Uraani-238 ytimet törmäävät berylliumkohtioon 238 GeV[1] kokonaisliike-energialla, joka saadaan aikaan FAIR-laboratorion SIS18 rengasmaisella hiukkaskiihdyttimellä. Tämä tarkoittaa noin 88 prosenttia valonnopeudesta, eli uraaniydin ehtisi kiertää maapallon melkein seitsemän kertaa sekunnin aikana.

Käytämme relativistista uraanihiukkassuihkua tuottaaksemme luonnossa esiintymättömiä radioaktiivisia ytimiä materian mikroskooppisten ominaisuuksien tutkimiseen. Atomin ydin on kvanttimekaaninen systeemi, joka koostuu protoneista ja neutroneista. Ongelmaa monimutkaistaa rakenneosasten noin 200 toistensa kanssa vuorovaikuttavan lukumäärä. Se on liian pieni joukon tilastolliseen kuvailuun. Toisaalta se on aivan liian suuri, jotta systeemin ominaisuuksia tarkastelemiseksi luonnon perusvuorovaikutusten lähtökohdista. Ongelman kompleksisuutta lisää tosiasia, että atomin ytimessä hiukkasten välinen vuorovaikutus koostuu kolmesta luonnon perusvuorovaikutuksesta, eli heikosta, vahvasta ja sähkömagneettisesta vuorovaikutuksesta. Gravitaation vaikutus ytimessä on häviävän pieni.

Tällä kertaa mittaamme fragmentaatioreaktion vaikutusaloja eri ytimille. Vaikutusala on eräänlainen todennäköisyys ydinreaktion lopputuotteena syntyville ytimille. Hiukkassuihkun energia on niin suuri, että törmätessään beryllium-11 kohtioon raskaat uraaniytimet pirstoutuvat kevyemmiksi ytimiksi. Voidaan ajatella, että lopputuloksena syntyy kaikkia uraani-238 kevyempiä ytimiä tietyillä todennäköisyyksillä.

Idealtaan tämänkaltainen mittaus on yksinkertainen: Käytetään esimerkkinä thorium-208 ydintä ja lasketaan niiden tuotto yhtä ²³⁸U fragmentaatiota kohden. Hankalaa tästä tekee se, että yleensä muita reaktiotuotteita tuotetaan huomattavasti enemmän. Tässä kokeessa pommitamme kohtiota 0,5 miljardilla ²³⁸U-ytimellä sekunnissa. Vastaavasti mielenkiinnon kohteena olevia ²⁰⁸Th ytimiä saatetaan tuottaa vain 50 sekunnissa. Tämä on tietysti vain arvio. Oikea tulos saadaan perusteellisen aineistoanalyysin jälkeen.

Mutta miksi mittaamme ydinreaktioiden vaikutusaloja? Toisaalta tätä tietoa tarvitaan, jotta voimme suunnitella tulevaisuuden kokeita mahdollisimman tarkkaan. Juuri nyt tämä on ajankohtaista, koska fragmentaatioreaktioilla tuotetaan ytimet tulevassa FAIR-kiihdytinlaboratorion Super-FRS spektrometrissä. Kokeiden optimoimiseksi tarkka tuottoarvio on tarpeen. Suomi on Fysiikan tutkimuslaitoksen kautta osakkaana FAIRissä ja tutkimme siellä myös atomin ytimien ominaisuuksia, joten tämä on meille myös valmistautumista tuleviin kokeisiin.

Tieto ydinreaktion vaikutusalasta on tarpeellinen muuhunkin kuin perustutkimukseen. Viime vuosina raskasioniterapia on maailmanlaajuisesti yleistynyt syöpäkasvainten hoidossa. Usein käytössä on hiili-12 hiukkassuihku, josta osa fragmentoituu terveessä kudoksessa. Terveen kudoksen vahingoittaminen pyritään minimoimaan. Hoidon tarkan suunnittelun ja säteilyannoksen laskemisen kannalta on tärkeää tietää fragmentaatioreaktion todennäköisyys eli vaikutusala.

FAIR-kiihdytinlaboratorio ja Super-FRS valmistuvat 2028, jolloin pääsemme täysin hyödyntämään uusia tutkimusmahdollisuuksia. Juuri tekemämme kokeen aineisto on osana Jyväskylän yliopistossa ja Fysiikan tutkimuslaitoksella valmisteilla olevaa väitöskirjaa.

Tuomas Grahn
Apulaisprofessori, projektipäällikkö, HIP-projekti (FAIR)
Jyväskylän yliopisto, Fysiikan tutkimuslaitos

[1] GeV eli gigaelektronivoltti on ydin- ja hiukkasfysiikassa yleisesti käytetty energian yksikkö.