UiO 澳门葡京手机版app下载er med kjernefysikklaboratorier over store deler av verden, fra Japan i ?st til USA i vest, for ? avsl?re atomkjernenes indre liv.
– Vi presser eksperimentene til det ytterste for ? forst? hvordan atomkjernen fungerer. Atomkjernen er et utrolig komplekst, kvantefysisk system. Det er masse vi fortsatt ikke forst?r, poengterer forsker Ann-Cecilie Larsen p? Fysisk institutt ved Universitetet i Oslo.
Sammen med fysikere fra store deler av verden jakter hun p? hva som foreg?r inne i atomkjernene og hvorfor de fungerer akkurat som de gj?r. Da kan forskerne forst? mer om stjerneeksplosjoner og hvordan grunnstoffene, som ogs? du og jeg best?r av, ble dannet i verdensrommet.
Den nye kunnskapen om atomkjernen er ogs? viktig for ? kunne lage mer m?lrettet kreftmedisin og for ? kunne forst? hvordan fremtidens kjernefysiske reaktorer kan designes.
– Dagens reaktorer bruker uran. Her kjenner vi fysikken. Fremtidens reaktorer skal ogs? kunne bruke annen type brensel, slik som thorium. Her vet vi ikke nok. Mye er ukjent. Hvordan blir de kjernefysiske reaksjonene? Hva skjer med brenselet etter mange ?r? Hvor mye energi og varme blir produsert? Hvor er den kritiske grensen for at noe kan g? galt? 澳门葡京手机版app下载en v?r skal gj?re det lettere ? forutsi hva som kan skje, forteller professor Sunniva Siem.
Krasjkurs i atomkjerner
For ? forst? hvordan kjernefysikerne avsl?rer hemmelighetene til atomkjernene, tillater Apollon ? gi deg et kort krasjkurs i atoml?re.
I dag kjenner menneskeheten til 118 grunnstoffer. De er byggeklossene i all materie i universet, inkludert oss selv. Grunnstoffene er organisert i det periodiske systemet – den klassiske oversikten over alle grunnstoffene i verden – som ble grunnlagt av den russiske kjemikeren Dmitri Mendelejev i 1869.
Med unntak av verdens letteste grunnstoff, hydrogen, best?r alle atomkjerner av b?de protoner og n?ytroner. Protoner er ladde partikler. Antall protoner i atomkjernen bestemmer hvilket grunnstoff atomkjernen er. N?ytronene veier like mye som protoner, men har ingen elektrisk ladning.
Det finnes en rekke varianter av hvert eneste grunnstoff. Variantene kalles for isotoper. Det som skiller dem, er antall n?ytroner.
De fleste isotoper er ustabile. Om antall n?ytroner endrer seg, omdannes isotopene til andre isotoper av samme grunnstoff. Dersom antallet protoner endrer seg, omdannes isotopen til et annet grunnstoff.
Alle isotoper har forskjellige egenskaper, slik som hvor mye energi og str?ling de sender ut og hva som skal til for ? varme opp atomkjernen. Halveringstiden er ogs? viktig. Den forteller hvor lang tid det tar f?r halvparten av en viss mengde isotoper er omdannet til noe annet.
Forskerne har funnet flere tusen isotoper. De fleste av dem lever bare et kort liv i atomreaktorer og i stjerneeksplosjoner.
All kunnskap om isotopene er sydd sammen i et gedigent isotopkart.
– Kjernefysikere over hele verden pr?ver ? unders?ke de forskjellige delene av isotopkartet og hvordan kjernene snirkler seg igjennom isotopkartet n?r de avgir og mottar n?ytroner og protoner, forteller Sunniva Siem.
For ? avsl?re atomkjernens hemmeligheter, m? kjernefysikerne studere hvordan protonene og n?ytronene er plassert. Protonene og n?ytronene g?r i baner. De er klemt sv?rt tett sammen og ligger lagvis opp? hverandre. Hvor tett lagene er, har mye ? si for hvordan de kjernefysiske reaksjonene blir.
Det er en omstendelig prosess ? finne egenskapene til en isotop. Kjernefysikerne kan bruke m?neder og ?r p? ? avsl?re én og én egenskap om gangen.
