protoni

Uusin keinoin atomia hahmottamaan

La, 09/26/2015 - 13:47 Markus Hotakainen
Atomin varjo

Hiukkasfysiikan huikeasta kehityksestä huolimatta atomiytimen tarkka rakenne on edelleen osin arvoitus: mitä aineen perusosasen sisällä oikein tapahtuu?

Tutkijat ovat nyt kehittäneet uuden menetelmän, jolla voidaan laskea suurella tarkkuudella ytimen muodostavien hiukkasten välillä vallitsevat voimat.

Periaatteessa atomiydin on yksinkertainen olio. Se koostuu protoneista ja neutroneista, jotka puolestaan rakentuvat kvarkeista ja gluoneista. Niiden välistä vahvaa vuorovaikutusta kuvaava teoria on kehitetty jo aikaa sitten, mutta se on liian mutkikas, jotta sen avulla pystyttäisiin kuvailemaan koko ytimen ominaisuuksia.

Siksi on tyydyttävä tarkastelemaan protonien ja neutronien välisiä voimia menemättä syvemmälle niiden sisuksiin. Sekin vaatii kuitenkin näiden voimien täsmällistä tuntemusta.

Protonin ja neutronin välisen vuorovaikutuksen ominaisuudet on selvitetty kokeellisesti, mutta se ei riitä. Ne on osattava selittää myös teoreettisesti. Jevgeni Epelbaumin johtama tutkijaryhmä on onnistunut muotoilemaan menetelmän, jolla se onnistuu.

"Tutkimuksessa teimme tarkkoja laskelmia protonien ja neutronien välisistä voimista käyttämällä uutta lähestymistapaa, joka tunnetaan tehollisena kenttäteoriana. Kun se yhdistettiin aiemmin kehittämäämme uuteen tapaan analysoida teoreettisia epävarmuuksia, pystyimme kuvailemaan yksinkertaisimman ytimen, toistensa kanssa vuorovaikuttavien protonin ja neutronin, ominaisuudet", Epelbaum kertoo.

Jatkossa uutta menetelmää on tarkoitus kehittää niin, että sitä voidaan soveltaa myös mutkikkaampiin ytimiin, seuraavaksi protonin ja kahden neutronin yhdistelmään. Kolmen hiukkasen väliset voimat tunnetaan toistaiseksi huonosti, joten ne ovat tällä hetkellä teoreettisen ydinfysiikan keskeinen tutkimuskohde.

Tutkimuksesta kerrottiin EurekAlert!-tiedesivustolla ja se on julkaistu Physical Review Letters -tiedelehdessä (maksullinen).

Kuva: Kielpinski Group/Griffith University

 

Kvarkkisyrjintää kvanttimaailmassa

Ti, 09/01/2015 - 18:54 Markus Hotakainen
Protoneja ja uusia hiukkasia

Vaikka kreikkalaiset pitivät atomeja jakamattomina – sitä tarkoittavasta kreikankielisestä sanasta atomos aineen osaset ovat saaneet nimensä – ne voidaan särkeä protoneiksi, neutroneiksi ja elektroneiksi. 

Protonit koostuvat edelleen kvarkeista, kahdesta ylös- ja yhdestä alas-kvarkista, joita vahva voima pitää koossa. Voima on itse asiassa niin vahva, ettei kvarkkeja voi esiintyä vapaina hiukkasia, vaan ne ovat aina erilaisina yhdistelminä kytköksissä toisiinsa.

Pommittamalla protoneja hiukkaskiihdyttimessä elektronisuihkulla voidaan kuitenkin luoda uusia kvarkkien muodostamia hiukkasia. Uudet hiukkaset eivät synny tyhjästä vaan energiasta, joka on peräisin vinhasti liikkuvilta elektroneilta.

Tutkijat ovat havainneet, että vaikka energia riittäisi yhtä lailla ylös-, alas- kuin niiden jälkeen yleisimmän, raskaamman outokvarkin ja kutakin vastaavan antikvarkin muodostamiseen, uudet hiukkaset rakentuvat yleensä protonista tutuista kvarkeista.

Outo-kvarkin kokema syrjintä on todettu jo aikaisemmin hyvin suurilla energioilla tehdyissä hiukkaskokeissa esimerkiksi Euroopan hiukkasfysiikan tutkimuskeskuksen CERNin LHC-kiihdyttimellä (Large Hadron Collider). Nyt ilmiö saatiin havaittua ensimmäisen kerran yksittäiselle kvarkkiparille.

Kokeessa 5,5 gigaelektronivoltin elektronisuihku kohdistettiin nestemäiseen vetyyn, jonka atomiytimenä on yksittäinen protoni. Kvarkkien muodostama positiivisesti varautunut hiukkanen rekisteröitiin CEBAF-kiihdyttimen (Continuous Electron Beam Accelerator Facility) LAS-spektrometrillä (Large Acceptance Spectrometer). Törmäyksessä syntynyt varaukseton hiukkanen puolestaan pystyttiin tunnistamaan ”puuttuvan” massansa perusteella.

Ankaran iskun saaneesta protonista saattoi syntyä varaukseton pioni (ylös- ja anti-ylös-kvarkki), neutroni ja positiivinen pioni (alas- ja anti-alas-kvarkki) tai kuvan mukaisesti lambda-hiukkanen ja kaoni (outo- ja anti-outo-kvarkki).

Pioneja todettiin muodostuvan kolme kertaa useammin kuin kaoneja, mikä on yhteensopiva tulos suuremmilla energioilla tehtyjen törmäyskokeiden kanssa. 

Tutkimuksesta kerrottiin Yhdysvaltain energiaministeriön uutissivulla ja se on julkaistu Physical Review Letters -tiedelehdessä (maksullinen).

Kuva: Jefferson Lab