LAGUNA- INFRASTRUKTUURITUTKIMUSHANKE MAANALAISEN FYSIIKAN TUTKIMUSKESKUKSEN PERUSTAMINEN PYHÄJÄRVELLE Timo Enqvist Eelis Kokko Oulun yliopisto Oulun Eteläisen instituutti 11.05.2009 1
Sisällysluettelo Tiivistelmä 1 Aikaisempi tutkimustoiminta Pyhäjärvellä EMMA-koe 2 Miksi maan alle? 3 Maanalaiset hiukkasfysiikan laboratoriot 4 LAGUNA Large Apparatus for Grand Unification and Neutrino Astrophysics 5 Pyhäjärven tutkimustoiminnalle tarjoamat edut 6 Tarvittavat kansalliset toimenpiteet 2
Tiivistelmä Tässä raportissa esitellään maan alla toteutettavan kokeellisen hiukkasfysiikan tutkimustoiminnan mahdollisuuksia Pyhäsalmen kaivoksessa ns. LAGUNAkonsortion puitteissa. LAGUNA-konsortio on Eurooppalaisen tiedeyhteisön perustama kaksivuotinen EU:n FP7-ohjelmaan kuuluva infrastruktuuritutkimushanke suurten hiukkasfysiikan kokeiden valmistelemista varten. Siinä tutkitaan kolmeen eri teknolo-giaan perustuvien suurikokoisten koe-ehdotusten (ilmaisimien) sijoittamista syvälle maan alle seitsemään mahdolliseen sijoituspaikkaan Euroopassa. Kokeet voisivat toteutua ensi vuosikymmenellä. Eurooppalaisella tasolla. Päätöksiä astrohiukkasfysiikan kokeiden suhteen tehtäneen vuosina 2010-2011. Ko. ajankohtaan mennessä pitäisi olla olemassa kaikki valmiudet kokeiden toteuttamiseen niin hallinnollisesti kuin teknisestikin. LAGUNA-ilmaisimella tehtäisiin hiukkas- ja ydinfysiikkan sekä tähtitieteen perustutkimusta ja tutkittaisiin näiden alojen tämän hetken kaikkein tärkeimpiä ilmiöitä. Näihin kuuluvat muun muassa aineen hajoaminen, aurinko ja räjähtävät tähdet eli supernovat sekä neutriinojen ominaisuudet. Näillä saadaan tietoa aineen rakenteesta sekä maailmankaikkeuden ja avaruuden sekä maan ytimen ilmiöistä. Pyhäsalmen kaivoksen alue Pyhäjärvellä on yksi seitsemästä sijoituspaikkavaihtoehdosta. Pyhäsalmen kaivos on Euroopan syvin metallikaivos, syvyydeltään yli 1400 metriä. Se on hyvien kuljetus- ja liikenneyhteyksien päässä. Kaivoksen läheisyyteen on mahdollista luoda kilpailukykyinen ja ympäristöystävällinen tutkimusympäristö hiukkasfysiikan tutkimuksen tarpeisiin. Kaivostoiminnan on arvioitu jatkuvan noin vuoteen 2017 saakka. Pyhäsalmen kaivoksessa on ollut fysiikan mittaustoimintaa jo noin 15 vuotta. Aluksi keskityttiin tutkimaan kaivoksen soveltuvuutta hiukkasfysiikan kokeisiin toteuttamalla erilaisia taustasäteilyilmiöiden mittauksia. Tällä hetkellä kaivokseen rakennetaan 75 metrin syvyyteen kosmisia säteitä tutkivaa EMMA-koetta, joka on ensimmäinen suuremman luokan koe Pyhäjärvellä. EMMA-koe on Oulun yliopiston Oulun Eteläisen instituutin hallinnoima. Sen tieteellinen vetovastuu on Jyväskylän yliopiston fysiikan laitoksella Kokeesta odotetaan ensimmäisiä tuloksia vielä kuluvan vuoden 2009 aikana. 3
1 Aikaisempi tutkimustoiminta Pyhäjärvellä EMMA-koe Hanke fysiikan tutkimuskeskuksen rakentamisesta Pyhäjärvelle Pyhäsalmen kaivoksen yhteyteen on ollut käynnissä 1990-luvun alkupuolelta lähtien. Toiminta oli aluksi pienimuotoista, mutta on viimeistään LAGUNA-konsortion infrastruktuuritutkimushankkeen ja EMMA-kokeen rakentamisen myötä saanut 2000-luvulla kansainvälisiä tiedepiirejä kiinnostavat mittasuhteet ja tason. Fysiikan tutkimustoiminnasta Pyhäsalmella käytetään yleisesti nimitystä CUPP (Centre for Underground Physics in Pyhäsalmi). Sitä on hallinnoinut Oulun yliopisto aluksi fysikaalisten tieteiden