Kärnstruktur

Experimenten utförs vid GANIL i Frankrike, LNL-INFN i Italien och vid GSI i Tyskland. Instrumenten som används är i första hand gammastrålningsspektrometern AGATA kombinerat med neutrondetektorsystemet NEDA.

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 av 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, med mera.

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 forskningsprojekt, vars mål är att utveckla och bygga ett nytt avancerat neutrondetektorsystem för det framtida HISPEC-experimentet vid NuSTAR/FAIR.