Väitös: Radioaktiivisten ionien tutkimukseen kehitetyllä laitteistolla läpimurto eksoottisten ytimien tutkimuksessa (Virtanen)
Tarkat eksoottisten radioaktiivisten ionien atomimassamittaukset ovat tärkeitä atomiytimessä olevien protonien ja neutronien välisten vuorovaikutusten ymmärtämiseksi. Massamittauksista saadaan myös tietoa alkuaineiden synnystä astrofysikaalisissa olosuhteissa, sekä erinäisten pitkäikäisten radioaktiivisten isotooppien hajoamispoluista kohti vakaata ainetta. Samalla saadaan arvokasta tietoa, jonka pohjalta ydinteorian keskiössä olevan vahvan ydinvuorovaikutuksen malleja voidaan kehittää ja koettaa mittatuloksia vastaan.
- Atomimassamittauksiin liittyy kuitenkin kaksi haastetta: eksoottisten isotooppien lyhyt elinikä ja tuotetun ionisuihkun koostumus. Mittaukseen käytettävä ionisuihku koostuu hyvin monenlaisista ioneista, joista suuri osa haittaa kiinnostavan, kokeen kohteena olevan ionin mittausta. Väitöskirjatutkimuksessani kehitetyllä laitteistolla pystytään vastaamaan näihin haasteisiin, selventää väitöskirjatutkija Ville Virtanen Jyväskylän yliopistosta.
Laitteistokehitys mahdollistaa lyhytikäisten ydinten mittaukset
Ville Virtasen väitöskirjatutkimuksessa asennettiin ja käyttöönotettiin Jyväskylän yliopiston kiihdytinlaboratorion ioniohjain-isotooppierotinsuihkulinja-laitteistoon (IGISOL) monikierroslentoaika-massaspektrometri (MR-ToF-MS), jolla voi sekä erotella että mitata eksoottisten radioaktiivisten isotooppien atomimassoja. Tämän massaspektrometrin käyttöä varten uudelleenrakennettiin IGISOL-laitteiston nelinaparadiotaajuuskenttä-jäähdytin-kimputtimen (RFQ cooler-buncher) kimputusosio.
- Kehitetty laitteisto soveltuu erityisesti kiihdytinlaboratoriossa tuotettavien lyhytikäisten, alle sekunnin kymmenesosassa puoliintuvien radioisotooppien atomimassamittauksiin. Sitä voidaan hyödyntää myös nopeana massaerottimena erilaisiin laser- ja hajoamisspektroskopiatutkimuksiin ja muihin kokeisiin, täsmentää Virtanen.
19 vuotta kestänyt mysteeri ratkesi
Väitöskirjatutkimuksessa kehitetyillä laitteilla tehdyillä mittauksilla ratkaistiin vuodesta 2006 asti avoin hopea-94-isotoopin kaksoisprotonihajoamisongelma. Kaksoisprotonihajoaminen on harvinainen radioaktiivisen hajoamisen tapahtuma, jossa nimensä mukaisesti kaksi protonia tunneloituu atomiytimestä ulos.
- Tätä hajoamista on toistaiseksi havaittu vain pienellä joukolla atomiytimiä, joilla on parillinen määrä protoneita, protoniluvultaan parittoman hopean isotooppia 94Ag lukuun ottamatta, kertoo Virtanen.
Kuitenkin parittoman protonimäärän on toistaiseksi katsottu suosivan yhden protonin tunneloitumista. Lentoaika-massamittaukset osoittivat tämän hopeaisotoopin olevan merkittävästi kevyempi kuin aiemmin oli uskottu, paljastaen kaksoisprotonihajoamisen olevan käytännössä mahdotonta. Tutkimus siis osoitti, että kaksoisprotonihajoamisesta löytyy todistusaineistoa vain ytimille, joissa on parillinen määrä protoneja.
- Hopea-94 on erityinen ydin, sillä se koostuu yhtä monesta protonista ja neutronista, jolloin juuri protonien ja neutronien välisten vuorovaikutusten odotetaan nousevan esiin voimakkaimmin. Sen ydinsidosenergia siis antaa meille lisää tietoa protonien ja neutronien välisestä vahvasta vuorovaikutuksesta, mainitsee Virtanen.
FM Ville Virtasen väitöskirjan ”Radioaktiivisten ionien massaerotus ja atomimassamittaukset monikierroslentoaika-massaerottimella IGISOL-laitoksessa” tarkastustilaisuus on 15.10.2025 klo 12:00 alkaen fysiikan laitoksen salissa FYS1. Vastaväittäjänä toimii Dr. Vladimir Manea (Laboratoire de Physique des 2 Infinis Irène Joliot-Curie) ja kustoksena yliopistonlehtori Tommi Eronen (Jyväskylän yliopisto). Väitöstilaisuuden kieli on englanti.
Väitöskirjan “Radioaktiivisten ionien massaerotus ja atomimassamittaukset monikierroslentoaika-massaerottimella IGISOL-laitoksessa” on luettavissa JYX-julkaisuarkistossa: https://jyx.jyu.fi/jyx/Record/jyx_123456789_106005?sid=209819217