laitoksen ja Sodankylän Geofysiikan Observatorion toimesta ja vuodesta 2001 lähtien edellisenä vuonna perustetun Oulun yliopiston alueyksikön, Oulun Eteläisen instituutin toimesta. Tutkimustoiminta on koko olemassaolonsa ajan saanut pääosan rahoituksestaan EU:n tavoiteohjelmarahoituksena Oulun lääninhallitukselta. Myös Pyhäjärven kaupungin rahoitus on ollut merkittävää. Eräät yritykset, kuten kaivosyhtiö Pyhä-salmi Mine Oy (kanadalaisen Inmet Mining Ltd:n omistama), ovat osallistuneet hankkeeseen omalla joko suoralla rahoituksellaan tai työpanoksellaan. Tutkimusrahoitusta on saatu lisäksi Suomen Akatemialta ja useilta säätiöiltä. Jyväskylän yliopiston fysiikan laitos on omalta osaltaan rahoittanut tutkijoidensa toimintaa EMMA-kokeessa. Kuva 1: EMMA - kokeen ilmaisinsuojia maan alla 75 metrin syvyydellä. EMMA-kokeella tutkitaan suurienergisten kosmisten säteiden koostumusta, jota ei vielä kokonaan tunneta. Suurin osa matalaenergisistä kosmisista säteistä (esimerkiksi 4
auringosta tulevat) on protoneja, mutta suuremmilla energia-alueilla raskaampien ydinten osuus kasvaa. EMMA-kokeessa mitataan kosmisten säteiden sekundäärisäteilyä eli ns. ilmakuurossa syntyneitä myoneja maan alla 75 metrin syvyydessä. Maan alle tunkeutuvien myonien lukumäärä ja laajuus antavat tietoa ilmakehän yläosiin iskeytyvästä primäärihiukkasesta ja sen energiasta. EMMA-koe on ensimmäinen maan alle suunniteltu kosmisten säteiden koelaite maailmassa. Se käyttää kosmisten säteiden tutkimiseen uutta menetelmää, jossa havaitaan vain lähellä ns. primääritörmäystä syntyneitä suurienergisiä myoneja. Maaperä (kallio) suodattaa pois matalaenergiset myonit, jotka ovat syntyneet kaukana primääritörmäyksestä, eivätkä siten anna suoraa tietoa törmäävästä hiukkasesta. 2 Miksi maan alle? Maan alla tehtävä fysiikan tutkimus on suurimmaksi osaksi kokeellista astrohiukkasfysiikan perustutkimusta, eli maan ulkopuolelta tulevien hiukkasten havaitsemista. Eräs tulevaisuuden haasteista on maapallon sisäosista tulevien hiukkasten havaitseminen. Tutkittavat ilmiöt (mm. aineen hajoaminen) ovat varsin harvinaisia. Lisäksi niiden (mm. tähdet) yhteydessä syntyvien neutriinojen vuorovaikutustodennäköisyys on erittäin pieni. Siksi tutkittavista ilmiöistä on mahdollista saada signaali vain kerran viikossa, kerran kuukaudessa tai jopa vain kerran vuodessa. Mitattavat hiukkaset peittyisivät maan pinnalla tehtävissä kokeissa taustasäteilyn ja muiden häiriöitekijöiden alle. Taustasäteily on suurelta osin kosmisten säteiden aiheuttamaa. Siltä voidaan suojautua vain menemällä syvälle maan alle. Vaadittava syvyys riippuu mitattavasta ilmiöstä ja mittauksiin käytettävästä laitteistosta. Herkimmät mittaukset on tehtävä paljon yli kilometrin syvyydessä. Optimisyvyys on yleensä noin 1500 metriä. Kahta kilometriä syvemmällä mittauksia ei ylensä kannata tehdä, sillä mittalaitteesta itsestään ja ympäristöstä tuleva säteily on tällöin jo suurempi kuin kosmisten säteiden aiheuttama taustasäteily. Maan alla suoritettavan hiukkasfysiikan tutkimus on tällä hetkellä erittäin suosittua. Erityisesti neutriinofysiikassa on saatu vastauksia tutkijoita pitkään askarruttaneisiin kysymyksiin. Näiden tulosten pohjalta suunnitellaan uuden sukupolven kokeita. ja tutkittavia ilmiöitä riittää vuosikymmeniksi eteenpäin. 3 Maanalaiset hiukkasfysiikan laboratoriot Tällä hetkellä Euroopassa on viisi syvällä maan alla toimivaa tutkimuskeskusta: Gran Sasso Italiassa, Boulby Englannissa, Canfranc Espanjassa, Frejus Ranskassa ja Baksan Venäjän Kaukasuksella. Näistä Boulby, Canfranc ja Frejus kuuluvat myös 5