For et par ?r siden slo professor Morten Hjorth-Jensen p? Fysisk institutt fast, etter en m?neds d?gnkontinuerlige beregninger p? den nest kraftigste datamaskinen i verden, at de ?tte ekstra n?ytronene i en spesiell kalsium-isotop sitter tettere sammen enn antatt. Beregningene hans, som ble omtalt i Apollon 1-2016, viser at n?ytronstjerner, en d?ende stjerne med sv?rt kompakt masse, er mye mindre enn antatt.
Slynger partikler av g?rde
For ? kunne unders?ke atomkjernen eksperimentelt, m? forskerne ty til kjernefysiske akseleratorer. I en akselerator blir partikler akselerert opp til stor hastighet f?r de kolliderer med andre atomkjerner.
?n av akseleratorene st?r i kjelleren p? Fysisk institutt p? Blindern. De st?rste fins i Europa, USA og Japan. Akseleratoren i Oslo er ganske liten. Ingen av dem har muligheten til ? avdekke alle egenskapene i en atomkjerne.
– Alle akseleratorene gj?r litt ulike ting. De har forskjellige energier og forskjellige intensiteter, forteller Ann-Cecilie Larsen.
Energien handler om hastigheten. Intensiteten handler om mengden. Et proton som sendes av g?rde med lysets hastighet, har utrolig h?y energi, men likevel lav intensitet.
– Du kan sammenligne dette med ? sl? tennisballer. Energien sier noe om hastigheten til ballen. Intensiteten sier noe om hvor mange baller du sl?r. Hvis du sl?r mange tennisballer mot hverandre, er sjansen st?rre for at de kolliderer med hverandre enn om du bare sl?r én tennisball i hver retning.
Akseleratoren i Oslo kalles en syklotron. I syklotroner blir hastigheten til partiklene akselerert opp ved hjelp av et magnetfelt og et elektrisk felt. Partiklene g?r i en spiralbane. Det elektriske feltet ?ker hastigheten p? partiklene, mens magnetfeltet s?rger for at banen ?ker. N?r partiklene har f?tt den ?nskede hastigheten, blir de slynget av g?rde mot m?let.
– I Oslo har vi muligheten til ? skyte med lette ioner (ladde atomkjerner) som protoner, d?ytroner (tung hydrogenkjerne med ett proton og ett n?ytron) og heliumkjerner (kjerne med to protoner og to n?ytroner). M?lskiven v?r m? v?re av metall. N?r atomkjernene blir bombardert, blir de veldig stresset. Da sender de ut elektromagnetisk str?ling. Det er nettopp denne str?lingen vi m?ler.
Noen ganger ?nsker kjernefysikerne ? unders?ke hva som skjer n?r atomkjerner kolliderer i h?y hastighet. Andre ganger ?nsker de ? unders?ke hva som skjer om energien er liten.
– Mye av det som skjer i verdensrommet og i stjerner, skjer ved veldig lave energier. Da trenger man ikke ? skyte partikler med lysets hastighet for ? se hva som skjer.
Et eksempel er hvordan oksygen er dannet.
– Oksygen dannes n?r en heliumkjerne kommer ?tuslende? til en karbonkjerne. Det skjer ved veldig lave energier, noe som er sv?rt vanskelig ? m?le i et laboratorium. Reaksjonene skjer s? sjeldent at de ikke er forst?tt. Teoriene spriker i alle retninger. For ? finne forklaringen, trenger vi en akselerator der det er mulig ? forske p? hva som skjer hvis to atomkjerner m?ter hverandre med liten energi, forklarer Ann-Cecilie Larsen.
Overraskende svar
For noen ?r siden oppdaget UiO-forskere at visse energirike atomkjerner oppf?rer seg annerledes enn tidligere antatt n?r de skal kvitte seg med overfl?dig energi.
Det startet da noen studenter fikk helt andre svar enn hva som stod i l?reb?kene.
Fors?kene deres viste at atomkjernen sendte ut mye mer lavenergisk str?ling enn forventet.
Ingen trodde p? studentene. Forskerne mente svarene m?tte skyldes m?lefeil – eller feil i dataanalysen, men etter en rekke eksperimenter viste det seg at studentene hadde rett.
– Beregningene viser at det er 200 til 300 ganger lettere ? f? til bestemte kjernefysiske reaksjoner i en supernova (red: gigantisk stjerneeksplosjon) med dataene v?re, sa Ann-Cecilie Larsen i et intervju med Apollon for noen ?r siden.
Det er nettopp denne oppdagelsen som f?rte til at Larsen f?rst ble tildelt seks millioner kroner fra 澳门葡京手机版app下载sr?det og deretter elleve millioner kroner fra EU for ? unders?ke energitilstanden i atomkjerner.
