Edelsonin [4] mukaan yksi yleensä mainittu kehittämistutkimukseen liittyvä huo-li on sen tulosten suhteelhuo-linen luotettavuus perinteiseen kokeelhuo-liseen tutkimukseen verrattuna. Kehittämistutkimus ei johda tuloksiin, joilla on tilastollisesti määritetty luotettavuus. [4, s. 117]
Toisaalta Edelsonin mukaan kehittämistutkimuksen tavoite eroaa perinteisestä ko-keellisesta tutkimuksesta, joten niitä ei tulisi arvioida samoilla normeilla. Kehittä-mistutkimuksen tavoitteena on tuottaa uusia, käytännöllisiä teorioita, joten sen ar-vioinnin mittareina ovat uutuus ja käytettävyys. Lisäksi kehittämistutkimuksen vah-vuus on eri kuin perinteisen kokeellisen tutkimuksen. Perinteisen kokeellisen tutki-muksen vahvuus on tilastollisessa otannassa, kun taas kehittämistutkitutki-muksen kaut-ta kehitettyjen teorioiden vahvuutena on niiden selittävä voima sekä tutkimuksen mukaisiin erityisiin kokemuksiin perustuminen. [4, s. 117–118]
Yleensä tutkimusmenetelmien luotettavuutta käsitellään validiteetin ja reliabilitee-tin kautta. Nämä käsitteet ovat peräisin määrällisen tutkimuksen perinteistä. Koska kehittämistutkimus voi sisältää sekä laadullisia että määrällisiä osioita, eivät validi-teetti ja reliabilivalidi-teetti pelkästään riitä kuvailemaan kehittämistutkimuksen luotetta-vuutta. Pernaa [3, s. 20] mainitseekin kehittämistutkimuksen luotettavuusanalyysin haasteelliseksi. [14]
Laadullisen tutkimuksen luotettavuutta voidaan arvioida esimerkiksi Lincolnin ja Guban [15] määrittelemien neljän kriteerin kautta. Kriteerien alkuperäiset nimet ovat credibility, transferability, dependability ja confirmability [15]. Kriteerien suo-mennoksissa esiintyy erilaisia variaatioita [14, s. 161–163]. Esimerkiksi Pernaa [3, s.
20] käyttää termejäuskottavuus,siirrettävyys,luotettavuus ja varmuus sekä vahvis-tettavuus.
Pernaa [3, s. 20] esittää, että kehittämistutkimuksen luotettavuutta voidaan arvioi-da peilaamalla Design-Based Research Collectiven [5, s. 5] määrittelemiä laaduk-kaan kehittämistutkimuksen kriteereitä (ks. luku 2.1) edellä mainittuun Lincolnin ja Guban luokitteluun. Pernaa muodostaa seuraavan kriteeristön:
• ”Kehittämisen tulee olla kokonaisvaltaista, jolloin kehittämistuloksena saa-daan sekä ohjaavia malleja ja teorioita että kuvailevia teorioita (uskottavuus ja siirrettävyys).”
• ”Kehittämisen tulee edetä sykleittäin ja sisältää jatkuvaa kehittämistä ja ar-viointia (uskottavuus, luotettavuus ja vahvistettavuus).”
• ”Kehittämisessä tulee pyrkiä teorioihin, jotka ovat siirrettävissä kentälle opet-tajien tai muiden opetusalan ammattilaisten käyttöön (siirrettävyys).”
• ”Kehittämisprosessiin tulee sisältyä testaamista autenttisissa olosuhteissa (siir-rettävyys, luotettavuus ja vahvistettavuus).”
• ”Kehittämistutkimuksen kaikki syklit tulee dokumentoida tarkasti (luotetta-vuus ja vahvistetta(luotetta-vuus).” [3, s. 20, suora lainaus listasta]
Kehittämistutkimuksen luotettavuutta voidaan vahvistaa hyödyntämällä triangu-laatiota [3, s. 20]. Triangulaatiolla tarkoitetaan yksinkertaistaen erilaisten meto-dien, tutkijoiden, tiedonlähteiden tai teorioiden yhdistämistä. Triangulaatiosta voi-daan erottaa neljä eri päätyyppiä, jotka ovat tutkimusaineistoon liittyvä, tutkijaan liittyvä, teoriaan liittyvä ja metodinen triangulaatio. Tässä tutkimuksessa näistä käytetään metodista triangulaatiota, jolla tarkoitetaan useiden eri metodien, tutki-musstrategioiden tai tiedonhankintamenetelmien käyttöä. Triangulaatiota hyödyn-nettiin keräämällä aineistoa sekä haastatteluilla että kyselylomakkeella. [14, s. 168]
3 Teoreettinen ongelma-analyysi
Tässä luvussa tarkastellaan tutkimuksen ensimmäistä vaihetta, teoreettista ongelma-analyysia. Ongelma-analyysissa määritellään tavoitteet, tarpeet ja mahdollisuudet, joihin kehittämisellä pyritään vastaamaan. Lisäksi nimetään kehittämisen yhteyteen liittyviä haasteita ja rajoitteita.