LAGUNA-ilmaisimen mahdollisiin sijoituspaikkoihin. Euroopan ulkopuolella merkittävimmät laboratoriot ovat SNOLAB Kanadassa ja Kamioka Japanissa. Paine uusien tutkimuslaboratorioiden perustamiseen on kuitenkin kasvamassa, sillä tutkijoilla on suunnitteilla uusia, erittäin suuria koelaitteita. Uudet kokeet eivät mahdu olemassa oleviin laboratoriotiloihin, jotka on varattu vuosikymmeneksi eteenpäin entiseen toimintaan. Mahdollisuudet olemassaolevien tutkimuskeskusten laajentamiseen ovat rajalliset. Lisäksi uusilla kokeilla on täysin omat vaatimuksensa tilojen ja sijainnin suhteen. Italian Gran Sassossa on suurin maanalainen laboratorio. Se on rakennettu Roomasta itään johtavan moottoritien tunneliin 1980-luvulla. Laboratoriossa on kolme isoa koehallia sekä joitakin pienempiä tiloja. Tilat ovat kuitenkin liian pieniä LAGUNA-ilmaisimille, eikä Gran Sassossa saa louhia suurempia tiloja. Kanadan Sudburyssä sijaitsee SNOLAB-laboratorio, jossa mitattiin Auringon neutriinoja. Nyt siellä suunnitellaan uusia kokeita. Laboratorio on kahden kilometrin syvyydessä kaivoksen yhteydessä. Yhdysvalloissa on puolestaan kehitetty aktiivisesti omaa maanalaisen fysiikan tutkimusohjelmaa, mutta tarvittavalle suurelle laboratoriolle (DUSEL = Deep Underground Science and Engineering Laboratory) ei ole toistaiseksi löydetty sopivaa sijaintipaikkaa. Kuva 2: Maanalaisten laboratorioiden sijaintipaikkoja. 6
4 LAGUNA Large Apparatus for Grand Unification and Neutrino Astrophysics Euroopan tutkijayhteisö toteuttaa LAGUNA-tutkimushanketta (Large Apparatus for Grand Unification and Neutrino Astrophysics) erittäin suurikokoisten koelaitteiden ja niiden vaatiman maanalaisen infrastruktuurin suunnittelemiseksi. Hankkeessa on mukana yli 100 tutkijaa ja insinööriä yli 10 eri maasta. Suomesta mukana on tutkijoita Oulun ja Jyväskylän yliopistoista. Teknisenä partnerina on Kalliosuunnittelu Oy Rockplan Ltd Helsingistä. LAGUNA-hanke sai EU:n FP7- ohjelmasta 1.7 miljoonan euron rahoituksen ajalle 01.07.2008 30.06.2010. LAGUNA-infrastruktuurihanke käsittää kolme erilaista, isokokoista ja erityyppistä nesteellä täytettyä koelaitetta (GLACIER, LENA ja MEMPHYS) ja niille seitsemän mahdollista sijoituspaikkaa, jotka sijaitsevat Englannissa, Espanjassa, Italiassa, Puolassa, Ranskassa, Romaniassa ja Suomessa. LENA-ilmaisimen fyysinen koko on suuri, pituus n. 100 m ja leveys n. 30 m. MEMPHYS-ilmaisin on vieläkin suurempi. GLACIER-ilmaisimen vaatima sylinterimäinen tila (70 m x 30 m) on haastava. LENA- ja MEMPHYS-ilmaisimet vaativat noin 1400 metrin syvyyden, kun taas GLACIER-ilmaisin voisi sijaita matalammallakin syvyydellä. LAGUNA-infrastruktuurihankkeen koordinaattorina toimii prof. Andre Rubbia Zurichin teknillisestä korkeakoulusta. LAGUNA-hanke käsittää kolme työryhmää. WP2-työryhmän (maanalaiset infrastruktuurit) koordinaattori on prof. Franz von Feilitzsch Munchenin teknillisestä korkeakoulusta, WP3-työryhmän (turvallisuus ja ympäristö) koordinaattori on prof. Neil Spooner Sheffieldin yliopistosta ja WP4- työryhmän (tieteellinen merkitys) koordinaattori on prof. Agniezska Zalewska Krakovan yliopistosta. LENA-ilmaisin