Tutkimus tehtiin kvanttiväridynamiikkaan perustavalla simulaatiolla, jota pyöritettiin maailman tehokkaimpiin lukeutuvassa K-supertietokoneessa. Asialla olivat japanilaisen RIKEN-tutkimuskeskuksen ja useiden yliopistojen tutkijat.

Kyseessä ei siis ole varsinainen löytö, koska kuudesta kvarkista muodostuvaa "dibaryonia" ei ole havaittu. Sellaisia saattaa kuitenkin esiintyä äärimmäisissä olosuhteissa kuten neutronitähtien sisuksissa tai saattoi esiintyä hyvin varhaisessa maailmankaikkeudessa pian alkuräjähdyksen jälkeen.

Periaatteessa yksi dibaryoni tunnetaan jo entuudestaan: deuteroni eli deuteriumin, raskaan vedyn ydin, joka rakentuu kahdesta baryonista, protonista ja neutronista. Siltä pohjalta tutkijat ovat pohtineet, voisiko vastaavanlaisia tuplahiukkasia olla muitakin.

Pienemmässä mittakaavassa fuusiotutkimus kuitenkin etenee. Coloradon yliopistossa on tehty kokeita voimakkailla laserpulsseilla, jotka on kohdistettu mikroskooppisen pienistä, 200 nanometrin läpimittaisista langoista muodostuvaan kohtioon.

Tuloksena on ollut ennätyksellisen tehokas neutronien tuotto. Räjähdysmäisessä fuusiossa vapautui neutroneja 500 kertaa enemmän kuin vastaavissa kokeissa, joissa kohtiona on käytetty samankaltaista materiaalia, mutta yhtenäisenä kiinteänä kappaleena.

Tutkijat rakensivat ultralyhyitä pulsseja lähettävän laserlaitteiston itse. Kohdemateriaaliksi he valitsivat deuteroidun polyetyleenin. Siinä tavallisen polyetyleenin vetyatomit on korvattu raskaalla vedyllä eli deuteriumilla, jonka ytimessä on protonin lisäksi myös neutroni.

Tiuhaan ammutut laserpulssit saivat langat kuumenemaan hyvin nopeasti, jolloin ne vapauttivat deuteriumiin sitoutuneet neutronit.

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