Eksoottisten kaliumin isotoopien varaussäteet haastavat ydinrakenneteorian
Eksoottisissa ytimissä, jotka ovat kaukana jaksollisesta järjestelmästä tutuista stabiileista isotoopeista, ytimen protoni- ja neutronilukujen suhde saavuttaa äärimmäisen arvonsa. Näissä ytimissä ilmenee uusia ilmiöitä, jotka testaavat ymmärtämystämme nukleonien välisistä vuorovaikutuksista ytimissä.
Yksi seuraus näistä vuorovaikutuksista on se, että ytimet, joilla on tietty protoni- ja/tai neutroniluku, ovat stabiilimpia verrattuna viereiseen isotooppiin. Näitä lukuja kutsutaan yleisesti maagisiksi luvuiksi. Näillä ytimillä on pidenmpi puoliintumisaika ja pienempi koko verrattuna viereisiin, ei-maagisiin isotooppeihin.
Kaliumin isotooppien massa-alueella luvun 32 on ehdotettu olevan uusi maaginen luku neutroneille. Tämän vuoksi kokeelliset tutkimukset kyseisellä ydinkartan alueella - yhdistettynä vertailuun parhaimpien teoreettisten mallien ennusteiden kanssa - ovat tärkeitä testejä sille, miten hyvin ymmärrämme erilaisista ilmiöitä näissä ytimissä.
Käytännössä näitä isotooppeja voidaan kuitenkin tuottaa vain hyvin pieninä määrinä kiihdytinlaboratorioissa. Tämän johdosta kokeellisia menetelmiä tulee jatkossakin kehittää yhä tehokkaammiksi ja herkemmiksi, jotta voimme mitata näitä uusia ilmiöitä.
Kokeelliset mittaukset osoittivat tasaisesti kasvavan varaussäteen
Tässä työssä mitattiin laserspektroskopialla eksoottisia kaliumin isotooppeja käyttäen kollineaarisen resonanssi-ionisaatio spektroskopian menetelmää (CRIS) ISODLE-massaseparaattorilla CERN:ssä.
”Mitataksemme kaliumin isotoopin, jossa on 33 neutronia (52K), jouduimme modifioimaan kokeellista mittalaitteistoa saavuttaaksemme suuremman selektiivisyyden tämän isotoopin havaitsemiselle ja vähentäen siten stabiilimpien isotooppien aiheuttamaa taustasäteilyä. Tämä mahdollisti ytimen varaussäteen mittaamisen 52K:lle”, kertoo tutkija Agota Koszorus Jyväskylän yliopiston fysiikan laitokselta.
”Jos tämän isotoopin koko olisi ollut huomattavasti suurempi kuin oletetun maagisen luvun isotoopin, 51K:n, olisi neutroniluvun 32 maagisuus varmistettu. Kokeelliset mittauksemme kuitenkin osoittivat vain tasaisesti kasvavan varaussäteen, mikä indikoi sitä että 32:lla neutronilla ei ole eritystä stabiloivaa vaikutusta ytimen kokoon”, Koszorus sanoo.
Tutkimuksessa kaliumin isotooppeja mallinnettiin kahdella erilaisella teoreettisella menetelmällä, jotka pohjautuivat ytimen tiheysfunktionaaliteoriaan (DFT) sekä yhdistetyn klusterin (CC) teoriaan.
”Tiheysfunktionaaliteoria on ideaali menetelmä raskaammille ytimille, kun taas yhdistetyn klusterin teoria on soveltuvampi kevyille ja keskiraskaille ytimille. Kaliumin isotooppien alue ydinkartalla tarjoaa ideaalisen kohtauspaikan, jossa kumpaakin menetelmää voidaan testata samanaikaisesti”, sanoo apulaisprofessori Markus Kortelainen Jyväskylän yliopiston fysiikan laitokselta.
Molemmat näistä teoreettisista menetelmistä vaativat tietoa nukleonien vuorovaikutuksista.
”Käytimme tähän tarkoitukseen parhaimpina pidettyjä ydinrakennemalleja: laskut tiheysfunktionaaliteorialla käyttivät erittäin menestyksekästä Fayansin energiatiheysfunktionaalia ja yhdistetyn klusterin laskut hyödynsivät uusinta ab-inito pohjaista kiraalipotentiaalia”, Kortelainen sanoo.
Vaikka kumpikin teoreettinen menetelmä pystyi tuottamaan yleisen kokeellisen suuntauksen varaussäteen muutoksille isotooppien välillä, selkeitä heikkouksia myös havaittiin.
Tutkijoiden mukaan tiheysfunktionaaliteorian tulokset yliarvioivat varaussäteen heilahtelua vierekkäisten parillisen ja parittoman neutroniluvun isotooppien välillä. Yhdistetyn klusterin teorialla oli taasen vaikeuksia ennustaa kokeellisen varaussäteen muutos raskaimmissa isotoopeissa. Nämä havainnot antavat pontta kehittää nykyisiä ydinrakennemalleja paremmaksi.
Linkki tutkimukseen Nature Physics -julkaisussa:
äپٴᲹ:
Tutkija Agota Koszorus, agota.a.koszorus@jyu.fi (englanniksi)
Apulaisprofessori Markus Kortelainen, markus.kortelainen@jyu.fi
Matemaattis-luonnontieteellinen tiedekunta
Viestinnän asiantuntija Tanja Heikkinen, tanja.s.heikkinen@jyu.fi, +358 50 472 1162
/science/fi
jyuscience jyuscience jyuscience
