Uudet mittaukset paljastivat kiinnostavan piirteen radioaktiivisissa lantaani-isotoopeissa

Neutronirikkaiden ydinten sidosnergiat ovat olennaisia laskuille, jotka mallintavat raskaiden alkuaineiden syntyä maailmankaikkeudessa. Jyväskylän yliopiston kiihdytinlaboratorion tutkijat ovat äskettäin tuottaneet radioaktiivisia ja neutronirikkaita lantaani-isotooppeja nk. IGISOL-laitteistolla. Tuotetut isotoopit ovat hyvin lyhytikäisiä ja sen vuoksi niiden ominaisuuksien tutkiminen on haastavaa.  

- Pystyimme määrittämään yhteensä kuuden lantaani-isotoopin atomimassat erittäin tarkasti käyttäen ionin vaiheen mittaamiseen perustuvaa syklotroniresonanssitekniikkaa JYFLTRAP –Penningin loukulla. Kahden eksoottisimman isotoopin, lantaani-152 ja lantaani-153, massat mittasimme ensimmäistä kertaa maailmassa, iloitsee professori Anu Kankainen Jyväskylän yliopistolta, joka johti tutkimusta osana hänen Euroopan tutkimusneuvosto ERC:n Consolidator Grant –projektiaan. 

Neutronitähtien törmäyksissä havaittava ilmiö 

Mitatuista erittäin tarkoista atomimassoista tutkijat määrittivät neutronin irrotusenergiat lantaani-isotoopeissa. Neutronin irrotusenergia on energia, joka tarvitaan irrottamaan neutroni kyseisen isotoopin ytimestä. Se antaa tietoa ytimen rakenteesta ja on olennainen tieto astrofysikaalisen neutronisieppausreaktion todennäköisyyksien laskemiselle nopeassa neutronisieppaus- eli r-prosessissa.  

- Kyseinen prosessi tapahtuu ainakin neutronitähtien törmäyksissä, joista kuuluisimpana todisteena on GW170817 neutronitähtien törmäyksen yhteydessä havaittu kilonova, selventää Kankainen. 

Tutkijan ruudulla näkyi ennennäkemätön “kumpu” 

Juuri julkaistussa tutkimuksessa määritettiin kahden neutronin irrottamiseen tarvittavat energiat tutkituille lantaani-isotoopeille. Tutkijat havaitsivat, että ne kasvavat voimakkaasti, kun siirrytään lantaani-149 isotoopista lantaani-150 –isotooppiin. Havaittu “kumpu” on ainutlaatuinen ja herättää aiheen tutkia näitä isotooppeja lisää. 

- Määritettyäni atomimassat ja laskettuani kahden neutronin irrotusenergiat tutkituille lantaani-isotoopeille, yllätyin havaitusta kummusta. Yksikään nykyisistä massamalleista ei pysty selittämään sitä. On olemassa joitain alustavia tutkimustuloksia, joiden mukaan se voisi johtua lantaani-isotooppien ytimen rakenteen äkillisestä muutoksesta, mutta sen varmentaminen vaatii lisätutkimuksia tätä tutkimusta täydentävillä menetelmillä, kuten laser- tai ydinspektroskopialla, kertoo väitöskirjatutkija Arthur Jaries, joka väittelee kesäkuussa aiheesta Jyväskylän yliopiston fysiikan laitokselta.  

Teoreettisia malleja tulee hioa entistään 

Lantaani-isotooppien uudet, tarkat massat muuttivat laskettuja neutronisieppausreaktioiden todennäköisyyksiä jopa 35 % ja pienensivät massaan liittyviä epätarkkuuksia jopa tekijällä 80.  

- Saadut tulokset ovat tärkeitä sen ymmärtämiseksi, miten harvinaiset maametallit syntyvät r-prosessissa. Mittaukset myös osoittivat, että nykyisissä teoreettisissa massamalleissa, joita tarvitaan näissä astrofysikaalisissa laskuissa, on vielä kehitettävää. Ne kun eivät tätä piirrettä pystyneet ennustamaan, toteaa Kankainen. 

Tutkimus on julkaistu arvostetussa Physical Review Letters -julkaisusarjassa 27.1.2025.  

Artikkelin tiedot:  

• A. Jaries et al., Prominent bump in the two-neutron separation energies of neutron-rich lanthanum isotopes revealed by high-precision mass spectrometry, Phys. Rev. Lett. 134 (2025) 042501. 
• Julkaisun verkko-osoite: https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.134.042501  
• Myös: arXiv:2408.06221 [nucl-ex], https://arxiv.org/abs/2408.06221