, sekä kahdesta hajoamisrenkaasta, jossa myonit hajoavat neutriinoiksi. Näin tuotetaan kaksi neutriinosuihkua, jotka voidaan suunnata haluttuihin suuntiin. [ISS] Neutriinojen vastaanottoasema: maanalainen laboratorio Vastaanottoaseman pitäisi sijaita juuri sopivalla etäisyydellä lähettimestä. Käytännössä se vaatii syvän maanalaisen laboratorion, jonne on hyvät yhteydet ja jossa on kehittynyt infrastruktuuri. Cernin suunnitteleman neutriinotehtaan vastaanottimen sijoituspaikaksi ehdolla ovat olleet muun muassa Gran Sasso Italiassa, Kanarian saaret ja Huippuvuoret. Optimaalisin etäisyys riippuu niin teknologiasta kuin halutusta fysiikasta. Pääsääntöisesti pitempi on parempi, mutta kiihdyttimen maksimienergia asettaa usein maksimin. Sopiva etäisyys eri kiihdytinteknologioille olisi suunnilleen seuraavaa: 1. Superbiimi: Cernin perusmallissa tuotetaan varsin matalaenergisiä neutriinoja, noin 300 MeV. Näille sopiva etäisyys on muutama sata kilometriä. Amerikkalaiset taas kehittelevät suurenergisempää biimiä, 1-6 GeV, mille paras etäisyys on km. Jos Cerniin voitaisiin rakentaa samanlaisen mallin mukainen kiihdytinlaitteisto, Suomi olisi juuri sopivalla etäisyydellä. Tämä ei kuitenkaan vaikuta kovin todennäköiseltä, koska se vaatisi suurempia investointeja kuin matalaenergiabiimi, joka voi käyttää paremmin olemassaolevaa laitekantaa. 2. Beetabiimi: Alkuperäinen idea perustuu ytimiin (6He, 18Ne), joiden Q-arvo on muutama MeViä. Käyttäen Cernin olemassaolevaa kiihdytintä (SPS) sillä voidaan tuottaa n MeV:n neutriinobiimi, jolle optimaalisin etäisyys on km. Paljon parempia tuloksia voidaan saavuttaa, jos käytetään korkean Q:n ytimiä (8B, 8Li), joilla voidaan saavuttaa 4-6 GeV:n neutriinoenergia. Tälle optimaalisin etäisyys on n km, eli juuri Cernistä Suomen etelärannikolle. Etäisyys Pyhäsalmelle (2288 km) ei liene paljon huonompi. Jos Cern rakentaa joskus tulevaisuudessa (LHC-kiihdyttimen tarpeisiin) SPS-kiihdyttimen Euroopan tiedeyhteisön suunnitelmat tulevaisuuden maanalaisille kokeille 50

51 tilalle uuden hieman korkeampienergisen SPS2-kiihdyttimen, voidaan biimienergiaa nostaa vielä kaksinkertaiseksi, ja optimaalisempi paikka voisi olla pohjoisemmassa Suomessa. 3. Neutriinotehdas: Optimaalisin konfiguraatio sisältää kaksi biimiä, toinen km ja toinen km. Pyhäsalmen etäisyys CERNistä, 2288 km, vaikuttaa tämän hetkisen tilanteen valossa varsin hyvältä, muta Pohjois-Lappi olisi ilmeisesti vieläkin parempi. Vielä on liian aikaista sanoa, onko Pyhäsalmi riittävän hyvä. Toisaalta Pyhäsalmen etäisyys Japanista Tokaimurasta on 7100 km, joten se olisi hyvä kaukoilmaisimeksi, jos neutriinotehdas rakennettaisiinkin Japaniin. Etelä-Suomi olisi vieläkin optimaalisemmalla 7300 km etäisyydellä. Sen sijaan etäisyydet Amerikasta Suomeen eivät ole sopivia. Kuvassa on esitetty mahdolliset paikat neutriinotehtaalle, sekä kiinnostavat etäisyydet, 3000 km ja 7500 km. Jälkimmäistä välimatkaa pidetään maagisena, koska silloin mitattavien suureiden vaikutukset erottuvat toisistaan parhaiten. (W. Winter) Neutriinolinjan tiheysprofiilin muoto ja mallin tarkkuus voivat vaikuttaa merkittävästi neutriinokokeiden mittaustarkkuuteen. Linjan CERN-Pyhäsalmi tiheysprofiili on mallinnettu erittäin hyvin, koska siitä on saatavilla runsaasti geofysikaalista mittausaineistoa. Kilpailevista linjoista ei ole saatavilla yhtä paljon tietoa, eikä kaikkia ylipäätään voi mallintaa yhtä tarkasti. Monet muista ehdotetuista linjoista kulkevat valtamerten alta, eikä meren alta voida tehdä vaadittavia mittauksia, joilla tiheysprofiili selvitettäisiin. Tältä osin Suomella on ainutlaatuinen kilpailuetu puolellaan. Mahdollisen ilmaisimen ominaisuudet on esitetty seuraavassa taulukossa: Euroopan tiedeyhteisön suunnitelmat tulevaisuuden maanalaisille kokeille 51

52 Koe Tutkimuskohde Tilanne Paikka Laitteisto Neutriinotehtaan etäilmaisin Kaukaisella ( km) hiukkaskiihdyttimellä tuotetut neutriinot Suunnitteilla, kansainvälinen selvitystyö menossa, päätökset lähivuosina Uudet tilat 1400 m syvyydellä A) Magneettinen rautakalorimetri (yli tonnia rautaa) vaihtoehdot B) Magneettinen tuikeilmaisin (TASD = Totally Active Scintillator Detector), 25 kton öljyä C) Nestemäiseen argoniin (jopa tonnia) perustuva uuden teknologian ilmaisinlaitteisto. Toteuttaja Koko Kustannusarvio Aikataulu Pyhäjärven etu D) Magneettinen emulsioilmaisin Kv. Kollaboraatio, mm. CERN, RAL (Englanti) 30 m x 30 m x 120 m M Sopiva etäisyys hiukkaskiihdytinkeskuksista, mahdollisuus suurten tilojen louhimiseen, kulkuyhteydet raskaille kuljetuksille Pyhäsalmelle voidaan suunnata neutriinosuihku kiihdytinkeskuksesta suoraan kiven läpi. Kuvassa on neutriinosuihkun suunnat useista vaihtoehtoisista paikoista Pyhäsalmelle. Cernistä matkaa neutriinoille tulee 2288 kilometriä, ja neutriinot saapuvat perille alaviistosta 10 asteen kulmassa. Hiljattain on esitetty ajatuksia n.s. off-beam-mallista. Hieman biimilinjan sivussa neutriinojen energia olisi pienempi, ja tälläisellä sivussa olevalla ilmaisimella tutkittaisiin matalaenergisimpiä neutriinoja. Kun ilmaisin voidaan optimoida tietylle energialueelle eikä tarvitse välittää muista energioista, niin kokeen tarkkuus ja signaali-kohinasuhde kasvavat merkittävästi. Kahden tai jopa kolmen erikoisilmaisimen vaihtoehto voisi olla paljon kustannustehokkaampi kuin yksi ainoa yleisilmaisin. Sivuilmaisinten pitäisi olla noin 5-30 mrad kulmassa biimiakseliin nähden, mikä tarkoittaisi Pyhäjärvi-CERN biimilinjalle sitä, että sivuilmaisimet sijoitetaan kilometriä sivuun, tai km eteen tai taakse, jos ne ovat biimilinjan suunnassa. Esimerkiksi Otanmäen kaivos olisi juuri sopivalla kohtaa, muuten pitää rakentaa oma yhteys maan alle. Euroopan tiedeyhteisön suunnitelmat tulevaisuuden maanalaisille kokeille 52

53 Neutriinotehtaan sivuilmaisinten paikkoja: Kuvassa on piirretty katkoviivalla neutriinojen biimilinja Cernistä Suomeen Pyhäjärvelle. Punaiset ympyrät ovat projektioita mrad kulmapoikkeamista biimilinjan akselin sivuun. Sopivin poikkeama riippuu niin biimin energiasta kuin ilmaisinten optimoinnistakin. Todennäköisimmillä parametreillä sivuilmaisinten tulisi olla kahden sisimmän ellipsin sisällä. Euroopan tiedeyhteisön suunnitelmat tulevaisuuden maanalaisille kokeille 53