on täytetty nestemäisellä tuikeaineella (50 kilotonnia). Sen oletussijoituspaikka on Pyhäsalmi, mutta syvyyden puolesta myös Ranskan Frejus sopisi sijoituspaikaksi. GLACIER-ilmaisin on nestemäisellä argonilla täytetty aikaprojektiokammio (TPC). Koe sisältänee 100 kilotonnia nestemäistä argonia. Ilmaisimen vaatima tila on muodoltaan hyvin haastava, n. 70 m läpimittainen ja 30 m korkuinen sylinteri. Koska GLACIER-ilmaisin ei vaadi syvällä olevaa laboratoriota, se voitaisiin periaatteessa sijoittaa kaikkiin seitsemään esillä olevaan sijoituspaikkaan. MEMPHYS-ilmaisin on jättiläismäinen (500 kilotonnia) vesi-cerenkov-ilmaisin. Sen oletuspaikkana on Ranska, mutta periaatteessa se sopii myös Pyhäsalmelle vaadittavan syvyyden puolesta.. Koe on mittasuhteiltaan erittäin suuri koostuen kolmesta n. 65 metriä korkeasta ja saman verran halkaisijaltaan olevasta säiliöstä.. LAGUNA-infrastruktuuritutkimushankkeessa keskitytään tutkimaan mahdollisuutta louhia kuhunkin esillä olevaan sijoituspaikkaan riittävän suuria luolia ja arvioimaan 7
tilojen ja vaadittavan infrastruktuurin ja mittalaitteen rakentamiskustannuksia. Tutkimus päättyy kesällä 2010. Tällöin kirjoitetaan tutkimusraportti, joka lähetetään alan tieteellistä tutkimusta rahoittaville organisaatioille. Raportissa ehdotettavat ilmaisimet ovat Eurooppalaisen hiukkasfysiikan tutkimuksen tiekartalla ja sen rahoittaminen on siten todennäköistä. LAGUNA-tutkimusraportin perusteella rahoitusorganisaatiot tekevät ratkaisun ilmaisintyypistä ja sen sijoituspaikasta. Kuva 3: Havainnekuva LENA-ilmaisimesta. LAGUNA-ilmaisimien sijoituspaikkavaihtoehdot 1. Boulby, Englanti Boulbyn 1000 m syvä kaliumkaivos suunnittelee laajentavansa toimintaa alaspäin, jossa on myös kovempaa kiveä (polyhaliittia), johon on 8
todennäköisesti mahdollista rakentaa myös suurempia luolia. Alustavien oletusten mukaan jopa 30 m läpimittaisen tilan louhiminen voisi olla Boulbyssä mahdollista.. Tällä hetkellä Boulbyn laboratoriossa tehdään pimeän aineen kokeita. 2. Canfranc, Espanja Canfrancin laboratorio sijaitsee maantietunnelissa Pyreneiden vuoristossa noin kilometrin syvyydessä. Laboratoriota laajennettiin hiljattain ja siellä lienee käynnissä muutama pieni koe. 3. Frejus, Ranska Ranskalaisilla on valmiina pieni laboratorio maantietunnelissa Frejusissa (Alpeilla). Sen viereen olisi todennäköisesti mahdollista rakentaa jättimäinen uusi laboratorio. Paikan etuna on keskeinen sijainti Euroopassa, heikkoutena taas sijainti maantietunnelin yhteydessä, joka asettaa tiukkoja rajoituksia niin rakentamiselle kuin laboratorion käytöllekin. 4. Italia Italialaiset eivät vielä ole päättäneet tai löytäneet sijoituspaikkaa. Sitä haetaan Gran Sasson läheisyydestä matalalta syvyydeltä. 5. Slanic, Romania Romanialaiset tarjoavat vanhaa, mutta edelleen käynnissä olevaa, suolakaivosta noin 100 km etäisyydellä Bukarestista. Vielä ei tiedetä, voidaanko täällä louhia riittävän isoja tiloja. Syvyys olisi maksimissaan muutama sata metriä. 6. SUNLAB, Puola Sierocowicessä Puolassa on erittäin suuri kuparikaivoskompleksi, joka ulottuu lähes 1000 metrin syvyyteen. Kaivoksen suolakerrokset ovat erittäin matala-aktiivisia. Kaivokseen olisi todennäköisesti mahdollista rakentaa matalan taustasäteilyn omaava laboratorio. Ongelmana voi olla kuumuus (35 C) sekä suolan reagointi valumavesiin tai pakkaseen. 