Oudosti käyttäytynyt hopea johdatti ydinfyysikot läpimurtoon
Kun ydinfyysikot tekevät merkittäviä tieteellisiä löytöjä, asian merkityksen selittäminen suurelle yleisölle ei käy helposti. Näin on laita myös Mikael Reposen ja Markus Kortelaisen työssä, jossa kokeellinen ja teoreettinen fyysikko tekivät menestyksekkäästi yhteistyötä selvittäessään tuntemattoman ytimen salaisuutta.
Apulaisprofessori Markus Kortelaisen työhuoneessa on fläppi- ja seinätaulu täynnä Kortelaisen siistillä käsialalla kirjoittamia laskelmia ja laskukaavoja. Kun tutkijatohtori Mikael Reponenesitteli saamansa mittaustuloksen loppuvuodesta 2019, ydinfysiikan teoreetikkona Kortelainen kiinnostui heti.
Reponen oli onnistunut mittaamaan ensimmäisenä fyysikkona hopea-96 isotoopin ytimen varaussäteen, ja se näytti käyttäytyvän kummallisesti: varaussäde ei noudattanut systematiikka, jota hopean muut isotoopit noudattavat.
”Teoreetikolle tilanne on aina mielenkiintoinen, jos jokin ei toimi. Mikä mallissa on vialla? Pitääkö mallia parantaa?”, kertoo Kortelainen, joka on alallaan harvoja osaajia Suomessa.
Hän vastaa tutkimisen ohessa myös kaikesta Suomessa tällä hetkellä annettavasta teoreettisen ydinfysiikan kurssimuotoisesta opetuksesta.
Kortelainen teki laskelmia viikon ajan ja totesi, että uusimmatkaan ydinfysiikan tiheysfunktionaaliteoriat ja ydinrakennemallit eivät mittaustulosta selitä.
Tuloksista syntyi artikkeli Nature Communications -tiedejulkaisuun ja alkoi hopea-96:n ytimen ominaisuuksia selittävän uuden ydinmallin kehittäminen. Mikael Reponen puolestaan ryhtyi valmistelemaan seuraavan tuntemattoman hopean isotoopin mittaamista.
Varaussäde on pieni pala palapelissä
Reposen ja Kortelaisen löydös on tärkeä, vaikka käytännön suoria sovelluskohteita ei tutkijoiden mukaan olekaan heti löydettävissä.
Tutkimuskohteena oleva isotooppi kuuluu niin sanottuihin eksoottisiin ytimiin, joita ei luonnosta löydy, vaan ne on onnistuttava tuottamaan kiihdytinlaboratoriossa ydinreaktioissa. Nämä ytimet ovat radioaktiivisia ja eroavat näin luonnosta löytyvistä alkuaineiden stabiileista isotoopeista.
Tutkijoille tieto harvinaisten ytimien ominaisuuksista antaa lisää ymmärrystä atomien ja sitä pienempien hiukkasten ominaisuuksista.
”Tieto hopea-96:n varaussäteestä on kuin yksi pala palapelissä, jolla ymmärrämme ytimien ydinrakennetta. Se täydentää osaltaan tietoa siitä, miten protonit ja neutronit vuorovaikuttavat ytimessä”, kuvaa Kortelainen.
Atomeilla tai ytimillä ei ole kiinteää pintaa tai rajaa, varaussäde kertoo kuitenkin perustavanlaatuisesti ytimen koosta. Tarkemmin sanoen, mitattu varaussäde kertoo suoraan siitä, kuinka ytimen protonit ovat järjestäytyneet.
Ydinkartta päivittyy jatkuvasti. Siinä on tällä hetkelle yli 3000 ydintä joista 288 muodostaa niin sanotun vakauden laakson.
Numeerisin menetelmin on ennustettu, että ytimiä olisi noin 7000.
“Vielä on siis paljon löydettävää. Yleisesti ydinkartan tuntematonta aluetta kutsutaan termillä Terra Incognita. Uusia isotooppeja lisätään karttaan vuosittain, viimeisimpänä esimerkkinä äskettäin Jyväskylässä löydetty Lutetium -149 Välillä tulee myös uusia alkuaineita, viimeisin protoniluvulla 113 nimettiin vuonna 2016 nihoniumiksi”, kertoo Mikael Reponen.