54 Kansainväliset suunnitteluhankkeet ja kustannusarvio CUPP-hanke on mukana neutriinokokeita kartoittavassa kansainvälisessä IDS-selvitystyössä (International Design Study). Selvityksen tarkoituksena on tutkia fysiikkaa, kehittää laitteistoa sekä priorisoida kiihdytinkonseptit sekä ilmaisinlaitteet. Alustavia päätöksiä voidaan tehdä lähivuosina, Cernin strategiassa on mainittu vuosi Euroopan komissio on myöntänyt seitsemännen puiteohjelman ensimmäisestä infrastruktuurihausta 4 miljoonaa euroa EUROneutrino-hankkeelle, joka suunnittelee eurooppalaisia neutriinobiimejä. Suomen osuus kokeen kokonaisbudjetista riippuu neuvottelutuloksesta. Itse kiihdytin maksaa tehosta ja muista ominaisuuksista riippuen 1-2 miljardia sekä tutkijoiden henkilötyöpanoksia. Se siis voidaan rahoittaa normaaleilla Cernin jäsenmaksuilla, eikä se vaadi jäsenmaksujen korotusta (joissa on kyllä paljon korotuspainetta LHC:n takia), toisin kuin sen kanssa kilpaileva lineaarikiihdytin, joka maksaa kertaluokkaa enemmän (tämänhetkiset arvaukset amerikkalaisvetoinen 0.5 TeV:n ILC miljardia dollaria, Cernin suunnittelema 3-5 TeV:n CLIC ehkä monta kertaa enemmän). Cernin hahmotelma uusille hiukkaskiihdyttimille. Huomaa oikeassa yläkulmassa, että neutriinotehtaan biimilinja osoittaa kohti Pyhäsalmea.(CERN) Euroopan tiedeyhteisön suunnitelmat tulevaisuuden maanalaisille kokeille 54

55 5.4 Muita tulevaisuuden maanalaisia kokeita Seuraavissa taulukoissa esitellään eräitä muita ehdotuksia suuren kokoluokan kokeille. Nämä ovat tutkijoiden vakavasti esittämiä ideoita, joiden toimivuutta ja mahdollisuuksia pohditaan tiiviisti tiedepiireissä eri puolilla maailmaa. Perusteellisten esiselvitysten jälkeen voidaan tehdä päätöksiä kokeiden toteuttamisesta, yksityiskohdista ja sijoituspaikasta. CUPP seuraa kokeiden kehittymistä ja on valmiina keskustelemaan niiden sijoituspaikasta. Kaikki alla mainitut kokeet vaativat uusien laboratoriotilojen rakentamisen. Koe Tutkimuskohde Tilanne Laitteisto Paikka Toteuttaja Koko Kustannusarvio Aikataulu Suomen ja Pyhäjärven vahvuudet Neutriinon massan mittaus (kaksoisbeetakoe) Aineen harvinaiset hajoamisreaktiot, neutriinon massan mittaus ja sen luonteen määritys, (mahdollisesti myös maailmankaikkeuden pimeän aineen etsiminen) Useita uuden sukupolven koe-ehdotuksia tekeillä Useita vaihtoehtoja esillä. Uudet tilat vähintään 1400 m Kv. Kollaboraatio, useita ryhmiä, mm München m M Syvyys, mahdollisuus suurten tilojen louhimiseen, turvallisuus Koe Tutkimuskohde Tilanne Laitteisto Paikka Toteuttaja Koko Kustannusarvio Aikataulu Suomen ja Pyhäjärven vahvuudet Pimeän aineen etsiminen Maailmankaikkeuden pimeän aineen etsiminen Useita uuden sukupolven koe-ehdotuksia tekeillä Useita vaihtoehtoja esillä. Uudet tilat vähintään 1400 m Kv. Kollaboraatio, useita ryhmiä, m M Syvyys, mahdollisuus suurten tilojen louhimiseen, turvallisuus Näistä todetaan astrohiukkasfysiikan tiekartassa muun muassa seuraavaa: Convergence towards a single proposal for a large-scale facility with ultimate sensitivity based on the liquid noble gases technique is strongly encouraged. We recommend a strong participation of Europeans in the future-generation detectors with sensitivity down to 20 mev. Decisions on these detectors are due by the beginning of the next decade. Hieman pienemmässä mittakaavassa on EMMA-kokeen laajennus. Rakentamalla uudet symmetriset tilat optimaalisemmalle syvyydelle noin sadan metrin päähän kaivokselta kokeen suorituskyky paranee odellisesti jopa ilman uusia laitteita. Toisaalta uudet tilat sallivat niin laajan pintailmaisinverkoston sijoittamisen maanalaisen laitteiston päälle kuin maanalaisen laitteiston pinta-alan laajentamisen. Pintailmaisinverkosto olisi ehkä saatavilla ilmaiseksi, kun KASKADEGrande-koe lopettaa Karlsruhessa noin Lopullisena tavoitteena voisi olla Super-EMMA, jonka sydämenä on magneettinen spektrometri, joka osin toimisi neutriinotehtaan ilmaisimen testilaitteistona. Koe Tutkimuskohde Tilanne Laitteisto Paikka Toteuttaja Koko Kustannusarvio Aikataulu EMMA-2/3, Super-EMMA (kosmiset säteet) Kosmisten säteiden tuottamat ilmakuurot Ideointivaiheessa, kehitellään EMMA-kokeen tilanteen mukaan Kaasutäytteiset ilmaisimet (ajautumiskammiot), tuikemuovi-ilmaisimet, pintailmaisinverkosto Uudet tilat m tasolla Kansainvälinen kollaboraatio, mm. CUPP, SGO, Jyväskylä, INR, Kiina, Tanska Yli 10 maanalaista mittauslmodulia, kymmenisä moduleja maan pinnalla > Lisäksi eräiden kolmansien osapuolten taholta on tuotu esille seuraavat ideat, jotka eivät mitenkään liity hiukkasfysiikkaan, mutta laajentavat toimintaa muiden tieteiden puolelle. Niiden tarvetta ja toteutettavuutta ei ole pohdittu CUPP-hankkeen yhteydessä. Euroopan tiedeyhteisön suunnitelmat tulevaisuuden maanalaisille kokeille 55

56 Koe Johtoajatus Käyttö Tilanne Laitteisto Paikka Toteuttaja Koko Kustannusarvio Aikataulu Suomen ja Pyhäjärven vahvuudet Muut sovellukset Painottomuushissi Luodaan sekunnin painottomuus hallitussa vapaapudotuksessa. Avaruuslaitteiden testaus Alustavassa ideointivaiheessa 1500 metriä syvä paineilmalla toimiva hissi m, pystysuora hissikuilu CUPP, Avaruuskeskus, ESA Syvyys 1500 m, läpimitta 2-10 m 2-40 MEUR Syvyys (korkeusero), mahdollisuus rakentaa edullisesti kuilu Astronauttikoulutus, elämysmatkailu, tieteiselokuvien ym tuotanto jne Koe Tutkimuskohde Tilanne Laitteisto Paikka Toteuttaja Koko Kustannusarvio Aikataulu Suomen ja Pyhäjärven vahvuudet Geofysiikan mittauskeskus Kallioperä alla ja päällä Esitetty ajatus Useita mittalaitteita ja erillisiä mittauksia Syvistä osista käsin, ehkä vaihtelevin paikoin Suomalaiset ja ulkomaiset yliopistot ja tutkimuslaitokset, esim GTK, GL Ei suuria lisätiloja >0.1 M 2010Mahdollisuus syvään kuiluun ja sieltä tehtäviin mittauksiin, mielenkiintoinen kallioperä Maanalainen tutkimus etenee askel askeleelta. Nyt ollaan astumassa toiselle askelmalle (EMMA) ja seuraavaa askelta tulisi ryhtyä valmistelemaan. Euroopan tiedeyhteisön suunnitelmat tulevaisuuden maanalaisille kokeille 56

