Planning for in-kind contributions for experiments at FAIR

Vi känner sedan länge till att atomen, sitt namn till trots, inte är odelbar. Vi vet att den består av elektroner och en atomkärna, där den senare har beståndsdelar neutroner och protoner (nukleoner) som byggstenar. Detta utgör den övervägande delen av den synliga massan i Universum. Nukleonerna har i sin tur en inre struktur av kvarkar och gluoner. Den starka kraften, en av de fyra fundamentala typerna av växelverkan, dominerar den subatomära världen genom att både binda kvarkar till de observerade partiklarna, hadroner, och protoner och neutroner till atomkärnor. Den starka växelverkan har därför effekter i subatomära system med mycket stor spännvidd med avseende på massa, storlek och bindningsenergier. Det kan tyckas som om vi har god kunskap om atomkärnan och dess byggstenar, men i verkligheten är det en verklig utmaning att försöka förstå dessa system på alla nivåer. Den kunskap som kan erhållas är också av högsta relevans utanför kärnfysiken, exempelvis inom astrofysik och partikelfysik. Experimentell forskning inom subatomär fysik möjliggörs av partikelacceleratorer och avancerade detektorsystem. Den vetenskapliga potentialen i denna forskning har motiverat Tysklands regering att godkänna en helt ny forskningsanläggning, FAIR (Facility for Antiproton and Ion Research) som nu är under konstruktion vid det existerande laboratoriet GSI utanför Darmstadt. FAIR kommer att bli en världsunik anläggning inom kärn-, hadron- och atomfysik. I princip alla svenska forskargrupper som är verksamma inom kärn- och hadronfysik samt flera grupper inom atomfysik har ett starkt intresse av att genomföra experiment vid FAIR. Svenska grupper och individer har redan nu en stark, och i flera fall ledande, ställning inom de planerade projekten. Denna ansökan ställs från det Svenska FAIR-konsortiet, bestående av forskare och acceleratorexperter som avser att bidra i betydande utsträckning till att FAIR realiseras. Ansökan syftar till att kunna utveckla avancerade detektorsystem som ska inkluderas i anläggningen. Accelerator- och lagringsringen CRYRING, som tidigare var i drift vid Manne Siegbahnlaboratoriet vid Stockholms universitet, kommer att utgöra basen för en ny anläggning vid FAIR för forskning med antiprotoner och högt laddade stabila och radioaktiva joner vid låga energier. För att dessa studier ska kunna påbörjas vid FAIR i ett tidigare skede kommer CRYRING byggas upp och installeras så att den kan ta emot strålar från den befintliga lagringsringen ESR. De unika jonstrålar som kommer att möjliggöra atomfysikaliska mätningar med hög precision under extrema förhållanden, t.ex. precisionsstudier av kvantelektrodynamik, kollisionsdynamik i extremt starka elektriska fält från högt laddade tungjoner och reaktioner med radioaktiva joner vid astrofysikaliskt relevanta energier. Detta program planeras inom SPARC-kollaborationen men har även starka kopplingar till NUSTAR. Inom NUSTAR-kollaborationen planeras undersökningar av exotiska atomkärnor, med extrema förhållanden mellan antalet neutroner och protoner, vars struktur ofta avviker från stabila kärnor. För de lättaste kärnorna, bryggan mellan hadroner och kärnor, kommer FAIR att kunna ge detaljerad information om de mest extrema bundna och obundna nukleära systemen. Tyngre kärnor bortom de stabila isotoperna kan uppvisa avvikelser från skalmodellen, den vedertagna teorin för kärnstruktur, och nya nukleonkorrelationer. Studier av exotiska atomkärnor har direkt koppling till skapandet av atomkärnorna i Universum, då de relevanta processerna i t.ex. stjärnor och supernovor till stor del involverar dessa. I PANDA-experimentet kommer hadroner, skapade i reaktioner med en antiprotonstråle i lagringsringen HESR, att studeras med hjälp av en mycket avancerad och universell detektor. Här kommer precisionsmätningar göras för att lära sig förstå hur fundamentala partiklar dynamiskt växelverkar med varandra och därigenom testa kvantkromodynamik (QCD), den teori som anses beskriva den starka växelverkan korrekt. Man kan även söka efter nya former av materia som t.ex. "glueballs", partiklar uteslutande bestående av gluoner, eller studera hyperkärnor som innehåller hadroner med särtalskvarkar. PANDA kommer att kunna undersöka dessa och andra teman med en oöverträffad noggrannhet och statistik, med utmärkt potential för ytterligare, oväntade upptäckter.

Participants

Thomas Nilsson (contact)

Professor at Fundamental Physics

Collaborations

Uppsala University

Uppsala, Sweden

Funding

Swedish Research Council (VR)

Funding years 2014

Related Areas of Advance and Infrastructure

Sustainable Development

Chalmers Driving Force

More information

Created

2015-03-26