Institutionen för fysik och astronomi

Kärnfysik

Hadronfysik

Hadronfysiken är ett spännande vetenskapsområde i gränslandet mellan kärn- och partikelfysik. Här studeras den starka kraft som binder samman några av materiens mest fundamentala beståndsdelar, kvarkar och gluoner, till de partiklar vi observerar, hadronerna. Exempel på hadroner är baryoner (trekvarksystem) och mesoner (kvark-antikvarksystem). Protoner och neutroner, vanligen kallade nukleoner, är de mest kända exemplen på baryoner. Nukleoner bygger upp atomkärnan och utgör mer än 99% av universums synliga massa.

Den teori som beskriver hur kvarkar och gluoner växelverkar kallas kvantkromodynamik (QCD). Teorin fungerar väl vid mycket korta avstånd, d.v.s. vid höga kollisionsenergier. I vissa avseenden liknar QCD elektromagnetism, men det finns en viktig skillnad: medan den elektromagnetiska kraftbäraren, fotonen, är elektriskt neutral, bär kvantkromodynamikens kraftbärare gluonen själv den starka kraftens laddning. Detta ger en stark självkoppling vilket ger upphov till två aspekter som saknar motsvarighet inom den övriga fysiken. Den första är att hadronernas beståndsdelar, d.v.s. kvarkarna och gluonerna, tillsammans bidrar med enbart några få procent till hadronens totala massa. Den resterande massan genereras av den starka växelverkan själv. Den andra aspekten är det faktum att kvarkar och gluoner inte observeras som fria partiklar utan bara i sammanbundna system. Dessa båda fenomen - ursprunget till hadroners massa samt inneslutningen av kvarkar och gluoner inuti hadroner - tillhör de mest svårlösta och fascinerande gåtorna inom modern fysik. Detta innebär en stor utmaning, men decennier av experimentella och teoretiska ansträngningar har ökat vår insikt i den starka kraften så att vi kunnat forma tydliga strategier för framtida forskning.

Det finns många olika sidor av den starka växelverkan vid höga och låga energier. För att vägleda teoretiska modeller och beräkningar behövs experimentella data. Uppsalas hadronfysiker är engagerade i experimentprogrammen kring BES III i Kina, WASA i Tyskland och KLOE-2 i Italien där vi utför precisionsmätningar av hadronfysikens observabler. Vi deltar också i design och uppbyggnad av det kommande PANDA-experimentet vid FAIR i Tyskland.

Ett projekt innefattar sökandet efter hadronsönderfall som inte kan förklaras av den etablerade teoribildningen. Om sådana egenskaper skulle påvisas, är det bevis fysikfenomen bortom partikelfysikens standardmodell. Detta sökande pågår vid både KLOE-2 och BESIII. Den lättaste mesonen, den neutrala pionen, har ett särskilt spännande sönderfall som ger möjlighet att söka efter en postulerad "mörk foton". Enligt vissa teorier härrör denna från den mörka materian i universum och skulle förklara indikationer på avvikelser från standardmodellen. Data från WASA-experimentet kommer att ge ny information om den eventuella existensen av dessa partiklar.

Ett annat projekt handlar om hadroners elektromagnetiska struktur. I Uppsala intresserar vi oss särskilt för hyperoner. Dessa baryoner liknar nukleoner, men en eller flera av de lätta u- och d-kvarkarna har ersatts med tyngre kvarkar, såsom särtals- eller charmkvarkar. Faktum är att kvarkmodellen härstammar från likheterna mellan nukleoner och hyperoner. För att nå en djupare förståelse av hur kvarkar bildar baryoner behövs precisa studier av hyperonernas struktur. Detta kommer att studeras med BES III, som är det enda nu aktiva experimentet i världen där detta är möjligt, och framöver även med PANDA.

Vid det kommande PANDA-experimentet på FAIR finns unika förutsättningar att studera hur hyperoner bildas ur kollisioner mellan protoner och antiprotoner. Förstudier visar att precisionsmätningar, speciellt med avseende på spinnets betydelse, har goda förutsättningar att nå nya, banbrytande resultat. Bland annat kommer vi att för första gången kunna studera polarisationen hos hyperoner som enbart består av särtalskvarkar. Inom den närmaste framtiden kommer vi att förbereda datainsamlingen genom att vidareutveckla analysverktygen.

Våra nuvarande projekt vid WASA, KLOE-2 och BESIII ger viktiga erfarenheter som gör oss redo för den nya generationen hadronfysikexperiment där PANDA inte bara utgör startskottet utan även väntas leda utvecklingen under en lång tid framöver.