57 Tieteen tiekartat osoittavat tien Pyhäsalmen kaivokseen. (PMO) 6 Uusi maanalainen laboratorio Eurooppaan 6.1 Eurooppalaisen laboratorion tarve ja mahdolliset sijaintipaikat Euroopassa valmistellaan useita ehdotuksia suurista maanalaisista kokeista. Näitä tutkitaan erityisesti LAGUNA-hankkeessa. Suunnitteilla olevat kiihdytinneutriinokokeet vaativat myös omat maanalaiset laboratorionsa. Niille sopiva etäisyys kiihdytinlaboratoriosta on tärkein kriteeri. Uudet kokeet eivät mahdu olemassaoleviin maanalaisiin tiloihin. Ne vaativat uudet hyvin spesifit tilat, joille on kovia laatuvaatimuksia. Tärkeitä kriteerejä uuden laboratorion suunnittelulle ja sijoituspaikalle ovat muun muassa: Onkaloiden koko ja muoto Matala taustasäteily: Riittävä syvyys ja etäisyys häiriölähteistä. Turvallisuuskysymykset: Pitkät maantietunnelit ovat osoittautuneet hyvin vaarallisiksi, ja suuren laboratorion sijoittaminen sellaisen yhteyteen voi tuottaa merkittäviä turvallisuusriskejä kummallekin osapuolelle. Toisaalta kaivoksissa on omat riskinsä, jotka on otettava huomioon. Turvallisuussyistä hiilikaivokset ovatkin pois suljettuja, mutta moderneissa metallikaivoksissa riskit ovat hyvin hallittavissa, ja ne ovat yleensä olemassaolevista paikoista turvallisimpia. Kaikkein turvallisinta olisi rakentaa laboratorio oman yhteyden varaan ilman ulkopuolista toimijaa. Ympäristökysymykset: Mitätön vuoto haisevaa nestettä aiheutti suuren ongelman Gran Sassossa, ja havahdutti tutkijat huomaamaan, että laboratorion ympäristöturvallisuus on Uusi maanalainen laboratorio Eurooppaan 57

58 erittäin vakava asia. Uusi laboratorio on rakennettava niin, että edes koelaitteiston täydellinen hajoaminen ei voi aiheuttaa ongelmia ympäristölle. Uuden laboratorion ja uusien kokeiden sijoituspaikasta kilpailevat: 1. Frejus, Ranska: Ranskalaisilla on valmiina pieni laboratorio maantietunnelissa. Sen viereen voisi olla mahdollista rakentaa jättiläismäinen uusi laboratorio. Paikan etuna on keskeinen sijainti Euroopan ytimessä, heikkoutena keskinkertainen kivi sekä sijainti maantietunnelin yhteydessä, mikä asettaa tiukkoja rajoituksia niin rakentamiselle kuin käytölle. Rakentamiseen (ja mahdollisesti kalliotutkimuksiin) päästään aikaisintaan vuonna 2012 uuden turvatunnelin valmistuttua. 2. SUNLAB, Puola: Sierocowicessä on erittäin suuri kaivoskompleksi, jossa louhitaan kuparia. Kaivos ulottuu lähes kilometrin syvyyteen, ja siellä on myös erittäin matalaaktiivisia suolakerroksia. Niihin voisi olla mahdollista rakentaa matalan taustasäteilyn laboratorio. Alustavien suunnitelmien mukaan jopa 70 m läpimittaisen onkalon rakentaminen olisi mahdollista, mikä tosin vaatii vielä varmennusta. Ongelmina voi olla kuumuus (35 C) sekä suolan reagointi valumavesiin tai pakkaseen. 3. Boulby, Englanti: Boulbyn 1000 m syvässä suolakaivos suunnittelee laajentavansa toimintaa alaspäin. Sieltä löytyy myös kovempaa kiveä (polyhaliittia) johon voisi olla mahdollista rakentaa suurempia luolia. Alustavien arvausten mukaan jopa 30 m läpimittaisen tilan louhiminen voisi onnistua. 4. Gran Sasso, Italia: Italialaiset suunnittelevat uutta laboratoriota kymmenen kilometrin päähän vanhasta. Kiven laatu estää suurten tilojen rakentamisen. 5. Canfranc, Espanja: Ei vielä hyvin määriteltyjä laajennussuunnitelmia. 6. Slanic, Romania: Varsin matalassa suolakaivoksessa on tehty lähinnä lääketieteellisiä mittauksia ihmisten säteilytasoista. Luolia voisi käyttää myös astrohiukkasfysiikan kokeisiin, ja tiettävästi heillä on suunnitteilla koe, joka haastaa meidän EMMA-kokeen. 7. Pyhäsalmi, Suomi: Useimmat edellämainituista laboratoriosta, Suomen CUPP mukaanlukien, ovat mukana aiemmin mainitussa astrohiukkasfysiikan tiekartassa. 6.2 Suomen edut sijaintipaikkana Suomi ja sen maaperä on paitsi sijaintinsa myös monien muiden ominaisuuksiensa perusteella erinomainen maanalaisen tutkimuskeskuksen sijaintipaikka. Suomella on seuraavat edut: Suomalainen peruskallio on maailman parasta. Se on tyypillisesti 2-3 miljardia vuotta vanhaa, varsin homogeenistä, seismisesti hyvin stabiilia ja sisältää vähän ruhjeita. Kivi on kovaa ja siihen on edullista louhia suuria tiloja, jotka kestävät vuosikymmeniä. Ominaisuus korostuu, kun tarvitaan läpimitaltaan kymmeniä metrejä olevia, hyvin suuria onkaloita. Suomen kiinteä peruskallio on myös vesitiivistä, toisin kuin Keski-Euroopassa tyypillinen kalkkikivi, joka johtaa vettä. Suomalainen kalliorakennusosaaminen on maailman huippuluokkaa. Tämä mahdollistaa erikoisten tilojen ja rakenteiden asiantuntevan ja luotettavan suunnittelun ja tekee rakentamisesta kustannustehokasta. Myös geologinen osaaminen on kansainvälisestikin ainutlaatuista, koska geologian tutkimuskeskus (GTK) on edelleen erittäin vahva tutkimuslaitos, toisin kuin useimmissa muissa maissa, missä geologian tutkimus on järjestelmällisesti ajettu alas. Uusi maanalainen laboratorio Eurooppaan 58

59 Maailman kalliolaatualueet. Punaisella on peruskalliota, joka on muodostunut yli milrardi vuotta sitten. Se sopii erinomaisesti kalliorakentamiseen. Valkoisilla alueilla nuoret sedimenttikivet peittävät peruskallion. Pehmeä sedimenttikivi on hyvin haastavaa, ja joskus vettä johtavaa. Vihreät ovat vuoristovyöhykkeitä, joiden kallionlaatu vaihtelee, mutta on yleensä aika heikkoa. Osa vuoristoista on vielä aktiivisia, mikä aiheuttaa omat riskinsä (GTK). Kaivokseen tai muualle maan pintatason alapuolelle rakennettu laboratorio on ympäristölle ja sivullisille erittäin turvallinen verrattuna maantietunneliin rakennettuun laboratorioon. Suomen paksun maankuoren ja kylmän ilmaston vuoksi lämpötila syvälläkin (1500 m) on vielä riittävän matala (20-25 C), kun se muualla yleensä kohoaa hyvin korkeaksi (jopa >35 C). Lämpö häiritsee mittalaitteita ja vaikeuttaa työntekoa, ja yli 25 asteen kuumuus todennäköisesti vaatii koneellisen jäähdytyksen koelaitteistoille. Mittaustiloja voidaan edullisesti jäähdyttää, koska lämpö voidaan pumpata lämpöpumpuilla maan pinnalle talojen lämmittämiseen, mikä pitkällä tähtäimellä todennäköisesti tuo tuloja enemmän kuin aiheuttaa kustannuksia. Pohjois-Suomessa ydinreaktoreista tuleva, eräitä mittauksia häiritsevä neutriinosäteily on selvästi pienempää kuin muualla Euroopassa. Erityisesti Keski-Eurooppaan tai Länsi-Venäjään verrattuna ero on jopa kymmenkertainen. Suomi on riittävän kaukana hiukkaskiihdytinkeskuksista. Esimerkiksi etäisyys Cernistä Pyhäsalmelle on 2288 km, ja Tokaimurasta (Japanista) 7090 km. Nämä ovat tutkimuksen kannalta hyvin edullisia etäisyyksiä. Uusi maanalainen laboratorio Eurooppaan 59

