Partikkelakseleratorer, maskiner som får ladde partikler opp i svimlende hastigheter, finnes i mange størrelser og fasonger: Fra verdens største, den 27 kilometer lange, sirkelformede the Large Hadron Collider på CERN, til forholdsvis små stråleterapimaskiner på sykehus.
Norges kraftigste akselerator finner vi på UiO: Oslo-syklotronen, som brukes mest til forskning på atomkjerner. Si du vil studere nikkel, for eksempel. Kjerneforskerne i Oslo plasserer en folie av nikkel som målskive og bombarderer det med protoner i høy hastighet.
Atomkjernene varmes opp av å bli truffet av protoner. Når kjernene avkjøles igjen, sender de ut gammastråling, fotoner som kan telles og måles og som forteller forskerne hvordan kjernene reagerte på bombardementet.
Denne metoden kan imidlertid ikke brukes til å studere alle grunnstoffer
– Krypton og xenon, som vi er interessert i, er edelgasser og vanskelige å lage målskiver av, forteller Hannah Berg, som er masterstudent i kjernefysikk og analyserer data for xenon i oppgaven sin. Da er alternativet å akselerere de tunge kjernene og skyte på målskiver med dem. Til det trengs en syklotron som er laget for formålet.
En slik syklotron finner vi hos iThemba LABS mellom Cape Town og Stellenbosch i Sør-Afrika.
Størst sør for ekvator
– iThemba LABS er Sør-Afrikas største forskningssenter og har den største akseleratoren på den sørlige halvkule, forteller Mathis Wiedeking, som leder kjernefysikkavdelingen ved iThemba.
UiO og iThemba har samarbeidet om forskning siden 2011, basert på en felles motivasjon: Hvordan blir de tunge grunnstoffene fra jern (atomnummer 26) til uran (atomnummer 92) dannet?
De to akseleratorene i Oslo og Cape Town utfyller hverandre. Oslos splitter nye detektorer tas i bruk i eksperimenter ved iThemba, mens målskiver laget ved iThemba blir brukt i Oslo.
Kjernefysikerne ved UiO har også fått prosjektmidler til et internasjonalt partnerskap mellom Berkeley i California, iThemba og Oslo.
– Bevilgningen gjør det blant annet mulig å la studenter delta i eksperimentene, forteller Sunniva Siem, seksjonsleder for kjernefysikk ved UiO.
Men tilbake til forskningen på edelgasser.
Stipendiat Vetle Wegner Ingeberg forklarer hvordan eksperimentene foregår:
– Vi akselererer krypton- og xenon-kjernene opp til 9,2 prosent av lysets hastighet. Deretter lar vi dem kollidere med en målskive av plast hvor hydrogenet er byttet ut med deuterium, som i tungtvann. Det blir altså en «tungplast» – eller en veldig dyr «gladpack».
I kollisjonene blir krypton- og xenon-kjernene varmet opp. Når de avkjøles igjen, sender de ut stråling. Ved å måle og analysere denne strålingen, får forskerne informasjon om kjernene.
Både xenon og krypton er viktige for å forstå hvordan grunnstoffene blir laget i universet, men de dannes i ulike prosesser.
Nøytronstjernekollisjoner
Xenon er en tung edelgass (atomnummer 54) og står på dopinglista. Forskerne tror mesteparten av xenon-atomene blir laget når to nøytronstjerner kolliderer.
En nøytronstjerne dannes når store stjerner mot slutten av livet eksploderer i en supernovaeksplosjon. Er restene etter supernovaen veldig tunge, dannes et sort hull. Ikke fullt så tunge rester blir til en nøytronstjerne.
Når to slike stjerner kolliderer, blir tettheten av nøytroner enorm. I dette miljøet dannes tunge grunnstoffer ved at en atomkjerne fanger inn nøytroner som igjen omdannes til protoner.
Les mer om hvordan de ulike grunnstoffene blir til i artikkelen Sjølv ein supernova er ikkje nok (etter at artikkelen ble skrevet, er gravitasjonsbølger fra kollisjon mellom to nøytronstjerner oppdaget)
– Vi må kjenne egenskapene til kjerner som xenon for å finne ut sannsynligheten for at de fanger inn nøytroner, sier Berg.
Eksperimentene hennes på xenon kan dermed være med på å forklare prosessene som foregår i nøytronstjernekollisjoner.
– Xenon brukes også i detektorer for mørk materie, fortsetter hun. – Og de eksperimentene trenger også data om xenon for å fungere. Litt som at en må kjenne kameraet før en kan tolke bildene fra det.
Xenon kan dessuten brukes til å overvåke fusjon.
– Xenon er i det hele tatt veldig anvendelig, men det er et vanskelig stoff å studere, sier Hannah Berg.
Nøkkelisotop
Edelgassen krypton, med atomnummer 36, er kanskje mest kjent som hjemplaneten til Supermann. Krypton blir til gjennom en litt annen prosess, som foregår når stjerner brenner.
Prinsippet er det samme: En atomkjerne fanger inn et nøytron som blir omdannet til et proton. Men denne prosessen er mye langsommere enn den som skjer i nøytronstjernekollisjoner.
Vetle Wegner Ingeberg studerer krypton-85, som er en nøkkelisotop for å forstå hvordan den sakte omdanningen foregår i stjernene.
– Krypton-85 er en ustabil, eller radioaktiv, atomkjerne. Den kan bli til rubidium-85, eller den kan fange inn et nøytron og omdannes til krypton-86, forteller Ingeberg.
For å simulere dannelsen av grunnstoffer i stjernene, må en vite forholdet mellom de to prosessene. Resultater fra krypton-eksperimentene i Sør-Afrika er viktige i simuleringene.
– Etter at nøytronstjernekollisjoner ble påvist i 2017, er våre målinger på atomkjerner blitt enda viktigere, sier Sunniva Siem.
For astrofysikerne som studerer dannelsen av grunnstoffer i universet har behov for data om kjernene som input til sine simuleringer.
