Antimaterialla materian kimppuun

Positroni on elektronin antihiukkanen, ja ainoa antimateria jota käytetään laajamittaisesti hyväksi. Tärkein hyötykäytön esimerkki löytyy lääketieteellisen kuvantamisen puolelta (positroniemissiotomografia, PET), mutta myös tieteisviihde on löytänyt positronin (mm. Barbarella, Star Trek). Positronista kerrotaan myös usein, että se olisi ensimmäinen alkeishiukkanen, jonka olemassaolo on ensin ennustettu fysiikan teorioiden pohjalta ja vasta sen jälkeen havaittu. Tämä kertomus perustuu siihen, että Paul Diracin vuonna 1928 julkaiseman elektronin kvanttiteorian [1] ”positiiviset elektroniaukot” olivat tulkittavissa positroneiksi ja Carl Anderson julkaisi kokeelliset havaintonsa positiivisista elektroneista muutamaa vuotta myöhemmin [2]. Tieteen historiankirjoitus kuitenkin paljastaa, että Dirac itse oli vielä vuosia Andersonin havaintojen jälkeenkin vakuuttunut oman teoriansa puutteellisuudesta ja yritti kehittää sitä siihen suuntaan, ettei yhtälöistä seuraisi mitään niinkin epätodennäköistä ja eriskummallista kuin positiiviset elektronit [3]. Tieteen edistyminen ei tässäkään tapauksessa ollut kovin suoraviivaista.

Suomessa ovat fyysikot olleet kiinnostuneita positroneista jo 40-luvulta lähtien. Helsingin yliopiston van-de-Graaff –kiihdytinprojektin edistymistä odotellessaan Lennart Simons suoritti oppilaansa kanssa numeerisia laskuja (käsin tietenkin) positronin ja negatiivisen kloori-ionin muodostamasta systeemistä [4]. Kokeellisen positroniannihilaation tutkimuksen aloitti puolestaan Pekka Jauho oppilaansa Teuvo Kohosen kanssa 1950-luvun lopulla Teknillisessä korkeakoulussa [5]. Aktiivinen tutkimus jatkui Otaniemessä, 1970- ja 80-lukujen aikana Pekka Hautojärvi ja Risto Nieminen olivat ensimmäisten joukossa kehittämässä positronien annihilaatiomittauksia ja niihin liittyvää teoriaa. 1980- ja 90-lukujen aikana positronimittauksista muodostuikin kiinteän aineen ja erityisesti puolijohteiden kidevirheiden tutkimukseen poikkeuksellisen hyvin sopiva spektroskopia. Uraauurtava kokeellinen ja teoreettis-laskennallinen tutkimus jatkui 1990- ja 2000-luvuilla Kimmo Saarisen ja Martti Puskan johdolla. Tällä hetkellä kokeellista positroniviestikapulaa vie eteenpäin allekirjoittanut, Ilja Makkonen puolestaan pyrkii edelleen laajentamaan aiheen teoreettista ymmärrystä ja luo uusia laskentamenetelmiä. Ympyrä sulkeutuu vuonna 2019 Otaniemen positronilaboratorion siirtyessä Kumpulan kampukselle kiihdytinlaboratorion yhteyteen. Positronifysiikka on alue, jossa suomalaisella tutkimuksella on kansainvälisesti keskeinen panos koko alan kehitykseen.

