Optimerade nukleonkrafter från kiral effektiv fältteori med statistiska och systematiska osäkerheter

Forskningsprojekt, 2016 – 2018

"En atomkärna består av protoner och neutroner, som gemensamt kallas för nukleoner, och hålls samman av den starka nukleonkraften. Med hjälp av superdatorer kan man utifrån en modell av nukleonkraften räkna ut exempelvis radien och massan för en atomkärna bestående av upp till hundra nukleoner. Den fundamentala och mest lovande beskrivningen av nukleonkraften är baserad på kiral effektiv fältteori av nobelpristagaren Steven Weinberg. Beräkningar baserade på denna modell resulterar tyvärr i avsevärt för små radier och massor, utom för de absolut lättaste atomkärnorna. Jag har tidigare presenterat optimeringsmetoder som ett verktyg för att förbättra modellen av nukleonkraften. Mitt mål är att ta fram en ny beskrivning av kraften mellan protoner och neutroner för att kunna ge en korrekt fundamental beskrivning av både lätta och tunga atomkärnor. Detta skulle få långtgående konsekvenser för alla vetenskapliga frågeställningar som vilar på en fundamental beskrivning av kraften mellan protoner och neutroner.

Den starka kraften mellan nukleonerna är en av de fyra grundläggande krafterna i vårt universum. Den moderna och mest fundamentala teorin som i nuläget kan användas för att göra beräkningar på atomkärnor utifrån nukleonkraften kallas för kiral effektiv fältteori. Alla fysikaliska teorier måste dock stämmas av, eller kalibreras, mot insamlad data innan man kan göra ett försök att beskriva och förstå experimentella observationer. Det innebär helt enkelt att man bestämmer värdet på en eller flera okända så kallade konstanter i modellen. Newtons gravitationslag innehåller en sådan okänd storhet, gravitationskonstanten, som har bestämts utifrån experimentell data. I fallet med kiral effektiv fältteori så handlar det istället om ett tjugotal okända konstanter, vilket innebär ett innebär ett mycket utmanande problem, som dessutom är av fundamental betydelse för vår beskrivning av materians innersta uppbyggnad. För att kunna göra några som helst framsteg har man hittills förenklat problemet, och den nuvarande kalibreringen har genomförts med enkla metoder samt med sikte på att först och främst kunna beskriva lätta atomkärnor med två, tre eller fyra nukleoner. Det är därför inte så konstigt att de teoretiska resultaten för tyngre atomkärnor mycket ofta avviker från de experimentella resultaten.

Den bärande och unika idén för mitt projekt är en tvärvetenskaplig kombination av teoretisk kärnfysik, matematisk optimering, samt högpresterande datorbaserade simuleringar av atomkärnor. Jag har kommit på ett sätt att använda superdatorer för avsevärt förbättra kalibreringen av konstanterna i kiral effektiv fältteori och därmed förbättra vår beskrivning av nukleonkraften. De första resultaten har redan publicerats i tidskriften Physical Review Letters och tyder på att detta är vägen framåt.

När jag är klar med projektet kommer det att finnas en modell som kan beskriva data från både lätta och tunga atomkärnor. Förutom att kunna räkna ut atomkärnors massor och radier, kommer modellen som jag konstruerar i projektet att kunna användas till andra förstå andra egenskaper hos en atomkärna, såsom halveringstid, inre struktur, och excitationsenergier.
Min modell kommer också att kunna användas för att exempelvis simulera reaktionerna vid universums begynnelse då de första atomkärnorna uppstod, eller till att förstå de viktigaste processerna för fusionreaktionerna i solen, samt till att bättre förstå storleken och massan på vissa typer av stjärnor i rymden, så kallade neutronstjärnor.
"