Väitös: Uudet teoreettiset kehitelmät neutriino-ydinsironnassa (Hellgren)
Neutriinot ovat standardimallin hiukkasista keskeisimmässä asemassa useiden perustavanlaatuisten fysikaalisten ongelmien ratkaisemisen kannalta. Niiden massat ja massahierarkia, mahdollinen Majorana-hiukkasluonne ja hypoteettisen steriilin neutriinon olemassaolo ovat merkittäviä avoimia ongelmia, joihin etsitään vastauksia suurten, monikansallisten neutriinokokeiden avulla.
- Neutriinojen kokeellinen havaitseminen perustuu niiden vuorovaikutukseen aineen, pääasiassa atomiytimien, kanssa. Teoreettiset ennusteet sirontavaikutusaloille ovat ensiarvoisen tärkeitä uusia kokeita suunnitellessa ja niiden tuloksia analysoitaessa, selventää väitöskirjatutkija Matti Hellgren Jyväskylän yliopistosta.
Tutkimuksen keskiössä ytimien välinen sironta
Matti Hellgrenin väitöskirjatyö käsitteli neutriinojen ja kokeellisesti tärkeiden ytimien välistä sirontaa. Hän tutki uusia teoreettisia kehitelmiä kyseisten prosessien mallintamiseen. Tutkimuksissa sironta stabiileista jodi- ja cesiumytimistä, sekä talliumin isotoopeista oli erityisen huomion kohteena, sillä näitä käytetään kohtiomateriaaleina useiden kokeiden neutriinoilmaisimissa.
- Havaitsin tutkimuksessani, että huomioimalla heikon aksiaalivektorikytkentävakion arvon heikkenemisen riittävän tarkasti, ja käyttämällä realistista kvasihiukkaspohjaista mikroskooppista ydinmallia, on jodin varatun virran sironnan vaikutusalalle saatu tulos hyvin yhteensopiva COHERENT-kokeen ilmoittaman kokeellisen tuloksen kanssa, kertoo Hellgren.
Talliumin isotooppien tutkimista varten kehitettiin ydinrakennelaskuja varten uusi hybridimalli, jonka avulla eri ydinmallien vahvuudet voitiin yhdistää erityisen tarkaksi kuvaukseksi näistä ytimistä.
- Neutriinosironnan ohella hybridimallia voidaan jatkossa hyödyntää myös muiden heikkojen ydinprosessien ydinrakennelaskelmissa, selventää Hellgren.
Uusi kehitetty rekyylienergiaformalismi kokeiden tukena
Aikaisempi teoreettinen tutkimus neutriino-ydinsironnasta on voimakkaasti keskittynyt vaikutusaloihin neutriinon energian funktiona. Kokeellisesta näkökulmasta on kuitenkin usein mielenkiintoisempaa tarkastella vaikutusalaa rekyylienergian funktiona, mutta tätä käsittelevät aiemmat teoreettiset tutkimukset ovat keskittyneet vain elastisiin sirontaprosesseihin. Tämän aukon täyttämistä varten väitöskirjatutkimuksessa kehitettiin ns. rekyylienergiaformalismi, jonka avulla voidaan laskea sirontavaikutusala rekyylienergian funktiona myös epäelastisissa prosesseissa.
- Epäelastinen neutriinosironta on tyypillisesti merkittävästi heikompaa elastiseen sirontaan verrattuna, mutta se voi peittää alleen mahdollisia standardimallin ulkopuolisen fysiikan ilmiöitä. Kehitetyllä rekyylienergiaformalismilla on siten potentiaalia toimia hyödyllisenä työkaluna näitä ilmiöitä etsivien kokeiden tulosten analysoinnissa, kertoo Hellgren.
Aksiaalivektorikytkentävakion heikkenemisen rooli neutriinosironnassa
Heikon aksiaalivektorikytkentävakion heikkeneminen semileptonisissa ydinprosesseissa verrattuna sen paljaaseen arvoon on vuosikymmeniä pitkä arvoitus, joka ratkaistiin hiljattain beetahajoamisen tapauksessa kattavien ydinrakennelaskujen ja monen kappaleen virtojen avulla.
- Tarkastelin väitöskirjatutkimuksessani kytkentävakion heikkenemistä jodin neutriinosironnan tapauksessa. Kytkentävakion heikkenemisestä ja siihen vaikuttavista tekijöistä tehty analyysi voi toimia lähtökohtana muiden tärkeiden heikkojen ydinprosessien, kuten hypoteettisen standardimallin ulkopuolisen neutriinottoman kaksoisbeetahajoamisen mallintamisessa, kertoo Hellgren.
Saadut tulokset voivat myös toimia lähtökohtina syötteille astrofysikaalisille simulaatioille ilmiöissä, joissa neutriinojen rooli on tärkeä, kuten esimerkiksi supernovaräjähdyksissä.
FM Matti Hellgrenin väitöskirjan ”Novel Theoretical Developments in Neutrino-Nucleus Scattering” tarkastustilaisuus pidetään perjantaina 25.4.2025 klo 12.00 Ylistönrinteellä salissa FYS1. Vastaväittäjänä toimii professori Gabriel Martínez-Pinedo (Technische Universität Darmstadt) ja kustoksena Jyväskylän yliopiston apulaisprofessori Markus Kortelainen. Väitöstilaisuuden kieli on englanti.
Väitöskirja ”Novel Theoretical Developments in Neutrino-Nucleus Scattering” on luettavissa JYX-julkaisuarkistossa:
