Den nya anläggningen FAIR (Facility for Antiproton and Ion Research) erbjuder spännande möjligheter för mer än 3000 forskare från omkring 50 länder. FAIR är för närvarande under uppbyggnad utanför Darmstadt, Tyskland och har acceleratoranläggningarna vid GSI (Gesellschaft fuer Schwerionenforschung, ett nationellt tyskt laboratorium) som bas. Sverige är delägare och kommer därför kunna bedriva aktiviteter vid de fyra framtida pelarexperimenten vid FAIR: PANDA (anti-Proton Annihilations in Darmstadt), APPA (Atomic and Plasma Physics and Applications), CBM (Compressed Baryonic Matter) och NUSTAR (Nuclear Structure, Astrophysics and Reactions).
Del av fragmentseparatorn vid GSI/FAIR som används för att välja ut radioaktiva joner i fas 0-experimenten. Bild: J.-F. Martin.
Här ska vi titta närmare på NUSTAR, som är ett av de experiment som kommer att börja samla in data redan under inledningsfasen av FAIR. NUSTAR är ett samarbete mellan omkring 700 forskare som dels försöker förstå egenskaperna och strukturen hos atomkärnorna, dels vill nå djupare insikter om nukleära processer i astrofysiken. De senare är stjärnornas huvudsakliga energikälla men tar sig även uttryck i explosiva astrofysikaliska scenarier.
Nyckeln till NUSTAR ligger i de radioaktiva strålarna. Traditionella acceleratorer erbjuder strålar med stabila isotoper. Dock förekommer bara omkring 300 stabila isotoper naturligt, vilket kan jämföras med totalt 3000 kända isotoper samt ytterligare 3000 förväntade, ofta mycket kortlivade, isotoper. Man skulle kunna tro att kortlivade isotoper inte är intressanta, men det stämmer inte – tvärtom bidrar studier av dem både till nya insikter inom astrofysik och till en djupare förståelse av kärnors uppbyggnad. En systematisk kartläggning av alla sorters kärnor är helt avgörande för att vi dels ska kunna testa existerande kärnstrukturmodeller, dels utvidga dessa till hittills okända områden. Vi vet till exempel att den så kallade skalstrukturen förändras dramatiskt för vissa neutronrika kärnor. För att förstå vilka krafter som håller ihop kärnorna behövs precisionsexperiment nära de så kallade drip lines som markerar gränsen för vilka kärnor som kan existera utifrån förhållandet mellan antal protoner och neutroner. Vid dessa drip lines förekommer exotiska fenomen såsom kärnor där några få nukleoner är löst bundna kring en mer massiv kärna av hårt sammanbundna nukleoner. Dessa kallas halo nuclei och har en mycket stor radie i förhållande till sin massa – ett exempel är 11Li som tack vare sin “gloria” av två nukleoner har samma radie som den mycket tyngre 208Pb.
Vid FAIR bildas radioaktiva strålar i kärnkollisioner vid ungefär 80% av ljushastigheten. En del av den inkommande projektilen bildar då fragment med stor överskottsenergi. Dessa fragment kyls ner genom att avge nukleoner eller gammastrålning. I sådana reaktioner kan ett stort antal olika instabila fragment bildas vilket ger perfekta förutsättningar att studera kärnor med mycket kort halveringstid. Dessa fragments leds in i en så kallad separator där isotoperna kan identifieras [1].
NUSTAR kommer använda en rad olika instrument för att utnyttja de radioaktiva strålarnas fulla potential. Redan under uppbyggnadsfasen har vi tillgång till detektorer eller delar av detektorer, så kallade demonstratorer, som är överlägset bättre än dem som tidigare använts.
FAIR i sin helhet kommer tas i bruk 2025. Till dess kan existerande, men uppgraderade, acceleratorer vid GSI användas i experiment. Även med de strålintensiteter de erbjuder idag, kommer de i kombination med de nya detektorerna att möjliggöra rekordstora datamängder. Därför kommer den första Fas 0-versionen av FAIR/NUSTAR att börja samla in data under hösten 2018 och fortsätta tills andra halvan av 2019.
NUSTAR består av en rad olika delkollaborationer: HISPEC/DESPEC (HIgh-Resolution In-flight SPECtroscopy/DEcay SPECtroscopy), Super-FRS experiments (Super FRagment Separator), R3B (Reactions with Relativistic Radioactive Beams) och flera andra. Varje experiment kommer nyttja radioaktiva strålar men för olika syften. HISPEC/DESPEC riktar in sig på gammaspektroskopi för att med hög precision kartlägga kärnors inre struktur. Super-FRS fokuserar istället på själva fragmentseparatorn för att studera kärnreaktioner och okända isotoper. R3B-experimentet ska rekonstruera den kompletta kinematiken hos reaktioner med radioaktiva strålar på stabila strålmål. Där ska alla reaktionsprodukter detekteras och identifieras vilket kommer bli en utmaning särskilt för de oladdade neutronerna. Dessa experiment ger möjlighet att bestämma kvanttalen på kärnor bortom drip-line och på så sätt utöka vår kunskap om hur atomkärnor hålls samman.
Som ett första steg kommer detektorsystemen för samtliga tre experiment att testas. Så snart alla detektorer är tillgängliga kommer Fas 0-experimenten börja. Dessa täcker in en brett spektrum av frågeställningar från nukleär astrofysik till formen hos atomkärnorna, från hur exotiska kärnor påverkar skalstrukturen till nya sorters radiaktivitet, från var gränsen går för hur tunga grundämnen kan bli till själva naturen hos materien.
Andreas Heinz, Chalmers
förmedlat av Karin Schönning, ordförande Kärnfysiksektionen.
[1] Y. Blumenfeld, T. Nilsson, P. Van Duppen, Physica Scripta, T152, 014023 (2013).