Fyysikot hienontavat atomin

Vaikka ydin on pieni, sen tiheys on järjettömän suuri. Atomiytimen tiheys on niin äärimmäinen, että ydinaineella täytetty tulitikkurasia painaisi yhtä paljon kuin seitsemän miljardia kuutiometriä vettä – toisin sanoen 2,8 miljoonaa olympia-altaallista.

Huolimatta tyhjyyden määrästä sähkömagneettiset voimat pitävät atomiytimen ja elektronipilven koossa niin, että ne muodostavat vahvoja ja vakaita kiinteiden, nestemäisten ja kaasumaisten aineiden osia.

Fyysikot paljastivat jo kauan sitten, että atomiydin koostuu protoneista ja neutroneista ja että nämä ydinhiukkaset sisältävät vielä pienempiä rakennuspalikoita.

Silti matka kaikkeuden ehdottomasti pienimpiin rakenneosasiin on vasta alkanut, sillä vaikka protonit ja neutronit ovat hyvin tuttuja, niissä piilee yhä useita arvoituksia.

Edistyksellisen Euroopassa ja Yhdysvalloissa tehtävän fysiikan tutkimuksen odotetaan kuitenkin muuttavan ennen pitkää tilannetta.

Atomi avautuu ydintä myöten

Ajatus, että kaikki koostuu pikkiriikkisistä rakennuspalikoista, juontuu antiikista. Vuoden 400 eaa. tienoilla kreikkalaiset filosofit Leukippos ja Demokritos päättelivät, että kaikki aine rakentuu pienistä palloista, jotka ovat jakamattomia osia eli atomeja.

Kreikkalaiskaksikko oletti, että kiinteiden aineiden, kuten raudan, atomit ovat kovia ja sisältävät koukkuja, joilla ne kiinnittyvät toisiinsa. Nesteen atomit he esittivät pehmeiksi ja sileiksi.

Atomioppi oli unohduksissa vuoteen 1897, jolloin englantilainen fyysikko J. J. Thomson todisti kreikkalaisten erehtyneen. Atomi ei ollut jakamaton.

Thomson tutki kahden elektrodin säteilyä ja havaitsi, että negatiivinen elektrodi lähetti säteitä, joita positiivisesti varautuneet metallilevyt vetivät puoleensa ja negatiiviset levyt hylkivät.

Thomsonin mukaan säteet koostuivat negatiivisesti varautuneista hiukkasista, joita elektrodin atomit lähettivät. Hiukkanen sai nimekseen elektroni.

Thomsonin atomimallissa, jota kutsutaan rusinapullamalliksi, pallomainen atomi koostuu positiivisesti varautuneesta ”taikinasta”, jossa on elektroneja vastaavia negatiivisia ”rusinoita”.

Englantilainen fyysikko Ernest Rutherford pudotti kuitenkin vuonna 1909 pohjan pois rusinapullateorialta, kun hän tulitti positiivisesti varautuneilla alfahiukkasilla kultafoliota.

Video: Fyysikot matkaavat atomien maailmaan

Positiivisten hiukkasten olisi pitänyt Thomsonin atomimallin mukaan läpäistä folio, sillä jos elektronit olivat hajallaan positiivisessa ytimessä kuten rusinat pullassa, ydin olisi neutraali eikä se siksi voisi hylkiä positiivisia alfahiukkasia.

Rutherford huomasi ällistyksekseen, että osa alfahiukkasista taipui sivuille. Sen täytyi tarkoittaa, että kulta-atomien positiivinen varaus oli keskittynyt pienen pieneen ytimeen, jota ympäröi selvästi suurempi negatiivinen elektronipilvi.

Tämä sai positiivisesti varautuneet alfahiukkaset muuttamaan suuntaansa.

Fyysikot kehittivät teorian, jonka mukaan raskaiden atomien, kuten raudan, atomiydin oli rakentunut vety-ytimistä.

Vuonna 1925 Rutherford nimesi vety-ytimet protoneiksi ja totesi, että protonien määrä atomiytimessä määrää atomin laadun – esimerkiksi happiatomi sisältää kahdeksan protonia, kun taas rauta-atomissa niitä on 26.

Protoni kutistui entisestään

Vaikka protoni on tunnettu kohta vuosisadan, se haastaa yhä tutkijat. Heille selvisi esimerkiksi vasta vuonna 2019, kuinka pieni atomin kantava rakennuspalikka tosiasiassa on.

