9.10.2020 Miten neutriinojen perusominaisuuksia voidaan tutkia ydinfysiikan avulla? (Jokiniemi)

Nykykäsitys maailmankaikkeuden hiukkasista ja niiden välisistä vuorovaikutuksista perustuu hiukkasfysiikan standardimalliin. Atomiydinten prosesseilla on yhteys etenkin neutriinoihin, jotka ovat standardimallin mukaan massattomia, sähköisesti varauksettomia, erittäin heikosti vuorovaikuttavia alkeishiukkasia. Viimeaikaiset aurinkoneutriinokokeet ovat kuitenkin osoittaneet, että neutriinoilla on nollasta poikkeava massa, mikä todistaa, ettei standardimallin käsitys neutriinoista ole täydellinen. Tällä hetkellä käytännöllisin tapa selvittää neutriinojen tuntemattomia ominaisuuksia on neutriinoton kaksoisbeetahajoamisen – erään hypoteettisen standardimallia rikkovan prosessin – mittaaminen. Teoreettisen ydinfysiikan väitöstutkimuksessaan Lotta Jokiniemi tutki, miten neutriinotonta kaksoisbeetahajoamista voidaan ennustaa mitattavien prosessien, erityisesti varauksenvaihtoreaktioiden ja myonisieppauksen, avulla.
Julkaistu
9.10.2020

Neutriinoton kaksoisbeetahajoaminen on atomiytimen radioaktiivinen hajoamisprosessi, jonka seurauksena kaksi ytimen neutroneista hajoaa samanaikaisesti protoneiksi ja ytimestä vapautuu kaksi elektronia. Tämä on yksi tärkeimmistä ydin- ja hiukkasfysiikan tutkimusaiheista selvitettäessä neutriinon perusluonnetta, kuten sen massaa sekä sitä, onko se oma vastahiukkasensa vai ei.

Kaksoisbeetahajoamisen tutkimus on kuitenkin äärimmäisen haastavaa. Väitöstutkimuksessa selvitettiin, miten muiden atomiytimen prosessien avulla voitaisiin avata tietä kaksoisbeetahajoamisen parempaan ymmärtämiseen. Työssä on tutkittu erityisesti kahta prosessia: varauksenvaihtoreaktioita ja myonisieppausta.

Varauksenvaihtoreaktioiden kokeellinen tutkimus on viime aikoina ottanut suuren harppauksen eteenpäin. Näillä reaktioilla on yhteys kaksoisbeetahajoamisessa tapahtuviin siirtymiin, joten niiden avulla saadaan arvokasta tietoa kaksoisbeetahajoamisen ydinrakenneriippuvuudesta.

Vertaamalla mittaustuloksia teoreettisiin ennusteisiin Lotta Jokiniemi onnistui väitöstutkimuksessaan tarkentamaan kaksoisbeetahajoamiseen liittyvien ydinmatriisielementtien arvoja.

Myonisieppauksessa myoni - elektronin kaltainen, mutta 200 kertaa painavampi leptoni - sieppautuu ytimeen aiheuttaen reaktion, joka johtaa ydinsiirtymiin aina korkeille viritystiloille asti. Nämä siirtymät ovat myös kytköksissä kaksoisbeetahajoamiseen.

Vastikään onnistuttiin ensimmäistä kertaa mittaamaan myonisieppauksen voimakkuusfunktio, eli myonisieppauksen todennäköisyydet kaikille ytimen viritystiloille.

”Verratessani kokeellista jakaumaa laskuihini havaitsin tulosten välillä erinomaisen yhteensopivuuden. Tuloksen innoittamana laajensin laskuni myös muihin kokeellisen kiinnostuksen kohteena oleviin ytimiin tarjoten mahdollisuuden verrata mitattuja jakaumia laskettuihin ja siten tarkentaa kaksoisbeetahajoamiseen liittyvien parametrien arvoja”, kertoo Jokiniemi.

Tutkimus on julkaistu Jyväskylän yliopiston väitöstutkimusten sarjassa JYU Dissertations, numero 288, Jyväskylä, 2020.
ISBN 978-951-39-8304-8 (PDF), URN:ISBN:978-951-39-8304-8, ISSN 2489-9003.
Julkaisu on luettavissa JYX-julkaisuarkistossa osoitteessa:

äپٴᲹ:
Lotta Jokiniemi, lotta.m.jokiniemi@jyu.fi

FM Lotta Jokiniemen fysiikan väitöskirjan "Probing neutrinoless double-beta decay by charge-exchange reactions and muon capture" tarkastustilaisuus on perjantaina 9.10.2020 Jyväskylän yliopistossa. Vastaväittäjänä on emeritus professori Theocharis Kosmas (University of Ioannina, Kreikka) ja kustoksena on professori Jouni Suhonen Jyväskylän yliopistosta. Väitöstilaisuuden kieli on englanti.

Yleisö voi seurata väitöstilaisuutta verkkovälitteisesti.
Linkki Zoom-webinaariin (suositellaan Zoom-sovellusta tai Google Chrome selainta):