60 Kuvaan on piirretty Euroopan toimivat ydinvoimalat ja maanalaiset laboratoriot. Keskisessä Euroopassa sekä Venäjällä ydinvoimalat aiheuttavat paljon neutriinosäteilyä, joka häiritsee avaruudesta tai maaperästä tulevien neutriinojen mittausta. Suomessa reaktoritausta on paljon pienempi. Uusia reaktoreita suunnitellaan eri puolille Eurooppaa sekä Välimeren alueelle, ei siis pelkästään Suomeen.(IAEA/KL) Maan tiheys neutriinolinjalla CERN-Suomi on mallinnettu erittäin tarkasti, koska kyseiseltä linjalta on runsaasti geofysikaalista mittausdataa. Tällä on tärkeä merkitys mahdollisella neutriinotehtaalla tehtäville tarkkuusmittauksille. Vastaavaa tietoa ei ole saatavissa muihin laboratorioihin suuntautuvilta neutriinolinjoilta, koska ne kulkevat suurelta osin merien alla, missä on vaikeaa ja kallista tehdä geofysikaalisia mittauksia. Mahdollisimman pohjoinen sijainti on eduksi räjähtävästä tähdestä eli supernovasta tulevia neutriinoja tutkittaessa, koska suurin osa Linnunradan tähdistä on eteläisellä tähtitaivaalla. Supernovan neutriinojen tutkimiselle on etu, että neutriinot tulevat laboratorioon alhaaltapäin maan läpi. Maailman supernovaobservatorioiden olisi hyvä olla mahdollisimman kaukana toisistaan, jotta eri laboratorioiden havaintojen aikaeron avulla voitaisiin ottaa suuntima supernovaan. Useimmat muut laboratoriot ovat melkein samalla leveysasteella, mikä voi tietyssä suunnassa aiheuttaa pahan epätarkkuden suuntimaan, ja siksi uusi koe pitäisi sijoittaa toiselle leveysasteelle. Suomen vakaa yhteiskuntarakenne ja toimiva poliittinen hallintojärjestelmä mahdollistavat pitkäjänteisen suunnittelun ja yleinen kansalaisturvallisuus lisää mahdollisuutta erittäin suurten kokeiden sijoittamiseksi maahamme. Suomessa ei vielä ole eurooppalaisia tutkimuskeskuksia. Ranskassa niitä on joka kylässä. Uusi maanalainen laboratorio Eurooppaan 60

61 Joitain eurooppalaisia tutkimuskeskuksia. Kuten kuvasta näkyy, Keski-Eurooppa on täynnä yhteisiä tutkimuslaitoksia ja infrastruktuureja, mutta pohjoisessa ei ilmeisesti ole vielä ensimmäistäkään. Itse asiassa Suomessa on jo kaksi tai kolme tilaa, joita voidaan kutsua maanalaiseksi laboratorioksi. Otaniemessä on VTT:n laboratorio, jossa tutkitaan kalliorakentamista. Olkiluodon Onkalossa tutkitaan ydinmateriaalin loppusijoitusta 600 metrin syvyydessä. GTK on porannut Outokumpuun geologisia ja geofysikaalisia tutkimuksia varten 2,5 km syvän reiän, jota se myös sanoo maanalaiseksi laboratorioksi. Muita tarkoituksia varten Suomeen on rakennettu erittäin suuria maanalaisia tiloja. Esimerkiksi öljyn ja kaasun varmuusvarastoja on louhittu kallioon kymmenien tai jopa satojen metrien syvyyksille. Suurin yksittäinen säiliö on tilavuudeltaan kaksi miljoonaa kuutiometriä. Usein suurten tilojen rakentaminen maan alle tulee halvemmaksi kuin maan päälle, ja niiden ylläpito on edullisempaa. Maanalaiset tilat ovat myös inhimillisessä mittakaavassa lähes ikuisia. 6.3 Pyhäsalmen kaivos Pyhäjärven kaupungissa sijaitsee Pyhäsalmen sinkki- ja kuparikaivos. Kaivoksen omistaa Pyhäsalmi Mine Oy, jonka omistaa Inmet Finland Oy, jonka omistaa Inmet Sweden Ab, jonka omistaa Inmet Mining Corporation, Toronto, Kanada, joka on noteerattu Toronton pörssissä Kaivos tuottaa kuparia, sinkkiä ja pyriittiä (Fe3S2). Vuodessa malmikiveä louhitaan noin 1.4 miljoonaa tonnia. Tämänhetkisen arvion mukaan kaivostoiminta jatkuu vuoteen 2018 asti. Malmin hintataso voi muuttaa arviota vuodella tai parilla suuntaan tai toiseen. Uutta malmia etsitään koko ajan alkanut kairauskampanja kestää noin vuoteen 2010 saakka. Pyhäsalmen kaivos on Suomen ensisijainen ehdokaspaikka uudelle maanalaiselle laboratoriolle. Se sopii erinomaisesti seuraavista syistä: Se on Euroopan syvin metallikaivos, suurimmalta syvyydeltään 1444 m. Tämä on selvästi enemmän kuin Gran Sasson, Canfrancin tai Boulbyn laboratorioissa. Uusi maanalainen laboratorio Eurooppaan 61

62 Olemassaolevaan reikään rakentaminen on nopeampaa, varmempaa ja edullisempaa kuin uuden syvän kuilun rakentaminen vihreälle niitylle. Kaivokselle on hyvät liikenneyhteydet, niin maanteitse kuin rautateitsekin. Erityisen tärkeää on junayhteys raskaiden tavaroiden kuljetusta varten. Kahden tunnin ajomatkan päässä on kolme merkittävää lentoasemaa ja kolme yliopistoa. Kaivoksen ja sen ympäristön geologia ja kallion ominaisuudet tunnetaan hyvin, eikä siellä ole tiedossa vakavia ongelmia tai esteitä kalliorakentamiselle. Paikalliset toimijat tukevat hanketta. Pyhäsalmen vulkaanisen kompleksin litologinen kartta (Weihed & Mäki, 1997) Uusi maanalainen laboratorio Eurooppaan 62

63 Vuoden 2002 esisuunnitelman mukaan uusi laboratorio rakennettaisiin Pyhäsalmen uuden kaivoksen viereen. Nykyiset suunnitelmat lähtevät toiselta pohjalta, eli laboratorio rakennettaisiin kauemmaksi kaivoksesta ja se olisi toiminnallisesti itsenäinen (KSOY myös kansikuva). Uusi maanalainen laboratorio Eurooppaan 63

