Tutkijat ovat askeleen lähempänä antineutriinon massan ymmärtämistä

Neutriinojen ja niiden antineutriinojen massat ovat yksi suurista avoimista kysymyksistä fysiikassa. Neutriinot ovat hiukkasfysiikan standardimallin alkeishiukkasia ja hyvin yleisiä. Niitä syntyy esimerkiksi Auringon ydinreaktioissa. Joka sekunti satoja biljoonia Auringon lähettämiä neutriinoja pyyhkäisee lävitsemme.  

- Neutriinojen massan määrittäminen on äärimmäisen tärkeää, sillä niiden ymmärtäminen voi antaa meille paremman kuvan siitä, miten maailmankaikkeus on kehittynyt, kertoo professori Anu Kankainen Jyväskylän yliopistosta. 

Matkalla kohti elektronin antineutriinon ymmärtämistä 

Yksi tapa tuottaa elektronin antineutriinoja ja määrittää niiden massa on ytimen beetahajoaminen. Beetahajoaminen on ydinfysiikassa radioaktiivinen hajoaminen, jossa syntyy tytärydin, elektroni ja sen antineutriino. Prosessissa vapautunut energia tunnetaan hajoamisen Q-arvona, mikä määräytyy emoytimen ja sen hajoamistuotteiden massoista. 

- Elektronin antineutriinon massan arvioidaan olevan ainakin viisi kertaluokkaa pienempi kuin elektronin massa. Sen vuoksi antineutriinon massa on todella haastava määrittää. Antineutriinon rooli korostuu kuitenkin merkittävästi, kun valitaan sellaisia beetahajoamisia, joiden Q-arvo on todella pieni, selventää väitöskirjatutkija Jouni Ruotsalainen Jyväskylän yliopistosta. Tutkimus on osa hänen väitöskirjaansa. 

Hopea-110-isomeerin beetahajoaminen lupaava kandidaatti 

Nyt Jyväskylän yliopiston tutkijat ovat löytäneet mahdollisen beetahajoamisen, jota voitaisiin käyttää elektronin antineutriinon massan määrittämiseen. 

- Aiemmat tutkimukset ovat keskittyneet ytimen perustilan beetahajoamisiin, mutta myös monet ytimien pitkäikäiset viritystilat, niin kutsutut isomeerit, voivat beetahajota. Yksi sellainen isomeeri on hopea-110-isotoopissa, jolla on pitkä puoliintumisaika, noin 250 päivää. Se hajoaa pääasiassa beetahajoamisella sen tytärytimen, kadmium-110-isotoopin, viritystiloille, toteaa Ruotsalainen.  

Tutkija yllättyi massamittauksen helppoudesta ja tuloksista 

Aiempien tutkimusten perusteella hopea-110-isomeerin beetahajoamisen Q-arvo tytärytimen tilalle, jonka viritysenergia on 3008,41 keV, voi olla positiivinen tai negatiivinen. Suurin epävarmuus Q-arvossa liittyy emo- ja tytärydinten perustilojen massoihin.  

- Pystyimme merkittävästi pienentämään tämän beetahajoamisen Q-arvon virhettä mittaamalla stabiilien hopea-109- ja kadmium-110-isotooppien massat. Oli melko helppoa tuottaa tutkittavat hopea- ja kadmiumionit, ja mitata niiden massat kiihdytinlaboratorion JYFLTRAP- Penningin loukulla, joka on erittäin tarkka laite, kertoo Ruotsalainen. Olin todella mykistynyt, kun analyysini osoitti Q-arvon olevan positiivinen, 405(135) eV ja itse asiassa myös pienin positiivinen Q-arvo, joka on mitattu sallitulle beetahajoamiselle, jatkaa Ruotsalainen. 

Teoreettiset fyysikot vahvistivat kokeelliset tulokset 

Läheskään kaikki hopea-110-isomeerin beetahajoamiset eivät johda kadmium-110-isotoopin viritystilalle, jonka energia on 3008,41 keV. Sen arvioimiseksi teoreettiset fyysikot tekivät myös ytimen kuorimallilaskuja.  

- Laskumme osoittavat, että noin kolme hopea-110-isomeerin beetahajoamista jokaista miljoonaa hajoamista kohden etenee tätä uutta, todella pienen Q-arvon reittiä. Vaikka tämä saattaa kuulostaa vähäiseltä, on se oikeasti tosi merkittävä määrä tuollaiselle matalan energian beetahajoamiselle. Pitkän puoliintumisaikansa ansiosta tästä hopeaisomeeristä voidaan tehdä tulevaisuudessa näyte, jonka avulla voidaan toivon mukaan havaita näitä harvinaisia matalan energian beetahajoamisia, kommentoi tutkija Marlom Ramalho, joka suoritti työn teoreettiset laskut. Ramalho väitteli äskettäin Jyväskylän yliopistosta ja työskentelee parhaillaan Oskar Huttusen säätiön rahoittamana post doc -tutkijana Yorkin yliopistossa Englannissa. 

Antineutriinojen mittaukset jatkuvat 

Hopea-110-isotoopista on tutkimustulosten perusteella tullut todella houkutteleva vaihtoehto tulevaisuuden antineutriinon mittauksille. Sen beetahajoaminen on sallittu ja Q-arvo todella matala. Isomeeriä voidaan helposti tuottaa ydinreaktoreissa. 

- Tämä on todella mielenkiintoinen tapaus jatkotutkimuksille. Yhteistyö teoreettisten fyysikkojen kanssa onnistui saumattomasti. Tutkimuksemme osoittivat myös muutaman muun isomeerisen tilan, joiden beetahajoamisen Q-arvoa kannattaisi seuraavaksi tutkia neutriinofysiikkaa varten. Oli tosi kiva nähdä, että myös stabiilien isotooppien atomimassamittauksilla voidaan saavuttaa näin merkittäviä ja vaikuttavia tuloksia, toteaa Kankainen.  

Tutkimus on julkaistu arvostetussa Physical Review Letters -lehdessä 28.4.2025.  

Artikkelin tiedot: 

• J. Ruotsalainen et al., Ultra-low Qβ value for the allowed decay of 110Agm confirmed via mass measurements, Phys. Rev. Lett. 134 (2025) 172501. 
• Linki artikkeliin: https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.134.172501 
• Avoimesti saatavilla oleva versio: arXiv:2409.11203 [nucl-ex], https://doi.org/10.48550/arXiv.2409.11203