Luvun alussa perehdytään hiukkasfysiikan teoriaan, kokeelliseen hiukkasfysiikkaan CERNissä sekä avoimen datan käsitteeseen. Taustatietoina tarkastellaan TIM-alustaa, hiukkasfysiikan opetusta Jyväskylän yliopistossa sekä aiempia sovel-luksia ja oppimateriaaleja, joissa on käytetty CERNin avointa tutkimusdataa ope-tustarkoituksessa. Lisäksi esitellään Nivalaisen ym. [6] määrittelemät viisi fysiikan kokeellisten töiden tavoitekategoriaa.
3.1 Hiukkasfysiikka
Hiukkasfysiikka on yksi fysiikan tutkimuksen osa-alueista. Martin ja Shaw [16, s. 1]
määrittelevät teoksensa Particle Physics alussa hiukkasfysiikan seuraavasti: ”Par-ticle Physics is the study of the fundamental constituents of matter and the forces between them.” Hiukkasfysiikassa siis tutkitaan aineen perusrakenneosasia ja niiden välisiä voimia.
Griffiths [17] mainitsee teoksessaan Introduction to Elementary Particles hiukkas-fysiikasta seuraavasti: ”Elementary particle physics addresses the question, ’What is matter made of?’ at the most fundamental level – which is to say, on the smal-lest scale of size.” Griffithsin mukaan hiukkasfysiikka siis käsittelee pienimmässä mahdollisessa kokoluokassa sitä, mistä materia on tehty.
Yleisesti perusrakenneosasia kutsutaan alkeishiukkasiksi, eli hiukkasiksi joilla ei ole sisäistä rakennetta tai viritystiloja [16, s. 1]. Alkeishiukkaset eivät enää koostu muis-ta hiukkasismuis-ta.
Mitä nämä alkeishiukkaset sitten ovat? Tähän ei ole yksiselitteistä vastausta, sillä kyseessä on yksi hiukkasfysiikan ratkaisemattomista kysymyksistä. Tällä hetkellä voimassa oleva hiukkasfysiikan teoria nimeltään standardimalli (standard model) pyrkii selittämään kaikki hiukkasfysiikan ilmiöt malliin kirjattujen alkeishiukkasten ominaisuuksien ja vuorovaikutusten avulla [16, s. 1]. Standardimalli ei kuitenkaan ole vielä täydellinen teoria, vaan yhä keskeneräinen. Hiukkasfysiikan standardimalli on esitetty kuviossa 3.
Kuvio 3. Hiukkasfysiikan standardimalli. Malli sisältää tunnetut alkeishiukka-set ja välittäjäbosonit, sekä näiden luokittelut. Kuva Wikimedia-sivustolta [18].
Standardimallin mukaan kaikki materia koostuu alkeishiukkasista, jotka esiintyvät kahdessa eri luokassa: leptoneina ja kvarkkeina. Kummassakin luokassa on kuusi eri hiukkasta. Lisäksi standardimalliin kuuluvat ns. välittäjäbosonit. Nämä mahdollis-tavat olemassaolon osalle luonnon perusvuorovaikutuksista. Perusvuorovaikutuksia ovat sähkömagneettinen vuorovaikutus, heikko vuorovaikutus, vahva vuorovaikutus ja gravitaatio. Standardimalli ei kuitenkaan selitä näistä gravitaatiota. Martin ja Shaw [16, s. 2] eivät edes laske gravitaatiota perusvuorovaikutukseksi, sillä sen vuo-rovaikutus alkeishiukkasten kanssa on niin pieni verrattuna muihin kolmeen vuoro-vaikutukseen. [19]
Kehitettävässä laboratoriotyössä käsitellään tarkemmin välittäjäbosoneista Z0-bosonia sekä alkeishiukkasista myoneja. Z0-bosonit (jatkossa lyhennetyllä mer-kinnällä Z) ovat raskaita ja epästabiileja välittäjäbosoneita. Varaukseltaan Z on
neutraali.Z-bosonin massa on n. 91,2 GeV/c2ja elinikä hyvin lyhyt, n. 2,6×10−25s.
Ensimmäisen kerranZ-bosoni havaittiin CERNissä vuonna 1983 Super Proton Synch-rotron –protoni-antiprotonitörmäyttimellä. [16, s. 183–188]
Myonit (µ−) ovat varattuja leptoneita. Myoneiden varauksen suuruus on −e, eli negatiivinen alkeisvaraus. Myonin massa on n. 105,7 MeV/c2. Myonia vastaavaa antihiukkasta kutsutaan antimyoniksi (µ+). [16, s. 22] [20]
Hiukkasfysiikan tutkimus jakautuu teoreettiseen ja kokeelliseen tutkimukseen. Tässä tutkimuksessa perehdytään hiukkasfysiikan kokeelliseen puoleen, sillä kehitettäväs-sä laboratoriotyöskehitettäväs-sä käytetään kokeellista hiukkasfysiikan tutkimusdataa. Kokeellis-ta hiukkasfysiikan tutkimusKokeellis-ta tehdään tutkimuskeskuksissa eri puolilla maailmaa.
Tutkimuskeskuksia ovat mm. CERN Sveitsissä, Fermilab USA:ssa, DESY Saksassa sekä KEK Japanissa. Kehitettävässä laboratoriotyössä käytetään CERNin CMS-ilmaisimen keräämää tutkimusdataa.