64 Nopeinta ja edullisinta on rakentaa uudet tilat Pyhäsalmen kaivoksen yhteyteen lähtien niin syvältä kuin mahdollista, mieluiten 1444 m syvyydeltä. Pyhäsalmella on kaivostoiminnasta riippuen kaksi vaihtoehtoista toteutusmallia: 1. Rakennetaan laboratorio Pyhäsalmen kaivokseen sen lopetettua toimintansa. Tällöin koko infrastruktuuri on käytössä, niin yhteystunneli, hissi kuin myös runsaasti maanalaista tilaa. Uusia tiloja voidaan rakentaa siten kuin halutaan. Ongelmana on lopetusaikataulun epävarmuus. 2. Toteutetaan laboratorio Pyhäsalmen kaivoksen yhteyteen yhtäaikaisesti kaivostoiminnan kanssa. Tällöin on huolehdittava tarkasti siitä, että tutkimustoiminta ei häiritse kaivoksen tuotantoa. Tapauksessa 1 on varauduttava vastaamaan kaikista kaivokseen liittyvistä ylläpitokustannuksista kaivostoiminnan jälkeen (arviolta 0,5-1,5 MEUR vuodessa). Myös tapauksessa 2 tulee varautua ylläpitokuluihin kaivoksen joskus lopettaessa. Yllöpitokulujavoidaan ehkä pienentää, jos yhteys kaivokseen voidaan sulkea kokonaan (mikä kuitenkin vaatisi kaksi riippumatonta yhteyttä). Jos rakentaminen aloitetaan kaivoksen toimiessa, tulee tilat tehdä riittävän etäälle kaivoksesta ja yhteys järjestää sellaisesta paikasta, joka minimoi häiriöt tuotannolle. Riippumattomuutta varten tarvitaan oma ilmanvaihtokuilu, oma sähkönsyöttö ja omat nesteputket. Ilmeisesti tarvitaan myös oma erillinen hissikuilu maan pinnalta laboratorioon päivittäistä käyttöä varten niin henkilö- kuin tavarakuljetuksiin. Kaivoksen käyttö vaatii erillisen sopimuksen laatimisen kaivosyhtiön kanssa. Ennen sellaisen sopimuksen laatimista pitää päättää, kuka on suomalainen sopimusosapuoli, eli laboratorion rakennuttaja ja maanalaisten tilojen omistaja. Pyhäsalmen kaivos sijaitsee puhtaan Pyhäjärven rannalla metsien ja peltojen keskellä. Kuvassa keskellä on vanhan pääkuilun torni, sen takana rikastamo. Oikealla on uusi Timonkuilun torni, mistä pääsee hissillä 1440 metrin svyyteen. Vasemmassa laidassa on vanha avolouhos, josta kaivostoiminta aloitettiin 60luvulla. (PMOY) 6.4 Vaihtoehtoiset sijaintipaikat Suomessa Periaatteessa vaihtoehtona Pyhäsalmelle voisi olla joku muu olemassaoleva kaivos. Lähellekään yhtä syvää kaivosta ei kuitenkaan Suomesta löydy, seuraavaksi syvimpiä toimivia tai lopetettuja kaivoksia olisivat esimerkiksi 800 metrin syvyyteen ulottuva Oriveden kaivos sekä noin 600 metrin Uusi maanalainen laboratorio Eurooppaan 64

65 syvyiset Hituran, Lampinsaaren, Otanmäen ja Kemin kaivokset. Näiden käytettävyyttä ja soveltuvuutta ei kuitenkaan ole selvitetty, mutta ilmeisesti Otanmäki olisi lupaavin. Olemassaolevan kaivoksen syventäminen 1400 metriin maksaisi miljoonaa euroa, ja käytännössä kaivoksen infrastruktruuri olisi enemmän rasite kuin etu. Varakaivos tuleekin kyseeseen lähinnä hätävaihtoehtona luonnostaan matalalla oleville kokeille. EMMA-koe voitaisiin syvyytensä puolesta sijoittaa paitsi mihin tahansa maanalaiseen kaivokseen myös useaan muuhun maanalaiseen tilaan, kuten syviin varastoihin tai tunneleihin (jopa Ouluun, Toppilan tyhjään hiilivarastoon). Myös Olkiluodon Onkalo ulottuu 600 metriin. Se ei kuitenkaan sovellu matalan taustan laboratoriolle, mutta toki siellä tehdään muuta hyvin spesifiä maanalaista tutkimusta. Ydinvoimalaneutriinojen mittaamiseen se olisi kuitenkin hyvä paikka, jos sellaiseen tulee tarvetta. Pyhäsalmen jälkeen paras vaihtoehto olisikin rakentaa laboratorio koskemattomaan Suomen kallioperäalueet. I on paras ja V huonoin. Käytännössä kallioon ( vihreälle niitylle, Green Field ). Sen joka paikassa pitää joka tapauksessa tehdä yksityiskohtaiset etuina ovat mahdollisuus valita sijainti optikalliotutkimukset ennen rakentamista.(smry) maalisesti ja riippumattomuus kaivostoiminnasta. Haittana yhteyskuilun rakentamiseen kuluva aika (2-5 vuotta) ja raha (arviolta MEUR, paikan etsimis- ja tutkimuskuluihin 1-5 MEUR), joka tosin voi osin kompensoitua optimaalisen kallioperän, riippumattomuuden, parempien kulkuyhteyksien ja muun synergian tuomista säästöistä. Riskitekijänä on lisäksi, että kallion ominaisuuksia syvällä maan alla ei tunneta etukäteen riittävän tarkasti, joten paikan valintaan liittyviin mittauksiin voi kulua ennustettua enemmän aikaa ja rahaa, jos ensimmäinen paikka osoittautuukin huonoksi. Suomessa kuitenkin syvällä on yleensä hyvää kiveä, mutta silti rakentamisessa on syytä varautua kiinnittämään onkalon lopullinen paikka vasta, kun on ensin rakennettu yhteystunnelia riittävän syvälle, jotta voidaan tehdä tarvittavia koeporauksia. Vihreän niityn laboratorion sijainnin tulisi täyttää seuraavat vaatimukset: 1. Rakennettavuudeltaan mahdollisimman hyvä kallioperä. Myös kallion taustasäteilyn tulisi olla pieni, tosin siltä voidaan suojautua varsin edullisesti. 2. Kaukana ydinvoimaloista. 3. Tutkijoiden saavutettavissa hyvin lentokoneella, junalla ja autolla niin ulkomailta kuin kotimaisilta yliopistopaikkakunnilta. 4. Hyvät kuljetusyhteydet raskaille tavaroille ja aineille (juna, auto tai laiva). 5. Riittävän lähellä tarvittavia palveluja. Suuren tai keskisuuren kaupungin läheisyys on etu. 6. Kiihdytinneutriinokokeita varten mahdollisimman kaukana Cernistä, eli käytännössä mahdollisimman pohjois-koillisessa tai vaihtoehtoisesti Etelä-Suomessa riippuen valitusta teknologiasta ja kiihdyttimen sijaintipaikasta. 7. Supernovaneutriinokokeelle mahdollisimman pohjoinen sijainti on etu. Erot Suomen sisällä ovat kuitenkin aika pieniä. Kaikki edelliset vaatimukset eivät ole yhteneviä, vaan on pakko tehdä joitain sinänsä varsin pieniä kompromisseja. Optimin löytäminen vaatiikin vielä selvityksiä. Selkeästi kuitenkin PohjoisSuomi on tieteellisesti ja teknisesti maailman paras paikka uudelle maanalaiselle laboratoriolle, eikä Uusi maanalainen laboratorio Eurooppaan 65

