Tiesitkö? Suomalaisfysiikan laboratoriot ovat osa maailman kovinta ydinfysiikkaa – ja nyt ne ratkaisevat maailmankaikkeuden mysteerejä

Kuvittele tilanne: olet tutkija, joka tuijottaa hiukkaskiihdyttimen dataa ja huomaa jotain, mitä teoriat eivät osaa selittää. Ylimääräisiä gammasäteitä, jotka pulpahtavat esiin sinkkiatomeista ilman näkyvää syytä. Tuntuu sekavalta? Et ole yksin – ja vuosikymmenien ajan fyysikot ympäri maailmaa ovat raapineet päätään juuri tämän ongelman parissa.

No, pidä kiinni takistasi, sillä Michiganin osavaltionyliopiston FRIB-laboratorion tutkijat ovat nyt ratkaisseet tämän kosmisen arvoituksen. Ja rehellisesti sanottuna? Vastaus on viileämpi kuin osasit odottaa.

Mitä tutkijat oikein näkivät?

Avataanpa asiaa. Gammasäteet ovat käytännössä superenerginen valo. Kun atomin ydin saa energiaa ja sitten rauhoittuu takaisin perustilaansa, se sylkäisee ulos juuri tätä säteilyä. Tutkijat voivat mitata, kuinka usein tätä tapahtuu eri energioilla – tavallaan kuin seuraisit, kuinka usein joku aivastaa eri volyymilla.

Tässä kohtaa homma menee erikoiseksi: tietyille atomeille syntyy enemmän matalaenergisiä gammasäteitä kuin kukaan osasi ennustaa. Tälle mysteeriselle ylimäärälle annettiin jopa hienostunut nimi – "matalaenergiaminen vahvistuma". Vuosikausia kukaan ei saanut selvää, mistä se johtui.

"Me emme ennustaneet tätä ollenkaan", selitti Eleanor Ronning, uuden tutkimuksen pääasiantuntija, nykyään Italian ydinfysiikan instituutissa. "Se oli melkoinen shokki, kun ilmiö havaittiin ensimmäistä kertaa."

Sinkki-70:n tapaus selvisi

Tutkimusryhmä keskittyi nimenomaan sinkki-70:een, joka kuulostaa bändin nimeltä mutta on itse asiassa tietynlainen sinkkiatomi. Käyttämällä vakuuttavia kokeellisia asetelmia ja analyysimenetelmiä, joiden kehittämiseen kului yli vuosikymmen, he tekivät hämmästyttävän löydön: ylimääräiset gammasäteet eivät synnykään atomin ytimen tavanomaisista "sähköisistä" siirtymistä. Sen sijaan ne johtuvat jotain, mitä kutsutaan magneettisiksi siirtymiksi.

Ajattele asiaa näin: kuvittele, että katselet tanssijoita yökerhossa (ytimessä). Yleensä he liikkuvat tavalla, joka tuottaa tietyn valokuvioinnin. Mutta joskus he tekevät pyörivän, magneettisen liikkeen, joka luo ylimääräistä hehkua. Juuri näin käy – mutta atomitasolla.

Miksi sinun pitäisi välittää? (Paitsi että se on yksinkertaisesti outoa)

Tässä kohtaa homma oikeasti kiinnostaa. Kyse ei ole vain uteliaisuudesta sinkkiatomien käyttäytymisestä. Matalaenergiaminen vahvistuma vaikuttaa siihen, kuinka nopeasti tietyt ydinreaktiot tapahtuvat – ja nämä reaktiot ovat vastuussa raskaiden alkuaineiden luomisesta ympäri maailmankaikkeutta.

Tiedätkö ne upeiden supernovaräjähdykset, jotka merkitsevät tähden kuolemaa? Ja neutronitähtien uskomattoman väkivaltaiset yhteentörmäykset, joita gravitaatioaaltotunnistimet ovat havainneet? Nämä kosmiset tapahtumat ovat käytännössä alkuainetehtaita. Ne murskaavat kevyempiä atomeja yhteen ja rakentavat raskaampia, kuten kultaa, platinaa, uraania ja kaikkea rautaakin painavampaa.

Tässä on yhteys: kun tutkijat mallintavat näitä kosmisia takomoja, heidän täytyy tietää, kuinka nopeasti eri ydinreaktiot etenevät. Matalaenergiaminen vahvistuma voi muuttaa näitä reaktonopeuksia merkittävästi. Joten nyt kun ymmärrämme sen takana olevan mekanismin, mallimme siitä, miten maailmankaikkeus luo kaikki nuo raskaat alkuaineet koruissamme ja älypuhelimissamme, pitäisi tulla paljon tarkemmiksi.

Kymmenen vuoden jahti

Mikä tässä tarinassa eniten vaikuttaa, ei ole pelkkä löydös – se on sitkeys. Tutkimusryhmä käytti yli kymmenen vuotta uusien kokeellisten tekniikoiden ja analyysimenetelmien kehittämiseen vain saadakseen tämän mittauksen kohdalleen. Se on omistautumista jotain todella hämmentävää kohtaan.

"Käytimme uudenlaista kokeellista tekniikkaa, joka yhdistää erikoistuneita instrumentteja tavalla, joka hyödynsi käytännössä koko laitosta", sanoi Sean Liddick, yksi tutkijoista. "On jännittävää nähdä, kuinka tuo työ johti näin selkeään tulokseen."

Tämän kaltainen perustutkimus muistuttaa minua siitä, miksi tiede on niin kiehtovaa. Joskus yrität vain ymmärtää, miksi sinkkiatomit käyttäytyvät oudosti, ja osoittautuukin, että katsot prosesseja, jotka loivat luustosi kalsiumin tai veresi raudan.

Maailmankaikkeus on hurja, kun pysähdyt ajattelemaan. Ja jossain siellä ulkona valtavat räjähdyksesti takovat edelleen uusia alkuaineita, yksi ydinreaktio kerrallaan. Nyt, kiitos muutamien fiksujen sinkkikokeiden, olemme yhden askeleen lähempänä ymmärtämään täsmälleen, miten tuo kosminen alkemia toimii.

Aika siistiä, eikö?