Svaga och sällsynta processer i atomkärnan: fundamentala symmetrier och mörk materia

Forskningsprojekt, 2018 – 2021

Kärnfysik står i centrum för det vetenskapliga utforskandet av vårt universum. Våra grundämnen skapas genom kärnreaktioner i nukleosyntesen och detaljerade egenskaper hos den starka kraften mellan nukleoner bestämmer gränserna för bunden kärnmateria. Dessutom spelar kärnfysikaliska processer en viktig roll inom flera andra grundläggande vetenskapsområden genom att erbjuda känsliga tester av fundamentala symmetrier och av fysik bortanför standardmodellen.

Forskningen som presenteras i detta projekt kommer att bidra med viktiga teoretiska resultat till tre pågående experimentella program med väldigt hög vetenskaplig profil:
- Att detektera neutrinolöst dubbelt betasönderfall; för att påvisa att neutrinon är sin egen antipartikel, vilket i sin tur har konsekvenser för asymmetrin mellan materia och antimateria i vårt universum.
- Att detektera mörk materia genom att mäta den rekylenergi som skulle kunna uppstå vid kollisoner av mörk-materia-partiklar med atomkärnor inuti stora, underjordiska detektorer; förståelsen av mörk materia är ett av detta århundrades stora vetenskapliga frågor.
- Att mäta korrelationen mellan utsända betapartiklar vid radioaktiva sönderfall; väldigt noggranna mätningar av dessa korrelationer skulle kunna påvisa en eventuell avvikelse från standardmodellens så kallade V-A symmetri i svaga processer.

Samtliga dessa experiment letar efter fysik bortanför standardmodellen genom lågenergiexperiment och kräver mycket noggranna mätningar. Dessutom krävs en väldigt god teoretisk förståelse av ingående storheter, framförallt så kallade nukleära matriselement.

Inom detta projekt kommer vi att studera och beräkna relevanta matriselement för ovanstående processer med hjälp av moderna teoretiska verktyg: (i) kvantfysikaliska modeller för starkt växelverkande system, (ii) chiral effektiv fältteori, (iii) avancerade beräkningsmetoder och matematisk modellering.

Vi kommer att utföra de första ab initio beräkningarna av spridning av mörk materia mot isotoperna syre-16, fluor-19, natrium-23. Dessa ingår som detektormaterial i tre pågående internationella experiment (CRESST, PICO och DAMA/LIBRE). Vi kommer även att studera betasönderfall hos kväve-16 och neon-19, neon-23 för precisionstester av fundamentala symmetrier (uppmätta beta-korrelationer) samt för att kalibrera beräkningar av neutrinolöst dubbelt betasönderfall.