Mittausten lähtökohta oli vetyatomi, jolla ytimen yhden protonin lisäksi on vain yksi sitä kiertävä elektroni.

Yhdysvaltalainen tutkijaryhmä, jota johti W. Xiong Durhamin yliopistosta, nosti elektronin radioaaltojen avulla korkeammalle energiatasolle ja mittasi sen taajuuden, kun se palasi takaisin perustilaan.

Tällöin fyysikot selvittivät sen energian, jonka elektronin virittyminen vaatii, ja koska protonin koko riippuu nimenomaan tästä energiamäärästä, he pystyivät määrittämään, että protonin säde on 0,833 metrin tuhannesbiljoonasosaa – viisi prosenttia oletettua pienempi.

Neutronin elinikä on arvoitus

Protonin vakiokumppani atomiytimessä, neutroni, löydettiin vuonna 1938, kun englantilainen fyysikko James Chadwick pommitti berylliummaalitaulua alfahiukkasilla.

Berylliumatomit lähettävät erittäin suurienergiaisia neutraaleja säteitä, jotka voivat tunkeutua 20 senttiä lyijyesteeseen

Chadwick osoitti, että säteet koostuivat neutraaleista eli sähkövarauksettomista ydinhiukkasista.

Neutronin olemassaolo selittää isotoopit eli saman alkuaineen massaltaan poikkeavat lajit.

Esimerkiksi tavallisessa happiatomissa on kahdeksan protonia ja kahdeksan neutronia, mutta on olemassa raskaampaa happea, jonka atomiytimessä on kymmenen neutronia.

Atomiytimen ulkopuolella neutronista tulee epävakaa ja se hajoaa protoniksi, elektroniksi ja neutriinoksi.

Vapaiden neutronien elinaikaa ei ole onnistuttu määrittämään tarkasti muun muassa siksi, että kumpikin hyväksytty mittaustapa antaa eri tuloksen.

Tästä syystä on kehitetty teoria peiliatomien käänteisestä kaikkeudesta, joka on olemassa oman universumimme rinnalla. Peilikuvamaailma muodostaa galaksien tuntemattoman pimeän massan.

Teorian mukaan mittauserot voivat johtua siitä, että neutronit kykenevät liikkumaan meidän universumimme ja peilikuvauniversumin välillä.

Toisistaan poikkeavat tulokset saavat selityksensä, jos yksi sadasta vapaasta neutronista muuttuu peilikuvakseen ja häviää toiselle puolelle ennen hajoamistaan.

Antikvarkit päivänvaloon

Tällä haavaa eniten tutkijoille päänvaivaa tuottavat kuitenkin kvarkit – atomin sisäiset rakennuspalikat.

Esimerkiksi protoni sisältää kaksi ylös-kvarkkia ja yhden alas-kvarkin ja neutroni rakentuu kahdesta alas-kvarkista ja yhdestä ylös-kvarkista.

Lisäksi on rekisteröity neljä raskaampaa kvarkkia, joita syntyy vain muun muassa supernovissa ja jotka hajovat nopeasti kevyemmiksi hiukkasiksi ja säteilyksi. Vapaita kvarkkeja oli olemassa vain mikrosekunnin ajan heti alkuräjähdyksen jälkeen.

Silloin universumi oli tulipallo, jonka läpimitta oli alle viisi kilo­metriä ja lämpötila 2 000 miljardia astetta.

Kun kaikkeus kasvoi ja jäähtyi, kvarkit tarttuivat eräänlaisiin liimahiukkasiin, gluoneihin, jotka ovat sittemmin sitoneet kvarkit kolmen ryhmiksi.

Esimerkiksi klassisessa protonin mallissa kolmella gluonilla on rautainen ote kolmesta kvarkista, mutta uudet fysiikan teoriat antavat ymmärtää, että protonin sisäinen elämä on paljon dynaamisempaa ja monimutkaisempaa.

Yksinkertainen malli ei nimittäin pysty selittämään, miksi kolmen kvarkin osuus protonin massasta on vain viisi prosenttia ja protonin pyörimismäärä johtuu niistä vain pieneltä osin.

