Vaikka emme sitä huomaa, elämme keskellä taukoamatonta kosmisen säteilyn sadetta.
Onneksemme maahan saakka tuleva säteily ei kuitenkaan kumpua suoraan Linnunradan syövereistä, vaan sitä suodattaa maan ilmakehä. Niin sanottu primääri kosminen säteily on elämälle vahingollista, mutta ilmakehän muovaamana se muuntuu vaarattomaksi.
Tarina menee pähkinänkuoressa tähän tapaan: kun kosmisen säteilyn atomiytimet törmäävät ilmakehän typpeen ja happeen, syntyy lähes valon nopeudella etenevä tapahtumasarja, jota fysiikassa kutsutaan ilmasuihkuksi.
Ilmasuihkussa ytimet hajoavat ja muuntuvat, minkä lopputuloksena syntyy muun muassa myoneiksi nimettyjä alkeishiukkasia. Myonit ovat epävakaita hiukkasia, joiden keskimääräinen elinikä on ulkopuolisen tarkkailijan näkökulmasta vain 2,2 sekunnin miljoonasosaa.
Näin lyhyessä ajassa mikään ei ehdi oikein mihinkään – paitsi jos sattuu kulkemaan niin nopeasti, että aika alkaa havaittavasti hidastua. Myonit kulkevat lähes valon nopeudella, jolloin aika kulkee niiden matkassa hitaammin kuin taivasta tuijottelevan ihmislapsen pakeilla.
Tämän ajan vääristymän eli aikadilataation johdosta myonit ehtivät lyhyen elämänsä aikana kiitää maan pinnalle ja toisinaan jopa joitain kilometrejä sen alle.
Melko harva on kuullut myoneista, vaikka ehkä olisi syytä. Näkymättömiä hiukkasia havainnoimalla voidaan tehdä sekä hämmästyttäviä että hyödyllisiä asioita.
Kilpisjärven jään alla
Avanto on kolmionmuotoinen, kolme metriä kanttiinsa. Sukeltajat Nina Lepola ja Edd Stockdale kelluvat jäänkuulaassa vedessä ja katselevat maskien läpi toiselle avannolle, jonne on matkaa toistakymmentä metriä.
Meneillään on myonien havainnointiin perustuvan vedenalaisen paikannusjärjestelmän testi, josta vastaavat irlantilainen Geoptic ja suomalainen Muon Solutions. Testi on osa laajempaa tuotekehityskokonaisuutta, jossa on mukana myös tutkimuslaitoksia esimerkiksi Yhdysvalloista ja Japanista.
Helsingin yliopistolta yritykset ovat ostaneet tiedesukelluspalvelut sekä vuokranneet yliopiston omistamalta biologiselta asemalta laboratoriotilat, majoituksen ja teknistä apua.
Hankkeen päärahoittajana on Yhdysvaltain laivaston tutkimusorganisaatio Office of Naval Research Global (ONR). ONR tekee melko avoimesti tutkimusta ja yhteistyötä monissa maailman maissa, mukaan lukien Suomi.
Toisen avannon molemmilla puolilla on kolmijalat. Niiden vieressä seisovat Jarmo Korteniemi ja Eoin O’Sullivan.
– Hep! Yhtä aikaa!
Korteniemi ja O’Sullivan pyörittävät hitaasti kolmijalkoihin kiinnitettyjä vinssejä, ja avannon päällä riippuva suorakulmainen metallilaatikko alkaa laskeutua Kilpisjärveen.
Laatikon sisällä on myoneja havainnoiva ilmaisin. Avannon laidoilla samanlaisia ilmaisimia on lisää. Koeasetelma on periaatteessa yksinkertainen. Myonit läpäisevät ensin jäänpäälliset ilmaisimet ja osuvat tämän jälkeen veden alla olevaan laitteeseen.
Laitteet mittaavat myonien liikkeeseen kuluneen ajan, jonka avulla voidaan laskea laitteiden välinen etäisyys. Kun jään päällä olevia ilmaisimia on useita, voidaan veden alla olevan havaintolaitteen sijainti laskea tarkasti.
Myös sukeltajat katoavat jään alle. Turvaryhmä antaa keltaista narua käsiensä välistä ja seuraa avantoon nousevia ilmakuplia, jotka kertovat pinnanalaisista liikkeistä.
Myonit kulkevat missä vain
Ei tietenkään ole sattumaa, että hankkeen rahoittajana on Yhdysvaltain laivasto. Vedenalainen paikannus on nykyisillä laitteilla häiriöille altista. Esimerkiksi kaikuluotaus on herkkää erilaisille olosuhteiden muutoksille. Maan alla akustinen luotaus ei luonnollisesti toimi lainkaan.