66 muilla mailla ole tarjota lähellekään vastaavaa (ehkä Pohjois-Ruotsia lukuunottamatta, mutta ruotsalaiset eivät ole sitä huomanneet). Mielenkiintoisia alueita olisivat esimerkiksi Oulun seutu, KemiTornio-alue, Rovaniemi tai Tunturi-Lappi1. Tornionjokilaakson alue voisi tarjota poliittisesti mielenkiintoisen mahdollisuuden toteuttaa laboratorio suomalais-ruotsalaisena yhteistyönä. Huomattakoon, että tieteelliseltä kannalta Pyhäjärvi ei ole kovin paljon optimaalista huonompi paikka. Jos Cerniin rakennetaan suurenerginen beetabiimi (tai superbiimi), niin maailman optimaalisin sijoituspaikka etäilmaisimille voisi olla Etelä-Suomessa, esimerkiksi pääkaupunkiseudulla taikka välillä Hanko-Turku-Tampere. Se olisi myös optimaalisin paikka, jos neutriinotehdas rakennetaan Japanin Tokaimuraan. Vasemmassa kuvassa on kaikkien maailman reaktorien aiheuttama taustasäteily Suomessa (KL). Pohjois-Suomessa tausta on hyvin vähäistä. Suurin osa reaktoritaustasta tulee ulkomailta, kuten Ranskasta, Saksasta ja Englannista. Kuvasta näkyy hyvin myös Venäjän ydinvoimaloiden vaikutus. Olkiluoto-3 (oikealla, TVO) lisää reaktoritaustaa noin 10 %. Vihreän niityn laboratorion kustannukset voidaan hyvin alustavasti arvata seuraavasti: Kun vinotunneli maksaa noin 2000 EUR/m, kaltevuudella 1:7 se tekee syvyyttä kohden EUR/m (tai 5000 EUR/m.w.e.) Kuilun rakentaminen on noin 5000 EUR/m. (Kapea ilmanvaihtokuilu 2000 EUR/m) Hissi maksaa 2-10 MEUR, kapasiteetista riippuen. Näin ollen uuden laboratorion yhteyksien rakentaminen maksaisi yhteensä EUR/m (tai n EUR/m.w.e.). Turvallisuuden vuoksi tarvitaan aina kaksi kulkuyhteyttä, ja mielellään vielä erillinen ilmanvaihtokuilu. Siten esimerkiksi 1500 m syvän laboratorion perustamiskustannukset olisivat suuruusluokkaa MEUR, kun 300 metriin pääsee selvästi alle 10 miljoonalla. Kiven kuljetus pinnalle laboratoriotilojen louhimisen yhteydessä voi kuitenkin tuoda vielä useamman miljoonan lisäkulut. Lisäkustannukset kaivoksen yhteydessä toimivaan laboratorioon olisivat kuitenkin hieman edellistä pienempiä, koska ei tarvitse välittää kaivoksesta. Myös kaivokseen rakennettaessa tulisi rakentaa oma kuilu sekä pitkä yhteystunneli kaivokselta, joka maksaisi ainakin 5 miljoonaa. Mahdollisuus valita rakentamisen kannalta paras paikka voi tuoda muutaman miljoonan lisäsäästöt, jopa enemmänkin kaikkein suurimmille kokeille (erityisesti MEMPHYS, jolle säästö voi kompensoida kokonaan yhteyden rakentamisesta tulevat kulut). Pyhäsalmen kaivoksen arvoksi tutkimuskeskukselle voidaan siis arvioida yli 20 MEUR. Lopetetun kaivoksen arvo olisi hieman suurempi, jos koko infrastruktuuri saadaan rajoituksetta käyttöön, laskematta ylläpitokulujen vaikutusta (nettoarvonlaskua), joka voi olla suurikin. 1 Poliittisesti suosittava Itä-Lappi (Kemijärvi-Korvatunturi) on ilmeisesti huonompi, koska se on lähellä Kantalahden ydinvoimalaa, jonka tulevaisuus on epäselvä. Vanha ja vaarallinen ydinvoimala tulisi sulkea joka tapauksessa pikimmiten, mutta uutta suurempaa voimalaa on suunniteltu tilalle. Uusi maanalainen laboratorio Eurooppaan 66

67 Oma varta vasten suunniteltu ja rakennettu laboratorio on ylläpitokustannuksiltaan selvästi edullisempi kuin kaivoksessa toimiva. Suljetusta kaivoksesta tulee väistämättömiä ylläpitokuluja, kuten veden pumppaaminen. Keskeinen sijainti säästää myös matkakuluja (jopa euroa vuodessa). Uusi ja erillinen laboratorio olisi maailmanlaajuisestikin ainutlaatuisen kilpailukykyinen hanke. Kaikki suuret maanalaiset laboratoriot maailmassa Baksania lukuunottamatta toimivat jonkun muun toiminnan ohessa, joko kaivoksessa, maantietunnelissa tai loppusijoituspaikassa. Vaikka isännän suopeus ja sen tarjoama infrastuktruuri ovat olleet välttämättömiä toiminnan aloittamiseksi, niin se on myös rajoittava tekijä, niin teknisesti kuin juridisesti, koska kaikkien laboratorioiden sijoitussopimuksessa on pykälät, joiden perusteella isäntä voi purkaa sopimuksen tai vaatia poistamaan laitteistot mistä tahansa syystä. Vain laboratorio, joka rakennetaan erilleen omassa hallinnassa olevalla kulkuyhteydellä, voi tarjota suurille kokeille varmuuden pitkäaikaisesta sijoituksesta. Lisäksi erillinen laboratorio voidaan alusta alkaen suunnitella kokeiden lähtökohdista, muun muassa turvallisuuden suhteen. Pyhäsalmen kaivoksen kautta rakennettava laboratorio vastaisi tässä mielessä vihreän niityn laboratoriota, jos laboratorio tehdään erilleen kaivoksesta ja sille rakennetaan omat kaivoksesta erilliset kulkuyhteydet maan pinnalta, esimerkiksi hissikuilu. Vihreän niityn laboratorion rakentamista on pohdittu ulkomailla, kuten Amerikassa. Huonon kallioperän vuoksi se tulisi kuitenkin siellä huomattavan paljon kalliimmaksi kuin Suomessa. Lisäksi kallionäytteiden otto kairaamalla yli kilometrin syvyydestä on niin kallista, että käytännössä on mahdotonta etukäteen varmistua kiven laadusta riittävän hyvin. Suomessa kallioperä on kuitenkin yleensä niin hyvää, että hyvillä geologisilla pohjatiedoilla valitulta alueelta varmasti löytyy riittävän hyvää kalliota, koska kaivutyön aikana on mahdollista muuttaa vinotunnelin suuntaa kohti parhaalta näyttävää paikkaa. Vaihtoehtoisten paikkojen suurimpana ongelmana ovat etupainotteiset kustannukset. Jo ennen paikan valintaa on tehtävä selvityksiä ja kalliotutkimuksia, ja lupaavimmasta paikasta on saatava riittävästi tietoja, jotta niiden pohjalta voidaan tehdä päätöksiä kokeiden sijoittumisesta ja laboratorion rakentamisesta. Tähän liittyy tiety riski, jonka minimoiminen vaatii rahoittajalta yhteistyötä kansainvälisten rahoittajatahojen kanssa. Selvitystyö olisi joka tapauksessa aloitettava mahdollisimman pian ajan säästämiseksi. Uusi maanalainen laboratorio Eurooppaan 67

68 7 Laboratorion rakentaminen maan alle Tässä luvussa hahmotellaan maanalaisen laboratorion rakentamisen teknisiä edellytyksiä ja toteutusta. Annetut arvot perustuvat paljolti Kalliosuunnittelo Oy Rockplan Ltd:n esisuunnitelmiin. Perusteellisempi esisuunnittelu on käynnissä ja tarkempia tietoja saataneen viimeistään, kun LAGUNA-hankkeen kattava toteutettavuustutkimus ja siihen liittyvä loppuraportti valmistuu vuoden 2010 alkupuolella. Seuraavassa hahmotelmassa oletetaan, että laboratorio rakennetaan Pyhäsalmen kaivoksen yhteyteen kaivostoiminnan jatkuessa. Arviot ovat sovellettavissa muihin tapauksiin. 7.1 Perusinfrastruktuuri Laboratorio tarvitsee maan alla seuraavaa yleistä infrastruktuuria: 1. Yhteystunneli kaivoksesta laboratorioon, mahdollisesti alaspäin viettävänä vinotunnelina. 2. Toinen poistumistie: kaksoistunneli, hissikuilu tai hätäpoistumistiellä varustettu ilmanvaihtokuilu. 3. Yleiset huolto- ja työtilat, sosiaalitilat sekä turvatilat. 4. Lastaus-, purkaus- ja varastotilaa. 5. LVI-laitteet sekä ilmanvaihtokuilu, sähköjohdot ja muut putket maan pinnalle asti. Oma hissi parantaisi merkittävästi toimintaedellytyksiä, ja kaivosyhtiö voi jopa vaatia kaivoksesta erillistä kulkutietä päivittäiseen käyttöön. Yhdystunneli rakennetaan kaivosyhtiön osoittamasta paikasta. Edullisinta olisi lähteä 1430 metrin tasolta. Syvälaboratorio rakennetaan metrin päähän kaivoksesta. Suuntaamalla yhdystunneli vinosti alaspäin voidaan laboratorio rakentaa lähtötasoa syvemmälle. Esimerkiksi kallistussuhteella 1:7 saavutetaan 700 metrin matkalla 100 metriä lisää syvyyttä, 3 km matkalla jo 430 m, eli lähdettäessä 1170 m syvyydeltä saavutettaisiin jopa 1600 metrin syvyys. Lähdettäessä 1430 m tasolta tämä syvyys saavutettaisiin 1200 m pitkällä vinotunnelilla. Louhittava kivi kuljetetaan kaivokseen tyhjien kaivosonkaloiden täytteeksi. Tämä on kaivokselle rahanarvoinen etu, koska muuten se joutuisi louhimaan kiveä maan pinnalta raakkulouhoksesta, josta nykyisin raakkua louhitaan yli m3 vuodessa (Ei pidä kuitenkaan odottaa, että kaivos siitä maksaisi oikealla rahalla). Kiven kuljetus on järjestettävä kaivoksen aikataululla ja siten, että se ei häiritse kaivostoimintaa. Todennäköisesti se vaatii välivaraston rakentamisen yhteystunnelin suulle, mikä on aika pieni kustannus. Maan pinnalle tarvitaan runsaasti laboratotio- ja työtilaa. Paikasta riippuen olemassaolevaa rakennuskantaa voidaan hyödyntää jonkin verran, mutta vanhojen rakennusten korjaaminen laboratoriokäyttöön ei ole välttämättä halvempaa kuin uusien rakentaminen. 7.2 Koetilat LAGUNA-hankkeessa ja sen ohessa esimerkiksi neutriinotehdas/ids-hankkeessa suunnitellaan uusia maanalaisia laboratoriotiloja. Esillä olleiden kokeiden minimivaatimukset tilan suhteen ovat: Koe LENA Syvyys/m tilavuus/m GLACIER MEMPHYS Super-EMMA Neutriinoilmaisin Laboratorion rakentaminen maan alle 68