Syklotronen i Oslo er spesielt godt egnet til ? gjennomf?re disse analysene. Metoden er d?pt Oslo-metoden. Den er s? krevende ? gjennomf?re at UiO fortsatt er i verdensteten med disse analysene. Selv om syklotronen i Oslo begynner ? bli gammel, blir den stadig mer popul?r.
– En av forklaringene er at mange andre akseleratorer ute i verden er blitt lagt ned de siste ?rene. Det er kanskje en av ?rsakene til at kjernefysikere fra laboratorier og universiteter over hele verden hvert ?r samles i Oslo, forteller Sunniva Siem.
Bombarderer med urankjerner
De tjue kjernefysikerne p? Fysisk institutt bruker ikke bare syklotronen i Oslo. De kj?rer ogs? sv?re eksperimenter p? akseleratorer verden over.
En av dem er Riken, et verdensledende, kjernefysisk laboratorium i Tokyo i Japan – med b?de enorm energi og enorm intensitet. Riken var det aller f?rste laboratoriet i verden som klarte ? lage Nihonium, grunnstoff nummer 113.
– Her er det mulig ? studere de tunge, n?ytronrike kjernene – for ? forst? hvordan de er dannet i stjerneeksplosjoner, forteller Ann-Cecilie Larsen.
Akseleratoren er s? kraftig at den kan bombardere stoffer med urankjerner. Urankjerner veier 238 ganger mer enn protoner.
Kjernefysikere fra hele verden utf?rer eksperimenter p? Riken. En av dem er forsker Eda Sahin p? Fysisk institutt, som har f?tt sju millioner i st?tte fra 澳门葡京手机版app下载sr?det.
– Hun pusher grensene for forst?elsen av atomkjernen, sier Ann-Cecilie Larsen.
Eda Sahin m?ler hvordan de eksotiske kjernene, alts? kjerner som er tyngre enn jern, oppf?rer seg.
Jern danner skillepunktet for hvordan det er mulig ? utnytte fusjon og fisjon. Det er mulig ? hente ut energi ved ? smelte sammen sm? atomkjerner. Dette kalles fusjon og skjer i solen. N?r grunnstoffene er tyngre enn jern, er det bare mulig ? hente ut energi ved ? dele opp atomkjernen. Dette kalles fisjon og er en velkjent metode i dagens kjernekraftverk.
– Et av de store, ul?ste problemene i fysikken er hvordan mange av de eksotiske kjernene er blitt dannet i universet.
Hovedteorien har i mange ?r v?rt at de ble dannet i gigantiske stjerneeksplosjoner, kalt supernovaer, eller i kollisjoner mellom to n?ytronstjerner, som er d?ende stjerner med meget kompakt masse.
澳门葡京手机版app下载en til Eda Sahin er et skritt p? veien for ? forst? hvordan de tunge grunnstoffene er dannet. Spesialet hennes er nikkel, grunnstoffet med atomnummer 28. I eksperimentet legger hun til mange n?ytroner for ? skape de mest eksotiske vriene.
– Jeg vil vite hvordan de eksisterer, hvor lenge de lever og bli kjent med alle deres fundamentale egenskaper, forteller Eda Sahin.
Hun produserer de eksotiske nikkel-isotopene ved ? bombardere beryllium, som er verdens nest letteste metall, med tunge urankjerner. Det er snakk om meget kraftig beskytning. Energien i urankjernene er p? m?lstreken tusen milliarder ganger kraftigere enn i et luftmolekyl.
– M?let v?rt er ? produsere nikkel-isotopene i akkurat s? store mengder at vi kan studere hvordann?ytronene og protonene er satt sammen lag for lag inne i kjernen. Vi vil vite om isotopene har den samme strukturen som de stabile atomkjernene. Sp?rsm?let mitt er hva som skjer hver gang vi legger inn et nytt n?ytron – og hvordan det har effekt p? avstanden mellom de ulike lagene, forklarer Eda Sahin.
N?r m?let bombarderes med urankjerner, dannes det en rekke n?ytronrike elementer i omr?det rundt den nikkel-isotopen de ?nsker ? studere.
Det som gj?r det ekstra vanskelig, er at oppbygningen av atomkjernene er forskjellig fra grunnstoff til grunnstoff.
