Uutta tietoa päärynänmuotoisista atomin ytimistä

CERNissä kokeita tekevä kansainvälinen tutkijaryhmä on osoittanut, että eräät atomin ytimet voivat olla hyvinkin epätavallisen muotoisia. Näistä kokeista saatava tieto yhdistettynä atomifysiikan mittaustuloksiin voivat asettaa tarkimmat kokeelliset rajat hiukkasfysiikan standardimallille. Standardimalli on kokeellisesti pisimmälle testattu teoria maailmankaikkeuden rakenteen ymmärtämiseksi. Suomen osatutkimus on tehty Suomen Akatemian ja Fysiikan Tutkimuslaitoksen rahoituksella.

Useimmat luonnossa esiintyvät atomin ytimet eivät ole muodoltaan pallomaisia, vaan voivat olla esimerkiksi soikeita kuten amerikkalainen jalkapallo. Parhaimmat teoreettiset ydinrakennemallit ennustavat tämän ilmiön. Samat teoreettiset mallit ennustavat tietyille atomin ytimille hyvin epäsymmetrisen, päärynää muistuttavan muodon. Tällaisessa tapauksessa ytimen massa on jakautunut epätasaisesti (katso kuva).

Ytimien päärynän muodon kokeellinen mittaaminen ei ole tärkeää pelkästään ytimen rakenteen ymmärtämiseksi, vaan sillä on merkitystä fysiikan perusvuorovaikutusten ymmärtämisessä. Hiukkasfysiikan standardimalli ennustaa atomien sähköisen dipolimomentin (EDM, electric dipole moment) arvon olevan niin pieni, että sitä ei pystytä nykytekniikalla havaitsemaan. Monet teoreettiset, standardimallia parantamaan pyrkivät mallit ennustavat, että EDM:n arvo olisi mitattavissa. Tarkin menetelmä perustuu eksoottisten atomien tutkimukseen, joiden ytimet ovat päärynänmuotoisia.

Suurin osa ennustetuista päärynänmuotoisista atomien ytimistä on ollut pitkään kokeellisten menetelmien ulottumattomissa. ISOLDE-laboratoriossa CERNissä on onnistuttu tuottamaan hyvin raskaita radioaktiivisia ytimiä törmäyttämällä korkeaenergisiä protoneja uraanikarbidikohtioon. Tuotetut ytimet erotellaan kemiallisesti ja kiihdytetään kahdeksan prosentin valon nopeudesta ja edelleen törmäytetään ohueen nikkeli-, kadmium- tai tinakohtioon. Törmäysprosessiin liittyvä sähkömagneettinen impulssi virittää ytimen. Viritysprosessin yksityiskohtia tutkimalla saadaan tietoa ytimen muodosta.

Tätä menetelmää on käytetty menestyksekkäästi lyhytikäisten 220Rn ja 224Ra-isotooppien muodon tutkimiseen. Tulokset osoittavat, että 224Ra on päärynänmuotoinen, kun taas 220Rn värähtelee tämän muodon ympärillä. Tämänkaltaiset tulokset ovat äärimmäisen tärkeitä ytimen rakenteen ymmärtämiseksi, sillä ne kumoavat eräät ennusteet mutta ovat sopusoinnussa toisten mallien ennusteiden kanssa.

Koe on tehty ISOLDE-laboratoriossa CERNissä, Sveitsissä. Suomalaiset tutkijat Jyväskylän yliopiston fysiikan laitokselta ovat osallistuneet kokeisiin ja tulosten tulkintaan. Tutkimus on julkaistu Nature-lehdessä 9.5.2013.

Suomen Akatemia maksaa Suomen CERNin jäsenmaksun. ISOLDE on Fysiikan Tutkimuslaitoksen (HIP, Helsinki Institute of Physics) osarahoittama projekti. Suomen Akatemia on rahoittanut tutkimusta dosentti Tuomas Grahnin projektin kautta.

Lisätietoja:

- Naturen artikkeli: http://dx.doi.org/10.1038/nature12073

- Akatemiatutkija Janne Pakarinen, Jyväskylän yliopisto, Fysiikan laitos. sp. janne.pakarinen@jyu.fi, p.040 805 4900

- Yliopistonlehtori, dosentti Tuomas Grahn, Jyväskylän yliopisto, Fysiikan laitos. sp. tuomas.grahn@jyu.fi, p. 040 805 4361

- Tohtorikoulutettava Joonas Konki, Jyväskylän yliopisto, Fysiikan laitos. sp. joonas.konki@jyu.fi, p. 040 805 4117

 

CERN-ISOLDE kokeessa mitattu 224Ra ytimen muoto

 

 

Suomen Akatemian viestintä
tiedottaja Leena Vähäkylä
p. 029 5335 139
leena.vahakyla@aka.fi

Seuraa meitä:
FacebookSlideshareTwitterYoutube
VAIHDE 029 533 5000
KIRJAAMO 029 533 5049
FAKSI 029 533 5299
   
SÄHKÖPOSTI etunimi.sukunimi@aka.fi
AUKIOLO Arkisin 8.00-16.15
   
HENKILÖHAKU »
YHTEYSTIEDOT, LASKUTUS  JA
REKISTERISELOSTEET»
KYSYMYKSET JA PALAUTE »