Forskarprofil: ”Man får drivas bara av nyfikenhet”

2019-05-07

Som forskare i kärnfysik får Karin Schönning möjlighet att utforska hur universum är sammansatt. Förra året fick hon ta emot Thalénska priset för sina bidrag till partikelfysikexperimenten BES III och PANDA i Kina och Tyskland. – Om man som jag utgår ifrån att universum går att begripa så vill man ju gärna förstå det. Och då tillhör naturens starka kraft och Universums försvunna antimateria de största mysterierna.

Karin Schönning forskar bland annat på magnetiska moment hos några av materiens minsta byggstenar: ”Just hyperoners spinn är ganska enkelt att mäta, så gillar man spinn så är hyperoner en guldgruva”.
Foto/bild: Mats Kamsten

Att hon skulle bli kärnfysiker var dock inget Karin Schönning hade kunnat föreställa sig som liten. Snarare arkeolog. Till det bidrog 80-talets pedagogiska TV-program om arkeologiska utgrävningar.

– Om man inte kommer från ett akademiskt hem så är kanske arkeolog det första vetenskapliga yrke man kommer i kontakt med. Man skulle kunna hårdra det och säga att även partikel- och kärnfysiker är ett slags arkeologer, bara det att vi inte begränsar oss till att titta på människans historia på jorden utan på materiens historia i universum, säger Karin Schönning.

Uppväxten ägde rum i byn Lingbo i Hälsingland med föräldrar som var intresserade av miljö och engagerade emot kärnkraft. På högstadiet ville Karin Schönning lära sig mer om kärnkraft, vilket hon förknippade med något ont. Hennes åsikt kom att revideras, men framförallt upptäckte hon sin fascination över saker så små att de var osynliga för blotta ögat.

– Att ha miljömedvetna föräldrar gav mig en gnista att lära mig mer om energi och hur man kan få fram bättre energikällor. Men jag gick inte vidare på det tillämpade spåret.

Under utbildningen till civilingenjör i teknisk fysik i Uppsala stod det istället klart att hennes stora passion låg inom grundforskning. I examensjobbet på partikelfysiklaboratoriet CERN i Schweiz fick hon fick hon analysera signaler från partiklar som består av särkvarkar, så kallade kaoner. Särkvarken är ett tyngre ”syskon” till de upp- och nerkvarkar som bygger upp protonerna och neutronerna som vi består av, berättar Karin Schönning. Den anses vara en elementarpartikel, men livslängden uppgår endast till runt 0,0000000001 – eller tio upphöjt till minus tio – sekunder. En enskild kvark kan inte förekomma ensam, bara i kombinationer av tre, eller i kvark-antikvarkpar. Hur dessa kvarksystem eller hadroner hålls samman är en stor gåta för forskarna, liksom hur denna enorma kraft genererar 99 procent av all massa i universum.

– För att få svar på hur de här systemen fungerar undersöker jag och min forskargrupp så kallade hyperoner. Det är sammansatta trekvarksystem, precis som protoner och neutroner, men där lätta kvarkar har bytts ut mot tyngre kvarkar som särtals- eller charmkvarkar, säger Karin Schönning.

– Dels tittar vi på hur hyperonernas inre struktur ser ut, som hur kvarkarna fördelas och rör sig inuti hyperonerna, dels hur hyperonerna sönderfaller. Speciellt intressant är det att jämföra hur hyperoner sönderfaller jämfört med hur antihyperoner sönderfaller.

Nya partiklar uppstår oupphörligen genom krockar, eller sönderfaller genom växelverkan. Eftersom hyperoner med stor sannolikhet sönderfaller till bara två partiklar är de enligt Karin Schönning rätt enkla att studera.

– Man kan mäta åt vilket håll som sönderfallsprodukterna flyger och från det så kan man räkna ut spinnriktningen på hyperonen och antihyperonen. Då är det intressant att veta hur de förhåller sig till varandra och om det är olika mönster på sönderfallspartiklarna.

Varför det?

– Jo, för att vi tänker oss att materia och antimateria borde fungera på samma sätt, fast spegelvänt. Problemet är att vi inte riktigt förstår varför vårt universum består av materia och inte antimateria. För det borde ha bildats lika stor mängd materia som antimateria i Big Bang. Hyperonsönderfallen kan ge ledtrådar till detta.

Det är svårt att få grepp om existensen av något icke-varande som antimateria, eller för den delen hur osynliga kvarksystem utgör i stort sett all den tillvaro vi lever i. När Karin Schönning sedan berättar att forskarna kan mäta magnetmoment eller spinn som varar i evighet far även tankeverksamheten i loopar. Men forskarnas metoder för att lista ut hur dessa system fungerar är klassisk vetenskaplig metodik.

– När man har ett system som man inte förstår så gör man en liten förändring som att byta ut en av beståndsdelarna och se hur systemet reagerar, säger Karin Schönning. Hur stor del av massan kommer nu att bestå av kvarkar? Hur mycket spinn kommer från kvarkarna om vi förändrar lite här? Det kan vi lära oss av.

Idag kan hyperonernas struktur bara studeras vid experimentanläggningen BES III i Peking. Där arbetar över 400 forskare från 14 länder. Karin Schönning är koordinator för en av anläggningens forskargrupper som jobbar med mjukvaruutveckling och datakvalitet. Arbetet rör allt från analysmetoder till kvalitetssäkring.