69 Nämä ovat osin vaihtoehtoisia, eikä niitä missään tapauksessa toteutettaisi yhtäaikaa, vaan muutamien vuosien välein. Super-Emmaa lukuunottamatta kaikki voivat sijoittua vähimmäisvaatimusta syvemmälle. Esimerkiksi LENA-kokeelle 2 kilometrin syvyys olisi optimaalinen. Näiden lisäksi laboratorioon voisi sijoittua lukuisa määrä pienempiä kokeita, joiden tilantarpeet ovat yleensä vaatimattomammat, mutta osa vaatii suurta säteilypuhtautta. On siis ilmeistä, että tarvitaan vähintään 1400 metrin syvyydelle ulottuva laboratorio. Tiloja voidaan rakentaa myös ylemmille tasoille, jos se on tarpeen ja tulee edullisemmaksi kuin laajentaa syvätiloja, mutta mahdollisesti keskittäminen yhdelle syvimmälle tasolle on kuitenkin edullisinta. 7.3 Aikataulu ja kustannusarvio Tyypillisesti louhinta- ja lujituskustannukset ovat noin 100 EUR/m3, ja laboratoriotilan rakentaminen on yhteensä yli 200 EUR/m3, sisältäen sisärakenteet, sähkötyöt ym. Tavallisen autolla ajettavan tunnelin teko maksaa noin 2000 EUR/m (eräitä toteutuneita kustannuksia: 1700 EUR/m matalalla, 1900 EUR/m syvällä). Päälle tulevat yleiset kustannukset, LVISA (lämpö, vesi, ilma, sähkö atk), verot ym. Kustannusarviota tarkennetaan kokeiden tarpeiden ja suunnitelmien selkiytyessä. Seuraavassa taulukossa hahmotellaan laboratorion yleisten toimintojen sekä eräiden suunniteltujen kokeiden vaatimien tilojen kokoja ja ennustettuja kustannuksia. Kanadan maanalaisen laboratorion SNOlabin pintarakennus Sudburyssä. LAGUNA-laboratoriota varten tarvittaisiin ainakin yhtä paljon maanpäällistä tilaa. (SNOLAB) Laboratorion rakentaminen maan alle 69

70 tila tilan käyttö lattiapinta- ala/m2 tilavuus/m3 A B C D E F I J Yhteistilat Pienet kokeet EMMA-2 LENA-koe Neutriinotehdas GLACIER Kuilu ( m) Vinotunneli 2*1000 m rakennuskustannus/eur rakennusvuosi Tähän on laskettu mukaan rakennusaikaiset aputunnelit ja leikkaukset kalliopaineen laskemiseksi. Laboratorion etäisyys kaivoksesta vaikuttaa kustannuksiin. Lisäksi on syytä varata yllätysvara 25 % sekä mahdolliset välilliset verot. Esitetty rakennusaikataulu on arvio, joka perustuu oletukseen nopeasta päätöksentekoprosessista. Päätösten lykkääntyessä myös aikataulu venyy vastaavasti. Kustannukset ovat likimääräisiä arvioita. Tarkemman kustannusarvion laatiminen vaatii erillisen selvityksen ja esisuunnittelun, joka on menossa. Kustannuksiin on laskettu seuraavat osiot: kustannuserä rakennuttajan kustannukset (suunnittelu, kairaukset, luvat ym) louhintatyöt (sis lujitus, louheen kuljetus) rakennustekniset työt LVISA (sis puhdasilma, savunpoisto, palontorjunta ym) varaus osuus 14 % % % 6-17 % 20 % Kokeiden aikataulut ja kaivoksen toiminta määrittävät tilojen rakennusaikataulun ja -järjestyksen. Varsinaiseen rakennustyöhön ei kuitenkaan ryhdytä, ennen kuin saadaan riittävä varmuus kokeen toteuttamisesta. Ennen varsinaisten rakennustöiden alkamista täytyy tehdä suunnitelmia, selvityksiä ja tutkimuksia, muun muassa kalliokairauksia, jotka vaativat aikaa ja rahaa (yhteensä yli 10 % rakentamisen kokonaiskustannuksista). Nämä täytyy tehdä osin ennen toteutuspäätöksiä. Tilat voidaan rakentaa myös vaiheittain. Todennäköisesti kustannustehokkainta on louhia kaikki ennustettavissa olevat tilat kerralla, mutta jättää muu rakennustyö, varustus ja viimeistely odottamaan käyttöä. Louhimiskulut (sisältäen pakolliset lujitukset) ovat aina alle puolet kokonaiskustannuksista (tyypillisesti noin 30 %). 7.4 Ylläpito ja käyttö Maanalaisten tilojen odotettu käyttöikä on paljon suurempi kuin maanpäällisten rakennusten, sillä ne eivät ole alttiita sään vaihteluille tai ilkivallalle. Hyvällä hoidolla ja säännöllisellä kunnossapidolla niitä voidaan pitää lähes ikuisina. Laboratorion perusinfrastruktuurin ylläpitokustannukset ovat suhteellisen pieniä. Käyttökuluista suurin aiheutuu LVI-kustannuksista, eritoten jäähdytys voi olla kalleinta. Laboratoriossa pitää yleensä olla ympärivuorokautinen päivystys maan alla ja päällä. Toimiminen yhdessä aktiivisen kaivoksen kanssa aiheuttaa sekä kuluja että säästöjä. Erityisesti kaivos ylläpitää vinotunelia ja hissiä, jotka ovat tärkeitä varayhteyksiä. Kaivoksen lopettaessa toimintansa tarvittavan kaivosinfrastruktuurin ylläpitokustannukset tulevat tutkimuskeskuksen vastuulle. Tällöin tulee varautua vastaamaan niin vinotunnelin ylläpidosta kuin veden pumppauksesta ja puhdistuksesta. Lopetetun kaivoksen ylläpidosta aiheutuvat kustannukset on joskus arvioitu noin miljoonaksi euroksi vuodessa, joka voidaan eritellä seuraavasti (hyvin suurin varauksin): Laboratorion rakentaminen maan alle 70

71 EUR/vuosi Huoltohenkilöstö Tuuletus Veden käsittely ja poisto Putkistot Sähköt Ajoteiden ylläpito Laitteistojen huolto Luolien korjaukset YHTEENSÄ Vedenpoisto-, korjaus- ja tuuletuskuluja voitaneen alentaa oleellisesti sulkemalla osia kaivoksesta betonimuurein. Ylläpitokulujen tarkempi arviointi vaatii vielä lisäselvityksiä. Jos laboratorio rakennetaan omilleen ilman kaivosta, niin ylläpitokustannukset ovat helpommin arvioitavissa. Todennäköinen säästö on suuruusluokkaa puoli miljoonaa vuodessa tai enemmän. Karttakuva Pyhäsalmen kaivoksen alueesta. (PMO) Laboratorion rakentaminen maan alle 71