Myonit läpäisevät sen sijaan mitä tahansa ainetta, usein satoja metrejä ja toisinaan jopa useita kilometrejä, eivätkä ympäristön muutokset vaikuta niihin kovin paljoa. Lisäksi hiukkasia sataa taivaalta loputtomasti ja ilmaiseksi.
Hiukkaset voivat mahdollistaa esimerkiksi sukellusveneiden tai sukeltajien reaaliaikaisen ja nykyistä tarkemman sekä vakaamman paikantamisen. Samat periaatteet pätevät myös maan alla, siis tunneleissa ja kaivoksissa.
– Tutkijaa tietenkin kiinnostavat kaikenlaiset sovellutukset, sanoo Muon Solutionsin toimitusjohtaja, rovaniemeläinen Marko Holma.
– Ajattele esimerkiksi merieläinten liikkeiden seuraamista, joka on nykyisin vaikeaa. Myonit etenevät vedessä kilometrejä, ja niiden avulla voitaisiin seurata esimerkiksi valaiden liikkeitä. Vaikka tietoja saataisiin harvakseltaan, se olisi huima parannus nykytilanteeseen.
Tällaiset sovellutukset vaatisivat ainakin nykyisten laitteiden pienentämistä. Nyt testissä olevat ilmaisimet ovat ensimmäisiä versioita ja vielä liian kookkaita ja painavia esimerkiksi sukeltavaan ihmiseen tai merenelävään kiinnitettäviksi.
– Testit ovat nyt näyttäneet, että menetelmä toimii. Fysiikka on meidän puolella. Tulevaisuudessa jatketaan esimerkiksi ilmaisimien pienentämisen parissa, sanoo Holma.
Kilpisjärven myonitutkimuksessa oli mukana neljän hengen tiedesukeltajien ryhmä, johon kuuluivat Edd Stockdale, Nina Lepola, Anna Vesanen ja Alf Norkko.
Heidän tehtävänään oli havainnoida mittalaitteiden toimintaa ja kuvata tapahtumia.
Sukeltajien asemapaikka on Helsingin yliopiston Tvärminnen eläintieteellisellä tutkimusasemalla, jossa toimii yliopiston ylläpitämä tutkimussukellusakatemia.
Akatemian toimintaa koordinoi australialaislähtöinen kokenut sukeltaja Edd Stockdale, joka on toiselta koulutukseltaan meribiologi.
– Helsingin yliopisto koulutti tiedesukeltajia kuusikymmentäluvun lopusta 2000-luvun ensimmäiselle vuosikymmenelle, minkä jälkeen toiminta hieman hiipui, kertoo Stockdale.
– Tiedesukeltamisen tarve on globaalisti suuri, ja nyt koulutus on aloitettu uudestaan.
Stockdalen mukaan suomalainen osaaminen alalla on maailman huippua, harva osaa toimia esimerkiksi sellaisissa jääoloissa kuin Kilpisjärvellä.
– Tiedesukeltaja ei vain sukella vaan myös esimerkiksi kerää ja käsittelee näytteitä sekä suunnittelee operaatioita yhdessä tutkijoiden kanssa.
Vaikka myoneihin perustuva paikannus on vasta tuotekehitysvaiheessa, on myonien havainnointia sovellettu tieteellisessä tutkimuksessa jo 1950-luvulta alkaen. Niiden liikkeitä havaitsemalla on tutkittu esimerkiksi pyramidien ja tulivuorien sisärakenteita.
Tällainen myonikuvaus muistuttaa tekniikaltaan röntgenkuvan ottamista. Kuten röntgensäteet, myös myonit menettävät energiaansa paksussa ja tiheässä aineessa. Suuri määrä myoneja puolestaan merkitsee, että havaintosuunnassa on vain vähän materiaalia tai aine ei ole kovin tiheää.
Erona röntgenkuvaukseen on, että myonit läpäisevät satoja kertoja paksumpia materiaalikerroksia kuin röntgensäteet. Myoneja ei myöskään tarvitse erikseen tuottaa, eivätkä ne aiheuta kohteelle ylimääräistä säteilyannosta.
– Myonit ovat vekkuli hiukkasten joukko, joihin liittyviä hyötysovelluksia voisi olla vaikka kuinka paljon. Silti niistä ei juuri puhuta esimerkiksi peruskoulussa, sanoo Muon Solutionsin Jarmo Korteniemi.