Uuden oletuksen mukaan protonilla on monimutkainen sisäinen dynamiikka: kvarkkeja ja antikvarkkeja syntyy ja häviää jatkuvasti liemessä, jossa gluoneja syntyy ja häviää runsain mitoin.

Teorian testaamiseksi New Yorkin 3,8 kilometriä pitkä RHIC-kiihdytin muutetaan Electron-Ion Collider -nimiseksi törmäyttimeksi, jossa elektronit ja protonit osuvat toisiinsa suuremmalla voimalla kuin koskaan ennen.

Kvarkit löydettiin nimenomaan, kun protoneja pommitettiin elek­troneilla, jotka heijastuivat protonin kolmesta mitättömän pienestä pistemäisestä hiukkasesta.

Uudessa kiihdyttimessä elek­tronit tunkeutuvat syvemmälle protoneihin ja paljastavat gluonien yhteispelin.

Neutriinot läpäisevät kaiken

Vaikka kvarkit ovat käsittämättömän pieniä, ne altistuvat jatkuvasti neutriinoille, joita ytimensä ylimääräisen neutronin takia epävakaat radioaktiiviset atomit lähettävät.

Atomia vakauttaa niin sanottu beetahajoaminen, jossa neutroni muuttuu protoniksi lähettämällä elektronin ja neutriinon.

Valtaosa neutriinoista syntyy tähtien fuusioreaktioissa ja lähtee niistä melkein valon nopeudella.

Maahan osuu joka sekunti tuhansia triljoonia Auringosta peräisin olevia neutriinoja, mutta ne enimmäkseen läpäisevät planeetan, sillä neutriino reagoi atomin kanssa vain päätyessään ytimeen.

Ennen vuotta 1998 neutriinoa pidettiin massattomana, mutta silloin japanilainen ja kanadalainen ilmaisin paljastivat, että Auringon neutriinot tekevät matkallaan Maahan ihmeitä.

Neutriinoista on olemassa kolme vaihtoehtoa, mutta Aurinko lähettää vain yhdenlaisia neutriinoja.

Fyysikot olivat 30 vuoden ajan yrittäneet selvittää, miksi vain 33–50 prosenttia neutriinoista saapuu Maahan.

Sitten he totesivat, että neutriinot voivat vaihtaa tyyppiään matkalla. Siis jos Aurinko lähettäisi appelsiineja, osa niistä muuttuisi matkalla omeniksi ja päärynöiksi.

Muodonmuutos on mahdollinen vain, jos neutriinoilla on äärimmäisen pieni massa.

Niitä on pyritty punnitsemaan kaksi vuosikymmentä, ja saksalaisilmaisin KATRIN (Karlsruhe Tritium Neutrino Experiment) on nyt vihdoin määrittänyt massan ylärajaksi 1/500 000 elektronin massasta.

Lähivuosina neutriino koetetaan punnita Saksassa tarkasti, sillä tieto auttaa tähtitieteilijöitä ymmärtämään paremmin neutriinojen osuutta maailmankaikkeuden kehityksessä.

Pimeä aine sivutuotteena

Neutriinojen muuntautumiskykyä koskeva tutkimus voi ratkaista vielä suuremman arvoituksen: pimeän aineen.

Kolme tunnettua neutriinotyyppiä ovat vuorovaikutuksessa atomiytimen kanssa heikon ydinvoiman kautta muun muassa beetahajoamisessa.

Uusi oletus on kuitenkin raskas isoveli, steriili neutriino, joka vaikuttaa vain painovoimalla.

Jos steriili neutriino löytyy, se on ilmeinen ehdokas pimeäksi aineeksi, jonka osuus galaksien massasta on 85 prosenttia.

Uuden teorian mukaan tunnetut neutriinotyypit voivat muuttua sekä toisikseen että raskaaksi isoksiveljeksi, joka häviää ilmaisimista jäljettömiin.

Yhdysvallat on juuri päättänyt tehdä jo suljetusta Fermilabin kiihdyttimestä välineen, jolla tuotettavat neutriinot ohjataan niiden ominaislaadun muutoksia mittaaviin kolmeen ilmaisimeen.

Siinä tapauksessa, että kokeet paljastavat steriilin neutriinon ja samalla pimeän aineen, atomin pienimmät ja merkillisimmät rakennuspalikat saavat aikaan 2000-luvun suurimman läpimurron fysiikan alalla.