Experimental studies of exotic, light nuclear systems - combining front-line physics and FAIR preparations
Research Project, 2012
– 2014
Då vi studerar naturens beståndsdelar i deras minsta detaljer, känner vi sedan länge till att atomen som sitt namn till trots inte är odelbar. Vi ser hur den består av elektroner och en atomkärna, den senare har som beståndsdelar neutroner och protoner - nukleoner och utgör den övervägande delen av den massa vi kan observera i universum. Nukleonerna har i sin tur en inre struktur genom att vara sammansatta av kvarkar och gluoner. Det kan alltså tyckas som om vi har god kunskap om atomkärnan, då vi väl känner till dess byggstenar, men detta sammansatta system är emellertid betydligt komplexare än summan av ett givet antal neutroner och protoner. De teorier som mer eller mindre framgångsrikt beskriver de observabler som vi har tillgång till hos en atomkärna, ex. massa, radie, exciterade tillstånd, spinn etc., är ofta uttalat fenomenologiska och bara lokalt giltiga. Av de möjliga existerande kombinationerna av nukleoner så återfinns bara ca. 300 i naturen som är stabila eller mycket långlivade, skapade i de kosmiska kärnsyntesprocesser som vi lever i resterna av. Ytterligare omkring 2700 nuklider har kunnat framställas på konstgjord väg i acceleratoranläggningar och reaktorer. Dessa atomkärnor är radioaktiva och kommer genom sönderfall att slutligen transformeras till stabila kärnor. Om vi följer en sekvens av isotoper mot extremt neutronrika eller neutronfattiga system bort från stabilitet, kommer de till slut nå en gräns där kärnan inte längre är ett bundet system av nukleoner, de s.k. dripplinjerna. Kärnorna i dess närhet kallas exotiska och man har funnit att de ofta har klart skilda egenskaper från mindre extrema system. Bland annat visar det sig att de konfigurationer, med avseende på antalet protoner och/eller neutroner som uppfyller s.k magiska tal, som normalt medför att kärnor är speciellt stabila, inte längre är allmänt giltiga. Dessutom uppträder nya fenomen, t.ex. kan stark klusterformation av nukleoner förekomma varav de mest extrema är s.k. halotillstånd där en eller flera nukleoner befinner sig utanför den normalt tillåtna volymen av kärnmateria och därigenom ger upphov till en gloria av kärnmateria genom kvantmekanisk tunnling. Sådana strukturer kan även kraftigt förändra reaktionshastigheten hos astrofysikaliska processer som förklarar hur tyngre grundämnen i naturen har skapats. Dripplinjerna sätter emellertid inga absoluta gränser för vår möjlighet att studera nukleära system: i kärnreaktioner kan obundna resonanstillstånd bortanför gränserna bildas, och genom att mäta sönderfallsprodukterna kan dess tillstånd studeras. Projektet syftar till att studera exotiska strukturer i de mest extrema nukleära system som kan skapas i experiment, vid och bortanför dripplinjerna. Det mest kända fallet är halotillstånd i t.ex. 14Be, som kan ses som en inre kärna av 12Be omgiven av två neutroner. Dessutom kommer obundna system som de extremt neutronrika isotoperna 15Be och 16B att studeras, tillsammans med obundna binära subtillstånd till halokärnor såsom 13Be och även extremt neutronfattiga som 17Ne med en två-protonhalo. Denna typ av konfiguration i kärnor motsäger tidigare erfarenheter (att kärnor generellt är system av nukleoner med konstant densitet) och är en utmaning att förstå sig på. Experimenten är koncentrerade på relativt lätta kärnor, vilket generellt överlappar det massområde som så kallade ab-initio teorier i dagsläget kan hantera. Dessa söker direkt, utifrån växelverkan mellan system av två och tre nukleoner, att förklara kärnors struktur. Genom de studier som avses i projektet genereras data för extrema system där nya effekter är en kraftig utmaning för dessa och andra teorier. En förutsättning för denna typ av forskning är att ha tillgång till acceleratoranläggningar som kan leverera radioaktiva strålar av isotoper med mycket kort halveringstid. I detta projekt kommer två av världens ledande anläggningar att användas: Dels ISOLDE vid CERN som kan producera lågenergetiska strålar för sönderfallsstudier och reaktionsstudier. Dels GSI i Darmstadt som producerar radioaktiva strålar vid relativistiska energier. GSI utvecklas under de kommande åren till FAIR som kommer att bli den främsta europeiska anläggningen inom kärnfysik, med svenskt delägarskap redan från start. Det föreslagna projektet har mycket starka kopplingar till NuSTAR-R3B programmet vid FAIR och syftar, utöver de rent vetenskapliga drivkrafterna, även till att positionera verksamheten inom gruppen för en fortsatt ledande roll.
Participants
Thomas Nilsson (contact)
Subatomic Physics
Funding
Swedish Research Council (VR)
Project ID: 2011-5324
Funding Chalmers participation during 2012–2014