Ydinkartalla on ollut vaikeasti lähestyttävä alue
Ydinkartalla monen fyysikon katse on Mikael Reposen tavoin ollut tina-100:n alapuolisella alueella, mutta harva on sinne toistaiseksi päässyt. Reposen suorittama hopea-96:n mittaus oli ensimmäinen neutroniluvun 50 ”alapuolella” onnistunut optinen mittaus.
”Alueen ytimet ovat olleet vaikeasti lähestyttäviä. Tekniset vaikeudet näiden ytimien tuottamisessa ovat estäneet massan, koon ja muodon mittauksia. Tämä alue kuitenkin kiinnostaa monia”, kertoo Reponen.
Hopea-96:n mittaukset – ja sen jälkeen jo hopea-95:n mittaukset- onnistuivat, sillä Reposella kollegoineen oli käytössä useita erilaisia huipputeknologioita Jyväskylän yliopiston kiihdytinlaboratoriossa. Mittauksiin tarvittiin Penningin loukku -massaspektrometrialaitteisto, ontelosieppari-laserionilähde sekä laserresonanssi-ionisaatiospektrometria-laitteisto.
”Penningin loukku on tehokas massaseparaattori, ja sen avulla saadaan mitattavaksi juuri haluttuja isotooppeja. Yhdistimme siihen laserspektroskopian, jolloin pystyimme mittaamaan haluttujen isotooppien ominaisuuksia optisesti ilman taustahäiriötä”, Reponen kuvailee.
Fyysikon työn aikajännettä kuvaa itse mittauslaitteiston rakentamiseen kuluva aika: Mikael Reponen aloitti kuuman ontelosieppari-laserionilähde -laitteiston rakentamisen jo väitöskirjatutkimuksissaan vuonna 2007.
۳ٱٲöartikkelien määrä on kasvussa
Artikkeli on esimerkki fysiikan alalla vahvistuvasta käytännöstä: kokeellisen ja teoreettisen tutkimuksen vuoropuhelua on lisätty, arvioivat Reponen ja Kortelainen.
”۳ٱٲöjulkaisujen määrä on kasvanut. Niihin tulee ajan myötä myös paljon viittauksia”, Reponen kertoo.
Jyväskylän yliopisto palkitsi Reposen ja Kortelaisen Tieteellisen läpimurto -palkinnolla maaliskuussa.
Omasta löydöksestä keskustelu vilkastunee, kun tutkijoiden liikkuvuus taas paranee korona-ajan rajoitusten poistumisen jälkeen, tutkijakaksikko arvioi. Kollegat ovat jo tulokset noteeranneet, ja ajan myötä tieto asiasta etenee myös laajemmin tutkijayhteisössä.
Kansainvälisten tapahtumien puute on ollut korona-aikana huomattava heikkous tutkijoiden työssä, fyysikot arvioivat. Konferenssi- ja tutkimusreissut ovat käyneet vähiin, eivätkä niitä verkkotapahtumat täysin korvaa.
Tutkijoille kansainvälinen kokemus on tärkeää jokaisessa uran vaiheessa. Kortelainen on työskennellyt Yhdysvalloissa, Reponen puolestaan Japanissa sekä Manchesterin yliopiston leivissä Jyväskylässä.
Fyysikon työtä molemmat suosittelevat lämpimästi.
”Kokeellisen fyysikon pitää olla valmis tekemään töitä paljon, kun niitä on. Kiihdyttimiltä saatu mittausaika on käytettävä tarkasti. Vastapainona on akateeminen vapaus, jota arvostan paljon”, sanoo Mikael Reponen.
”Teoreetikon työ on ehkä vähän tasaisempaa. Välillä mietin näitä asioita vapaa-ajallakin. Yleensä asia on niin, että jos illalla tulee asia mieleen, päätän pohtia sitä aamulla töissä lisää”, Kortelainen kertoo hymyillen.