– I de stora internationella forskningssamarbetena läggs stort fokus på design och förberedelser för att få experimenten att fungera. Dessutom samlar vi på kort tid in väldigt stora mängder data med komplicerade mönster vilket är en stor utmaning beräkningsmässigt. Mycket av mitt arbete går ut på att läsa rapporter och dra slutsatser för hur vi kan göra bättre analyser.

En annan experimentanläggning, PANDA, byggs just nu vid forskningscentret FAIR i tyska Darmstadt. Karin Schönning och hennes kollegor vid Uppsala universitet deltar i uppbyggnaden som forskarna hoppas ska leda till fler avslöjanden om hur hyperoner bildas ur kollisioner mellan protoner och antiprotoner.

Omega-hyperoner har historiskt spelat en viktig roll för förståelsen av den starka kraften och existensen av kvarkar: ”Med PANDA-experimentet i Tyskland kan vi detaljstudera Omega-hyperoner och mäta deras spinnpolarisation, vilket vi hoppas ska leda till ett nytt kunskapssprång", säger Karin Schönning.

– När vi har byggt färdigt PANDA kommer man att krocka protoner med antiprotoner och få kanske 100 gånger fler partiklar per sekund än vad man kan få vid dagens anläggningar. Då kan man få ännu bättre precision vilket krävs för att verkligen dra några slutsatser.

– Tidigare har en del experiment haft bra precision, andra har haft hög intensitet. Men nästa generations experiment kommer att kombinera hög intensitet med hög precision. Det öppnar för att man kommer att kunna göra en helt ny flora av nya sorters experiment.

Karin Schönnings största forskningsframgång hittills är upptäckten att en så kallad lambda-hyperon har en viss polarisering eller spinnriktning som den föredrar. Orsaken är att lambda-hyperonens inre struktur påverkas av naturens starka kraft.

– Det är första gången vi kunnat bestämma den tidslika strukturen fullständigt för något trekvarkssystem.

Hennes nästa mål är att undersöka hur polarisationen beror av energi och om det ser annorlunda ut för andra hyperoner. Fast det är snarare milstolpar än mål.

– Jag räknar inte med att det kommer en dag när allt är klappat och klart och jag kan konstatera ”jaha, vad ska jag göra nu?” De här underliggande frågorna är ju ingenting som kommer att lösas på en dag, ett år eller så, utan det är något jag räknar med att ägna hela mitt forskarliv åt.

Anneli Björkman
2019-05-07

FAKTA KARIN SCHÖNNING

Ålder: 41

Titel: Docent i partikelfysik, Uppsala universitet

Meriter i urval: Thalénska priset från Kungl. Vetenskaps-Societeten 2018, Wallenberg Academy Fellow 2017

Familj: 11-årig son samt särbo.

Gör på fritiden: Umgås med min son, sjunger i en kör och i ett band med kärnfysiker där bland annat seniorprofessor Tord Johansson spelar gitarr. Vi uppträder mest på olika fysikevenemang vid universitetet.

Dold talang: Ansiktsminne. Kan smyga i högklackat!

Läser: Varje kväll och under varje transportsträcka. Särskilt Margaret Atwood, Moa Martinsson och Joyce Carol Oates, men det blir även deckare och facklitteratur.

Skulle vilja göra mer av: Åka mer tåg istället för flyg. Jag har bytt ut en del flygresor mot tåg men skulle vilja göra det mer, och det är något man behöver ha mer tid för. Det är ett dilemma, särskilt när man jobbar med Kina. Men jag tänker mycket på hur man kan effektivisera arbetet. Jag har till exempel sagt till mina medarbetare när de måste åka över till Kina och hjälpa till med datainsamlingen, att de ska försöka kombinera det med någonting annat så att de har flera syften med samma resa. Och ska man ha en workshop i anslutning till ett möte så kan man lägga den så pass nära i tid att man inte behöver åka hem emellan.

Om jag inte blivit forskare: Jag tror det finns någon slags kommittee som sitter och bestämmer över ansökningar från folk som vill ha särskilda efternamn och då kommer det in helt galna idéer. Jag skulle gärna sitta i en sådan, haha! Någon gång fick jag se en lista över namn de hade sagt nej till som typ Skogskanin. Det måste vara ett jättekul jobb.

Om fysik för studenter: På senare år har jag funderat mycket över hur undervisningen kan anpassas för att studenterna ska få kunskaper som vi inom mitt fält använder. De flesta som gör sitt exjobb hos oss har inte lärt sig statistiska metoder för dataanalys under grundutbildningen så de får börja från scratch. Studenterna har kunskaper i programmering, men man skulle kunna lägga mer tyngd på framförallt algoritmer för att filtrera och analysera data, och med en koppling till fysik.

Sen vill jag att studenterna ska upptäcka att en fysiker inte är antingen en teoretiker med papper och penna eller en Balthazar med skruvmejslar och lödkolvar, utan det finns massor av olika sätt att utöva fysik på och att det finns något som passar om inte alla så många.

Läs mer:

Forskning: Nytt partikelvärldsrekord nyckel till universums mysterier?

Protonen och dess syskon – en nyckel till materiens inre struktur

Mer om Karin Schönning och forskningen i kärnfysik vid Uppsala universitet

Anneli Björkman