Euroopan hiukkasfysiikan tutkimuskeskuksessa CERNissä on saatu ensimmäisen kerran mitattua harvinaisen, halogeeneihin lukeutuvan radioaktiivisen alkuaineen astatiinin eli astaatin ionisaatiopotentiaali. Alkuaineen ionisaatiopotentiaali kertoo energiamäärän, joka tarvitaan yhden elektronin irrottamiseen atomista eli sen muuttamiseen positiivisesti varatuksi ioniksi. Ionisaatiopotentiaalin suuruus liittyy myös alkuaineen kemialliseen reaktiivisuuteen ja sen muodostamien yhdisteiden pysyvyyteen. Astatiinia arvioidaan olevan luonnossa ainoastaan joitakin kymmeniä grammoja, mutta CERNissä alkuainetta pystytään valmistamaan keinotekoisesti suuntaamalla energinen protonisuihku uraanikohtioon. Hiukkastörmäyksen tuloksena syntyy erilaisia alkuaineita. Ionisaatiopotentiaalin mittaukseen käytettiin tekniikkaa, joka tunnetaan yksinkertaisesti laserresonanssi-ionisaatiospektroskopiana. 2000 celsiusasteen lämpötilassa olevaan eri alkuaineista koostuvaan kaasuun kohdistetaan lasersäteitä, jotka ionisoivat osan atomeista. Positiivisesti varautuneet ionit erotellaan sähkö- ja magneettikenttien avulla, jolloin saadaan aikaan yhden ainoan alkuaineen yhdestä ainoasta isotoopista koostuva ionisuihku. Tällä menetelmällä CERNin tutkijat saivat mitattua ISOLDE-koelaitteistolla astatiinin ionisaatiopotentiaaliksi 9,31751 elektronivolttia.

”Peruna on pyöreä, peruna on soikea…” lauletaan vanhassa lastenlaulussa. Atomien ytimet sen sijaan eivät ole likikään aina pyöreitä eivätkä soikeita vaan muistuttavat muodoltaan päärynää. Tai ainakin osa niistä.

Kansainvälinen tutkijaryhmä on tehnyt Euroopan hiukkasfysiikan tutkimuskeskuksessa CERNissä kokeita, joiden perusteella jotkut atomin ytimet voivat olla hyvin epätavallisen muotoisia. Useimmat luonnossa esiintyvät atomin ytimet eivät ole muodoltaan pallomaisia, vaan voivat olla esimerkiksi soikeita kuten amerikkalainen jalkapallo. Parhaat teoreettiset ydinrakennemallit ennustavat tämän ilmiön.

Samat teoreettiset mallit ennustavat tietyille atomin ytimille ja tietyille protonien ja neutronien yhdistelmille hyvin epäsymmetrisen, päärynää muistuttavan muodon. Tällaisessa tapauksessa ytimen massa on jakautunut epätasaisesti siten, että painopiste on lähempänä ytimen ”paksua” päätä.

Ytimien päärynämäisen muodon kokeellinen mittaaminen ei ole tärkeää pelkästään ytimen rakenteen ymmärtämiseksi, vaan sillä on merkitystä fysiikan perusvuorovaikutusten ymmärtämisessä. Hiukkasfysiikan standardimalli ennustaa atomien sähköiselle dipolimomentille (EDM eli ”electric dipole moment”) niin pienen arvon, että sitä ei pystytä nykytekniikalla mittaamaan.

Monet teoreettiset, standardimallia parantamaan pyrkivät mallit ennustavat, että dipolimomentin arvo olisi silti mitattavissa. Tarkin menetelmä perustuu eksoottisten atomien tutkimukseen, joiden ytimet ovat päärynänmuotoisia. Suurin osa ennustetuista päärynänmuotoisista atomien ytimistä on kuitenkin ollut pitkään kokeellisten menetelmien ulottumattomissa.

CERNin ISOLDE-laboratoriossa on onnistuttu tuottamaan hyvin raskaita radioaktiivisia ytimiä törmäyttämällä korkeaenergisiä protoneja uraanikarbidikohtioon. Tuotetut ytimet erotellaan kemiallisesti ja kiihdytetään nopeuteen, joka on kahdeksan prosenttia valon nopeudesta, siis noin 24 000 kilometriä sekunnissa. Sen jälkeen ne törmäytetään ohueen nikkeli-, kadmium- tai tinakohtioon. Törmäysprosessissa syntyvä sähkömagneettinen impulssi virittää ytimen ja tutkimalla tähän virittymiseen liittyviä yksityiskohtia saadaan tietoa ytimen muodosta.

Menetelmää on käytetty radonin ja radiumin lyhytikäisten ²²⁰Rn ja ²²⁴Ra-isotooppien muodon tutkimiseen. Tulokset osoittavat, että ²²⁴Ra on päärynänmuotoinen, kun taas ²²⁰Rn värähtelee tämän muodon ympärillä. Tulokset ovat äärimmäisen tärkeitä ytimen rakenteen ymmärtämiseksi, sillä niiden avulla pystytään ratkaisemaan erilaisten mallien toimivuus. Päärynäinen muoto on ristiriidassa joidenkin teorioiden kanssa, mutta on pienin korjauksin yhteensopiva muiden mallien kanssa.

Kun kokeista saatava tieto yhdistetään atomifysiikan mittaustuloksiin, pystytään mahdollisesti asettamaan tarkimmat kokeelliset rajat hiukkasfysiikan standardimallille, joka on pisimmälle testattu teoria maailmankaikkeuden rakenteen ymmärtämiseksi.

ISOLDE-laboratoriossa tehtyihin kokeisiin ja saatujen tulosten tulkintaan ovat osallistuneet Janne Pakarinen, Tuomas Grahn ja Joonas Konki Jyväskylän yliopiston fysiikan laitokselta. Suomen osatutkimus on tehty Suomen Akatemian ja Fysiikan Tutkimuslaitoksen rahoituksella. Tutkimus on julkaistu Nature-tiedelehdessä 9.5.2013.