Eda Sahin ?nsker ? finne ut om strukturen inne i isotopkjernene er forskjellig fra det teoretikerne hevder.
– Vi er avhengige av hverandre. Det er ikke mulig ? gj?re beregningene uten ? bevise dette eksperimentelt. Her snakker vi om fundamental kjernefysikk. N?r vi forst?r dette, kan vi ogs? forst? mer om hvordan grunnstoffene i de n?ytronrike omr?dene ble dannet i ekstreme, astrofysiske hendelser. Kunnskapen er ogs? viktig for ? kunne simulere hva som skjer med de kjernefysiske reaksjonene rundt de tunge, n?ytronrike atomkjernene i kjernereaktorer og for ? bli kvitt radioaktivt avfall.
Uheldigvis er ustabile nikkel-isotoper sv?rt vanskelige ? studere i detalj. Selv om kobber har ett proton mer enn nikkel, er kobber enklere ? studere. En av metodene hennes er derfor ? beregne hvordan nikkel-isotopene oppf?rer seg, ved ? studere kobber.
Eda Sahin hadde i mai tilgang til Riken-akselleratoren en hel uke.
– Hver dag koster enormt mye, s? jeg m?tte overbevise Riken om at eksperimentet mitt var mulig.
Under eksperimentene var Eda Sahin tilgjengelig d?gnet rundt. N?rmere hundre mann jobbet under henne i d?gnkontinuerlig skift. Alle dataene m?tte sjekkes 24 timer i d?gnet. S?vn ble det lite av.
– Jeg ville ikke gj?re noen feil. Det hadde v?rt sv?rt kostbart. Jeg m?tte derfor forsikre meg om at eksperimentet ble vellykket, forteller Eda Sahin, som er den aller f?rste i verden som har klart ? gjennomf?re disse m?lingene.
Riken har uheldigvis et stort problem for tiden. Etter Fukushima-katastrofen for seks ?r siden ble kjernekraft s? upopul?rt i Japan, at landet skrudde av en rekke reaktorer.
– Resultatet er mangel p? str?m. Str?mprisene har skutt i v?ret. Her er det snakk om str?m til flere titusen kroner per time. Syklotronen i Riken har derfor bare r?d til ? drive med eksperimenter fire m?neder i ?ret, beklager Ann-Cecilie Larsen.
De norske kjernefysikerne gjennomf?rer ogs? en rekke tilsvarende fors?k p? syklotronen i Jyv?skyl? i Finland.
– De er flinke til ? lage supertunge grunnstoffer som ikke fins i naturen, men som kanskje blir laget n?r n?ytronstjerner kolliderer. Vi har v?rt der for ? studere de aller tyngste grunnstoffene som menneskeheten har klart ? lage, forteller Ann-Cecilie Larsen, som de siste ?rene ogs? har gjennomf?rt en rekke kjernefysiske eksperimenter i de to koblede syklotronene i Michigan State University i USA.
Norsk-japansk symbiose
Rett f?r p?ske undertegnet UiO en avtale med det japanske kjernefysiske laboratoriet i Konan, noen hundre kilometer ?st for Tokyo, om et tett 澳门葡京手机版app下载 for ? avsl?re egenskapene i en rekke atomkjerner.
I Oslo-syklotronen tilf?res atomkjernen s? mye energi at den sender ut lys, men likevel ikke s? mye energi at atomkjernen sender ut et n?ytron i stedet. Oslo-forskerne m?ler hvordan atomkjernen sender ut lyset.
I Konan er det omvendt. Der m?ler kjernefysikerne hvordan atomkjernen sender ut n?ytroner for ? kvitte seg med overskuddsenergien, n?r den blir bombardert med lys med meget h?y energi.
– Konan m?ler med andre ord energiomr?det i atomkjerner som vi ikke har muligheter til ? m?le i Oslo-syklotronen, forteller postdoktor Therese Renstr?m.
Det er likevel en viktig likhet mellom fors?kene i Oslo og i Konan.
– P? begge stedene unders?ker vi hva slags str?ling atomkjernen liker ? ta opp og sende ut, men det gj?res alts? i forskjellige energiomr?der.
Det betyr: Ved ? unders?ke de samme atomkjernene i Oslo og i Konan, kan resultatene kobles sammen.
– Til sammen m?ler vi hvordan atomer sender ut lys p? alle mulige energiniv?er.
Resultatene fra disse eksperimentene brukes i simuleringer for ? vite hvordan atomene reagerer med hverandre i kjernereaktorer og i stjerneeksplosjoner.