Positronien annihilaatioon perustuvat tutkimusmenetelmät pohjautuvat melko yksinkertaisiin periaatteisiin. Yksinkertaisimmillaan β+-aktiivisesta isotoopista (esim. 22Na) säteilevät positronit johdetaan materiaalinäytteeseen paketoimalla pieni määrä tätä isotooppia kahden näytepalasen väliin. Itse mittauksessa säteilynilmaisimilla havaitaan sekä positronien ja elektronien annihilaatiossa että β+-hajoamiseen liittyvässä ydinvirityksen purkautumisessa syntyvää gammasäteilyä. Energeettiset positronit menettävät väliaineeseen joutuessaan kineettisen energiansa varsin nopeasti, minkä jälkeen ne elävät termisessä tasapainossa ympäristönsä kanssa joitakin satoja pikosekunteja (100 – 500 × 10–12 s). Tänä aikana ne voivat ”vapaina” hiukkasina diffundoitua muutaman sadan nanometrin matkan (100 – 300 × 10–9 m).  Kiinteän aineen kidehilassa liikkuessaan positroni voi löytää energeettisesti suosiollisen paikan, kuten vakanssivirheen, dislokaation, atomikertymän tai ympäristöönsä nähden negatiivisesti varautuneen ionin. Erityisesti vakanssivirheiden (vakanssi = kidehilan paikka, josta puuttuu atomi) tapauksessa pienentynyt paikallinen elektronitiheys pienentää merkittävästi annihilaatiotodennäköisyyttä ja näin ollen pidentää positronin elinaikaa. Toisaalta vakanssivirheiden läsnäolo kaventaa 511 keV:n annihilaatiosäteilyn energiaspektriä, sillä pääasiallisesti annihiloituvien elektronien liikemäärästä johtuva energiaspektrin Doppler-levenemä pienenee elektronitiheyden myötä. Positronilaboratorion tutkimustoiminta painottuu yhtäältä uusien kokeellisten ja teoreettis-laskennallisten menetelmien kehittämiseen ja toisaalta uusien materiaalien pistevirheiden karakterisointiin ja analysointiin. Jälkimmäinen tutkimusalue voidaan edelleen jakaa kahteen päähaaraan: uudet mikro- ja optoeletroniikan puolijohdemateriaalit sekä vaativien olosuhteiden rakennemateriaalit, kuten teräkset ja muut metalliseokset. Monenlaisten pistevirheiden karakterisointi erityisesti nitridipuolijohdemateriaaleissa on ollut yksi suurimmista menestystarinoista, joka jatkuu edelleen uusien seosten kehittämisen myötä. Näitä materiaaleja käytetään erityisesti opto-elektroniikassa kuten vaikkapa LED-yleisvalaistuksessa tai ultraviolettivaloa hyödyntävässä veden puhdistuksessa. Säteilyn aiheuttamat vauriot esimerkiksi fuusioreaktorien tai suurten hiukkaskiihdyttimien rakennemateriaaleissa rapauttavat pikkuhiljaa rakenteiden lujuutta. Näiden vaurioiden kehittyminen alkaa yksittäisten pistevirheiden syntymisestä ja kasaantumisesta ajan ja säteilyannoksen lisääntymisen mittaan. Tämänhetkisiä tutkimuskohteita ovatkin säteilyvauriot esimerkiksi volframissa sekä uusissa korkean entropian metalliseoksissa. Uusimpiin tutkimusavauksiin kuuluu myös niobiohutkalvojen huokoisuusprofiilin vaikutus niiden suorituskykyyn suprajohtavien kaviteettien päällysteinä tulevaisuuden hiukkaskiihdyttimissä.

Positronikiihdytin, jota käytetään ohutkalvojen tutkimuksessa. (Kuva Hanna Koikkalainen)

[1] P. A. M. Dirac, The Quantum Theory of the Electron, Proceedings of the Royal Society A: Mathematical, Physical and Engineering Sciences 117, 610–624 (1928).
[2] C .D. Anderson, The Positive Electron, Physical Review 43, 491–494 (1933).
[3] N. R. Hanson, The Concept of the Positron, Cambridge University Press (1963).
[4] L. Simons, On the Binding Energy of Positronium Chloride, Soc. Scient. Fennica Commentationes Phys.-Math. 14, 2 (1948); L. Simons, On the Stability of Positronium Chloride, Soc. Scient. Fennica Commentationes Phys.-Math. 14, 9 (1949); L. Simons, The existence of positronium chloride, Phys. Rev. 90, 165 (1953).
[5] T. Kohonen, Koinsidenssispektrometri erittäin lyhyiden aikavälien mittaamiseksi: stipendikertomus Tekniikan edistämissäätiölle v. 1958 suoritetusta tutkimustyöstä (1959); T. Kohonen, Contributions to the study of lifetimes of positrons in solids, Doctoral dissertation, TKK (1961).

Filip Tuomisto

Leave a Reply

Your email address will not be published. Required fields are marked *