72 8 Tutkimuskeskuksen perustaminen ja hallinto 8.1 Hallinnollinen asema kansallisessa tiedeorganisaatiossa Suurempien kokeiden toteuttamista ja ehkä jo suunnittelemsita varten tulee perustaa oma yksikkö kehittämään ja ylläpitämään infrastruktruuria. Seuraavassa tälläistä yksikköä kutsutaan tutkimuskeskukseksi. Sen hallinto ja asema tulee organisoida toiminnan laajuuden ja laadun mukaan. Tähänastisen kokemuksen mukaan hallinnon suunnittelu vie paljon enemmän aikaa kuin mikään tekninen suunnittelu, joten se pitäisi käynnistää pikimmiten. Jonkinlainen kansallinen eurooppalaisiin järjestöihin. metaorganisaatio tarvitaan mahdollisimman pian jäseneksi On mahdollista, että LAGUNA-hankkeen pohjalta perustetaan eurooppalainen organisaatio hallinnoimaan rakennettavaa maanalaista laboratoriota. Sellaisen perustaminen on kuitenkin hyvin aikaavievä prosessi, eikä mitenkään varmaa, joten joka tapauksessa on ensin luotava kansallinen organisaatio toteuttamaan suunnittelutyötä sekä pienimuotoisempaa tutkimus- ja hanketoimintaa. Mahdollisia paikallisia tai kansallisia malleja tutkimuskeskuksen hallinnolle ja asemalle ovat seuraavat: Tutkimuskeskus toimii fysiikan laitoksen alaisuudessa: Tämä vastaa Jyväskylän kiihdytinlaboratorion hallintomallia ja voisi olla siten varsin luonnollinen malli, jos tutkimuskeskus toimii Jyväskylän alaisuudessa. Oulun tapauksessa malli vaatisi hieman suurempaa uudelleenajattelua. Periaatteessa laboratorio voisi olla myös Helsingin yliopistossa toimivan fysiikan tutkimuslaitoksen alaisuudessa, jos se muutetaan valtakunnalliseksi ja sen mandaattia muutetaan vastaavasti. Tutkimuskeskus on jonkun yliopiston alainen erillislaitos. Erillislaitoksen perustaminen on hallinnollisesti helppo ja selkeä vaihtoehto ja tarvitsee vain yliopiston hallituksen päätöksen. Tutkimuskeskusta hallinnoi usean yliopiston yhteenliittymä. Tällä perusteella toimii muun muassa Helsingin yliopiston yhteydessä oleva fysiikan tutkimuslaitos HIP, jossa ovat mukana Helsingin yliopisto, Teknillinen korkeakoulu ja Jyväskylän yliopisto. Tälläinen yksikkö voisi olla varsin itsenäinen ja voisi tukeutua hallintopalveluissa suoraan uuteen palvelukeskukseen ilman isäntäyliopiston välitystä. Tässä tapauksessa Oulu ja Jyväskylä ovat luonnolliset perustajakumppanit. Myös Turun ja Helsingin yliopistojen sekä TKK:n osanotto pitää selvittää. Tämä vaihtoehto vaatii rehtoritason neuvottelut ja sopimuksen yliopistojen välillä. Perustetaan kansallinen tutkimuslaitos. Kansallisia tutkimuslaitoksia on usean ministeriön alaisuudessa, kuten Ilmatieteen laitos tai Geodeettinen laitos. Tutkimuskeskuksen toiminnan luonteen ja kansainvälisten tehtävien puolesta tämäkin on periaatteessa varteenotettava vaihtoehto tulevaisuudessa. Tämä vaatii eduskunnan päätöksen. Muodostetaan yksityisoikeudellinen yksikkö, kuten säätiö, yhdistys tai osakeyhtiö hallinnoimaan laboratoriota. Etuna on oikeushenkilöaseman tuoma toimintavapaus, muun muassa mahdollisuus omistaa kiinteistöjä ja muuta omaisuutta sekä ottaa vakuutuksia (mitä kaivosyhtiö voi vaatia). Jäsenet/osakkaat voivat olla myös ulkomaisia. Vaarana ja haittapuolena on hallintomallin vieraus akateemisissa yhteyksissä, yhtiömuotoisena myös periaatteelliset esteet. Valtakunnallinen yhdistys voisi olla hyödyllinen eräissä EU-ohjelmissa, jossa se voisi olla suomalainen hakijaosapuoli. Säätiö tuntuu olevan tällä hetkellä poliittisesti korrektein malli, ja valtioneuvoston kannanottoja voitaneen tulkita siten, että hallitus on valmis rahoittamaan säätiön perustamista suhteessa 5:2, jos loppuosa (2/5) saadaan paikallisesti tai yksityisesti. Näiden välillä voi olla erilaisia välimuotoja. Jos myös muuta tutkimuskenttää muokataan, niin isäntäorganisaatioksi voisi luoda myös uuden yliopistojen yhteisen metayksikön, jonka tehtävänä Tutkimuskeskuksen perustaminen ja hallinto 72

73 on hallinnoida yhteisiä tutkimusinfrastruktuureja tai kenttäasemia. On luonnollista, että kasvavan tutkimuskeskuksen hallintomallia muokataan kulloisenkin tarpeen ja tilanteen mukaan mahdollisimman joustavasti. On varottava tilannetta, jossa hallintomalli rajoittaisi toiminnan kehittämistä esimerkiksi alueellisin rajoituksin. On otettava huomioon mahdollisuus, että saman hallinnon alla Suomessa voisi toimia useita erillisiä maanalaisia laboratorioita, koska eräät mahdolliset kokeet voivat vaatia toisenlaista sijaintia, täydellistä eristystä muista häiriölähteistä tai jopa kahta tai kolmea erillistä laboratoriota ( off-axis eli neutriinobiimin sivulaboratoriot). Päätökset tulevasta organisaatiosta pitäisi tehdä mahdollisimman pian. Epävarmuus estää kehityksen, koska mikään olemassaoleva organisaatio ei uskalla panostaa omia resurssejaan, jos on riskinä, että toinen organisaatio korjaa hyödyn ja kunnian. 8.2 Sisäinen organisaatiomalli Tutkimuskeskuksen ulkoinen hallinto riippuu hallintomallista. Oletettavasti sillä on johtaja, johtokunta ja tieteellinen neuvosto. Myös sisäinen organisaatio riippuu ulkoisesta hallintomallista sekä tehtävänkuvan laajuudesta. Luonnollisesti se paisuu toiminnan myötä, mutta noudattanee pääpiirteittäin seuraavia suuntaviivoja. Yksikköä johtaa päätoiminen johtaja, joka vastaa keskuksen tieteellisestä toiminnasta ja hallinnosta sekä yhteyksistä kansalliseen ja kansainväliseen tiedeyhteisöön. Maanalaisen laboratorion käytännön työtä johtaa laboratoriopäällikkö. Hän toimii esimiehenä teknilliselle henkilökunnalle. Hallinnosta vastaa hallintopäällikkö. Tutkimustoiminta järjestetään tutkimusohjelmiin, joita johtavat tutkimusjohtajat. Alkuvaiheessa ei välttämättä tarvita kovin raskasta hallintoa. Juoksevaa hallintoa varten tarvitaan ainakin kaksi sihteeriä. Hallinnon tulisi olla niin vahva ja uskottava, että se pystyy koordinoimaan myös suuria EUhankkeita. Periaatteessa toiminta voidaan jakaa siten, että tutkimushenkilöstö on pääosin yliopistojen laitosten palkkalistoilla (myös opetusviroissa) ja tutkimuskeskus vastaa ennen kaikkea infrastruktuurin rakentamisesta, kehittämisestä ja ylläpidosta. Yksi mahdollinen organisaatiokaavio. Palikat voidaan järjestää monella muullakin tavalla toiminnan laajuuden ja eri osapuolten välisen työnjaon mukaan. Tutkimuskeskuksen perustaminen ja hallinto 73