Akseleratoren i Konan er teknisk sett det motsatte av syklotronen i Oslo – og kalles en synkrotron.
– I Japan varmer lysstr?len opp atomkjernen slik at den sender ut partikler, mens vi i Oslo bombarderer atomkjernen med partikler, slik at den sender ut lysstr?ler med meget h?y energi. Ved ? gj?re begge deler f?r vi et fullstendig bilde av atomkjernen. Du kan sammenligne dette med ? koke kaffe. I Oslo ser vi p? hvordan systemet reagerer n?r vi tilf?rer akkurat s? mye energi at kaffen ikke koker. I Konan tilf?rer vi s? mye energi at kaffen koker og vannpartiklene deiser ut, forklarer Sunniva Siem.
Konan bruker h?yenergi-elektroner til ? omdanne lavenergilys til h?yenergilys. Lavenergilys er radiob?lger. H?yenergilys er gammab?lger.
Jo h?yere energi i en lysb?lge, desto h?yere er frekvensen.
– Konan lager gammaenergi av lavenergifotoner fra en laser. Disse gammab?lgene har s? h?y energi at de f?r protonene til ? vibrere frem og tilbake i atomkjernen. N?r atomkjernene blir truffet av gammastr?ler, sender de ut n?ytroner med en helt spesiell energi. Det er som ? sl? p? en streng p? gitaren. Da f?r du en viss tone, forteller Ann-Cecilie Larsen.
De ustabile isotopene har begrenset levetid. N?r de endrer seg, omdannes de til andre isotoper.
Sp?rsm?let er hvilken vei de utvikler seg. Noen ganger omdannes de til andre grunnstoffer. Andre ganger til andre varianter av det samme grunnstoffet. Et av sp?rsm?lene Therese Renstr?m stiller seg, er hvilken rute isotopene tar f?r de ender opp i et stabilt stoff.
– Noen av de ustabile isotopene er sv?rt vanskelige ? observere eksperimentelt. En av l?sningene er ? unders?ke alle de stabile isotopene i omr?det rundt de ustabile isotopene og s? indirekte, men likevel med ganske stor sikkerhet, kunne sl? fast om den ustabile isotopen henfaller til en mer n?ytronrik variant eller til et grunnstoff lenger oppe i systemet, forteller Therese Renstr?m.
Sammen med sin kollega, forsker Gry Merete Tveten skal Therese Renstr?m de neste ?rene gjennomf?re en rekke eksperimenter i Konan.
– Fors?kene varer et par uker om gangen. Vaktene er p? tolv timer. Vi har nattskiftet. Mye kan g? galt. Ser vi noen feil, m? vi l?se problemene der og da, forteller Therese Renstr?m.
Kvarkekaos
For noen ?r siden fremstilte professor Jon Petter Omtvedt p? Kjemisk institutt noen av verdens tyngste grunnstoffer i Helmholtz-senteret for tungioneforskning (GSI) i Tyskland. Senteret oppgraderes n? til verdens aller kraftigste akselerator og skal bli mye kraftigere enn Riken i Tokyo.
Her skal kjernefysikerne kunne studere noe som kalles for hyperkjerner.
Som du kanskje vet, er alle protoner og n?ytroner satt sammen av kvarker. Protonene og n?ytronene i alle de kjente atomkjernene i universet best?r av en kombinasjon av opp-kvarker og ned-kvarker.
Det finnes ogs? en rekke andre kvarker i universet, slik som sjarm-kvarker. Kjernefysikerne ?nsker ? lage atomkjerner med disse kvarkene, for ? se om atomkjernene da oppf?rer seg annerledes.
– Dette kan skje i n?ytronstjerner, men ingen vet det i dag. For ? vite hvordan grunnstoffene er dannet, er disse kvarkeksperimentene enda en brikke p? veien, sier Ann-Cecilie Larsen.
I det tyske laboratoriet skal det ogs? v?re mulig ? lage str?ler av anti-protoner som kolliderer med protonstr?ler. Anti-protoner har den samme massen som protoner, men med motsatt ladning.
– Vi ?nsker ? finne ut av om det er symmetri mellom protoner og anti-protoner. Det er et fundamentalt sp?rsm?l i fysikken. Vi er i en verden med materie. Sp?rsm?let er hvor det ble av anti-materien, undrer Ann-Cecilie Larsen.