Eksoottisen alumiiniytimen mittauksesta uutta tietoa kvarkkien maailmasta

Jyväskylän yliopiston fysiikan laitoksen kiihdytinlaboratorion IGISOL-laitteistolla sekä Euroopan hiukkas- ja ydinfysiikan tutkimuskeskuksen ISOLDE-laitteistolla suoritetuissa mittauksissa havaittiin, että eksoottisen alumiiniytimen (^26mAl) säde on paljon suurempi kuin aiemmin oletettiin. Tulosten avulla saadaan tietoa heikon vuorovaikutuksen roolista u-ja d-kvarkkien välisissä muutoksissa.  

Heikko vuorovaikutus näkyy hiukkasten hajoamisena 

Heikko vuorovaikutus on yksi neljästä luonnon perusvuorovaikutuksesta yhdessä painovoiman, sähkömagneettisen ja vahvan vuorovaikutuksen kanssa. Heikko vuorovaikutus voi muuttaa kvarkin lajin eli maun toiseksi tietyllä todennäköisyydellä. Tällä hetkellä u-eli ylöskvarkkiin liittyvien muutostodennäköisyyksien summa ei ole täysin sopusoinnussa hiukkasfysiikan standardimallin oletuksen kanssa. Summa koostuu todennäköisyyksistä sille, että d-, s- tai b-kvarkki muuttuu u-kvarkiksi. Näistä ensimmäistä, d- eli alaskvarkin muuttumista u-kvarkiksi, voidaan tutkia ytimen beetahajoamisen kautta.  

- Tähän tarkoitukseen ei voi käyttää mitä tahansa beetahajoamista, vaan tutkimus keskittyy niin kutsuttuihin supersallittuihin beetasiirtymiin, joihin esimerkiksi ^26mAl-ytimen beetahajoaminen kuuluu, kertoo Jyväskylän yliopiston fysiikan laitoksen professori Anu Kankainen IGISOL-tutkimusryhmästä.  

Vahvistaa hiukkasfysiikan standardimallia 

Supersallitun beetasiirtymän todennäköisyyden määrittämiseen tarvitaan tietoa esimerkiksi ytimen puoliintumisajasta ja hajoamisenergiasta, mutta myös sen varaussäteestä. IGISOL- ja ISOLDE-laitteistolla tehdyissä mittauksissa ^26mAl-ytimen säde mitattiin vasteesta siihen lähetettyyn laservaloon. Uusi säde on paljon suurempi kuin aiemmin oli arvioitu ja se tuo tulokset lähemmäksi standardimallin ennustetta.  

- Tulos osoittaa, että myös erittäin tarkkaa tietoa ytimen säteestä tarvitaan supersallittujen beetasiirtymien todennäköisyyksien määrittämiseen ja standardimallin testaamiseen, selventää Kankainen.  

Mittaukset jatkuvat kiihdytinlaboratoriossa 

Jatkossa Jyväskylän yliopiston kiihdytinlaboratorion IGISOL-laitteistolla on tarkoitus mitata säteitä myös muille supersallittuihin beetasiirtymiin liittyville ytimille, esimerkiksi koboltti-54 -ytimelle. 

- On hienoa, että meillä Jyväskylän yliopiston kiihdytinlaboratoriossa on ainutlaatuiset puitteet tällaiselle tutkimukselle, joka on kansainvälistä huippua. Se houkuttelee myös paljon tutkijoita ja tutkimusyhteistyötä Jyväskylään, toteaa Kankainen. 

Artikkeli julkaistiin 27.11.2023 Physical Review Letters -lehdessä, ja se valittiin Editor’s Suggestion julkaisuksi, johon liittyen on myös erillinen Viewpoint-artikkeli. Julkaisusta löytyy myös englanninkielinen tiedote CERNin verkkosivuilta. 

Lisätietoa: 

• IGISOL -ryhmä: https://www.jyu.fi/en/research-groups/exotic-nuclei-and-beams-igisol  

• CERN:n englanninkielinen tiedote: https://home.cern/news/news/physics/exotic-atomic-nucleus-sheds-light-world-quarks  

• Viewpoint artikkeli: https://physics.aps.org/articles/v16/199 

Artikkelin tiedot:  

• P. Plattner et al., Nuclear Charge Radius of 26mAl and Its Implication for Vud in the Quark Mixing Matrix, Phys. Rev. Lett. 131, 222502 

• Linkki artikkeliin: https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.131.222502