Kärnstruktur

Hur stort är det "nukleära landskapet"? Det är en av de fundamentala frågorna inom modern kärnfysik. Vi kärnfysiker vill, för varje grundämne med ett bestämt antal protoner, veta hur få respektive hur många neutroner atomkärnan (=nukliden) kan innehålla. Gränserna för detta landskap, vilka alltså anger den lättaste respektive den tyngsta isotopen för varje grundämne, sätts av den starka kraftens bindningsförmåga. Endast de nuklider som ligger innanför gränserna kan existera tillräckligt länge för att ha någon betydelse för hur våra grundämnen har skapats i universum. Avancerade kärnteoretiska beräkningar tyder på att det finns minst 7000 sådana nuklider. Denna siffra är dock mycket osäker eftersom vi inte vet var gränserna ligger och deras position är mycket svår att förutsäga teoretiskt. Idag har endast ca. 3500 nuklider producerats och identifierats i laboratoriet. Hälften är alltså fortfarande helt okända! Ett av huvudmålen med vår forskning är att utforska den okända delen av det nukleära landskapet för att lära oss mera om atomkärnans struktur och den starka kraften. För närvarande undersöker vi kärnor i området kring nukliderna 100Sn och 170Dy, vilka har ett överskott av protoner respektive neutroner.

Den experimentella metod vi använder är att accelerera tunga atomkärnor till höga hastigheter och låta denna jonstråle kollidera med kärnorna i ett strålmål, så att de smälter samman och bildar en ny kärna. Denna nya kärna har vid bildandet ett överskott av energi, vilket den avger bl.a. genom att på mycket kort tid sända ut en kaskad av gammakvanta. Dessa högenergetiska fotoner, innehåller den för oss mycket viktiga informationen om atomkärnans uppbyggnad. För att kunna "titta inuti" atomkärnorna behöver vi ett kraftfullt "mikroskop", som kan registrera så många som möjligt av de utsända fotonerna. Vårt mikroskop är gammaspektrometern AGATA, som består av ett stort antal halvledarkristaller av germanium, vilka används för att noggrant bestämma gammastrålningens energi och andra egenskaper.

Fram till helt nyligen har vi endast haft tillgång till jonstrålar bestående av stabila atomkärnor, vilket starkt har begränsat antalet nya nuklider som kan skapas. Under de senaste åren har de första radioaktiva jonstrålarna producerats för användning i experiment. Intensiv utveckling pågår för tillfället vid många acceleratorlaboratorier världen över, med målet att ta fram radioaktiva jonstrålar med höga intensiteter. Exempel på sådana anläggningar är GANIL/SPIRAL2 i Frankrike och det framtida NuSTAR/FAIR i Tyskland. I framtiden kommer det kanske att bli möjligt att upptäcka ett stort antal, ja i princip alla, atomkärnor som nu ligger i området "terra incognita" i det nukleära landskapet!

Parallellt med acceleratorutvecklingen pågår forskning och utveckling av nya och effektivare mätinstrument för registrering av gammakvanta och andra partiklar som sänds ut vid kärnreaktionerna. Vår forskargrupp har deltagit mycket aktivt i utvecklingen AGATA spektrometern, som togs i bruk för några år sedan. AGATA är baserade på en ny teknik som kallas "gamma-ray tracking". Med hjälp av speciella nyutvecklade positionskänsliga gammadetektorer av germanium kan man följa gammakvantats "spår" i detektorn och bestämma dess infallsvinkel mot detektorn. Genom att använda denna teknik har vi fått en mycket större känslighet för detektion av svaga gammasignaler än vad vi hade tidigare. Dessa riktningskänsliga gammadetektorer kan bli till stor nytta också inom andra områden där man använder gammastrålning, t.ex. inom nukleärmedicin, rymd- och astrofysik, för analys av utbränt kärnbränsle, mm.

I de flesta kärnreaktioner utsänds förutom gammakvanta även andra partiklar, t.ex. protoner och neutroner. En metod för identifieringen av vilka slutkärnor som skapas i kärnreaktionerna är att bestämma vilka partiklar som emitteras. För detta behövs högeffektiva instrument för detektering av protoner, neutroner, osv. Uppsalagruppen har specialiserat sig på detektering av neutroner. För närvarande leder vi ett Europeiskt forskningprojekt, vars mål är att utveckla och bygga ett nytt avancerat neutrondetektorsystem för det framtida HISPEC experimentet vid NuSTAR/FAIR.