7. Pyhäsalmi, Suomi Katso seuraava luku. 5 Pyhäjärven tutkimustoiminnalle tarjoamat edut Euroopassa suunnitellut uudet kokeet eivät mahdu olemassaoleviin maanalaisiin laboratoriotiloihin. Ne vaativat uudet spesifiset, laadukkaat tilat. Tärkeitä kriteerejä uuden laboratorion sijoituspaikalle ovat mm. paikallisen kallioperän mahdollistamien onkaloiden koko ja muoto, matala taustasäteily ja riittävä syvyys ja etäisyys häiriölähteistä. Pitkät maantietunnelit ovat osoittautuneet ongelmallisiksi 9
sijoituspaikoiksi liikenneonnettomuuksien ja tulipalovaaran vuoksi ja laboratorion itsensä aiheuttaman vaaran vuoksi. Myös kaivoksissa on riskejä ja esimerkiksi hiilikaivokset ovat pois suljettuja. Nykyaikaisissa metallikaivoksissa riskit ovat hyvin hallittavissa, ja niitä pidetäänkin olemassaolevista sijoituspaikoista turvallisimpina. Kaikkein turvallisinta olisi rakentaa laboratorio oman kulkuyhteyden varaan. Laboratorio on myös rakennettava niin, että edes koelaitteiston täydellinen hajoaminen ei voi aiheuttaa ongelmia ympäristölle. Kuva 4: LAGUNA-ilmaisimien mahdolliset sijaintipaikat ja niiden etäisyydet Cernistä. Kuvasta puuttuu Romanian Slanic. Pyhäjärvellä sijaitseva kanadalaisen Inmet Mining Co:n omistama Pyhäsalmi Mine Oy:n kaivos on Euroopan syvin metallikaivos (syvyys 1444 m). Se on selvästi syvempi kuin Gran Sasson, Canfrancin tai Boulbyn laboratoriot. Kaivokselle on hyvät maantie- ja rautatieyhteydet (erityisen tärkeää raskaiden mittalaiteosien kuljetuksen vuoksi). Kolme kansainvälistä lentokenttää ja kaksi (hiukkasfysiikan tutkimusta suorittavaa) yliopistoa on kahden tunnin ajomatkan päässä kaivoksesta. Lisäksi alueella on hyvä kallioperä. ja se sijaitsee kaukana ydinvoimaloista ja kiihdytinneutriinokokeita ajatellen riittävän/sopivan kaukana Cernistä. Mahdollisimman pohjoinen sijainti supernovaneutriinokokeita ajatellen etu. 10
6 Tarvittavat kansalliset toimenpiteet Valtiovallan tulisi nyt tehdä poliittinen päätös LAGUNA-koelaitteen vastaanottamisesta ja rakentamisesta Pyhäjärvelle, jos eurooppalainen LAGUNAkonsortio päätyy tähän ratkaisuun. Opetusministeriön ja Suomen Akatemian tulisi samalla varautua toteutettavan tutkimuksen jatkorahoitukseen niin, että tällä hetkellä EU:n EAKR-rahoitukseen pohjautuva toiminta jatkuisi tarvittaessa tieteellisenä tutkimusrahoituksena. Jos LAGUNA-koelaite saadaan Pyhäsalmelle, tavoitteena on perustaa kotimaisten yliopistojen ja tutkimuslaitosten varaan kansallinen organisaatio, joka ryhtyy hallinnoimaan toimintaa. Olisi myös tärkeää, että nyt saataisiin perustettua kansallinen konsortio ajamaan LAGUNA-koelaitteen toteutusta Pyhäjärvelle. Konsortion tehtävänä olisi kansallisen toiminnan hallinnointi ja koordinoiminen. Tähän pitäisi palkata ainakin yksi täysipäiväinen henkilö, koska tällä hetkellä kaikki LAGUNA-työssä mukana olevat suomalaiset työskentelevät hankkeessa muun tutkimustoimensa ohella. Palkkaus pitäisi tulla yliopistojen nykyrahoituksen ulkopuolelta. Konsortion pitäisi koostua niin tiedepolitiikan kuin tieteentekijöiden edustajista ja siinä pitäisi olla mahdollisimman laaja yliopistojen edustus (ainakin Oulu, Jyväskylä ja Helsinki) Kansallisella tasolla on tähän saakka kokoontunut Oulun ja Jyväskylän yliopistoista, Kalliosuunnittelu Oy:stä ja alueen edustajista koostunut löyhä yhteenliittymä lähinnä Oulun yliopiston johdolla. 11