I en verden av små ting: Glem brødsmulen på brødfjøla, glem de usynlige bakteriene på brødkniven, glem cellene i kroppen, glem cellens skjulte DNA-molekyl, ja, glem også de hele atomene som er molekylenes byggesteiner. For helt atom er for mye. Vi skal til 10 i minus femten meter, eller tusen trilliontedeler av en meter. Vi skal helt ned på atomkjernenivå.
I en artikkel publisert i tidsskriftet Nature Physics har forskerne Dr. Gaute Hagen og Dr. Gustav Jansen ved Oak Ridge National Laboratory i Tennessee, sammen med blant andre tidligere veileder Morten Hjorth-Jensen fra Fysisk Institutt, studert atomkjernen kalsium-48 ved hjelp av omfattende numeriske beregninger og bestemt med stor teoretisk presisjon masse og utstrekning.
Datakraft og kreativitet
– Dette dreier seg om omfattende utregninger, hard datakraft og kreativt forskningsarbeid. Som i all fysikk, og det meste av naturvitenskapelig forskning, er vi forskere delt opp i to arter: Teoretikere og eksperimentalister. Jeg er teoretiker og leter etter teorier om hvordan ting henger sammen. Til det trenger jeg kreativitet og datakraft som kan simulere de ideene jeg og andre får, sier Jensen.
– Men vi teoretikere lever ikke i et vakuum. Teoriene må testes og etterprøves. Der kommer eksperimentalistene inn. De finner måter å teste dette utenfor en simulert virkelighet, forklarer han.
Dette gjøres for eksempel på partikkelgeneratoren CERN i Genève eller der han holder til halve året, kjernefysikkakselleratoren ved Facility for Rare Ion Beams (FRIB) ved Michigan State University i USA.
– Det fantastiske ved naturvitenskapelig forskning er nettopp dette samspillet mellom teori og eksperiment, mener Jensen.
Samarbeidsprosjekt
Universitetet i Oslo har nylig etablert en studentutvekslingsavtale med Michigan State University i USA. Sistnevnte universitet er ranket som nummer en i USA innen forskning om atomkjerner, både teoretisk og eksperimentelt.
Hvert år kan norske bachelor-, mastergrads- og doktorgradsstudenter følge kurs og delta i forskning ved for eksempel kjernefysikkakselleratoren FRIB ved Michigan State University for å jobbe med vår grunnleggende forståelse av atomkjerner og materiens minste stabile bestanddeler.
I tillegg jobber professor Hjorth-Jensen halvparten av året i Michigan og halvparten ved Universitetet i Oslo.
– Det er veldig bra at norske studenter har en ordning der de får tilgang til verdensledende laboratorier. Det er det som danner grunnlaget for disse funnene. Det er en bonus på toppen av at det uansett er positivt å utveksle kunnskap institusjoner og land imellom. Det kan ikke understrekes nok hvor viktig samarbeid er i forskning, sier Hjorth-Jensen.
Fra nøytron til nøytronstjerne
Hagen, Hjorth-Jensen og gruppen bak forskningsartikkelen har rettet forskningen sin mot fordelinger av nøytroner i kjerner. Tettheten av nøytroner i atomkjerner har vist seg vanskelig å fastslå på grunn av mangelen på elektrisk ladning.
– En atomkjerne består av protoner og nøytroner. Hvor mange protoner som befinner seg i kjernen og hvordan de er organisert, er lett å finne ut av på grunn av den elektriske ladningen. Å finne tettheten og organiseringen av nøytroner i atomkjernen har derimot vært mye vanskeligere på grunn av fraværet av elektrisk ladning, men det er nettopp det vi har prøvd å finne ut av!
Ved hjelp av avansert datakraft og sofistikerte teoretiske modeller har gruppen klart å regne ut tettheten av nøytroner i atomkjernen kalsium-48 med stor teoretisk nøyaktighet.
Disse funnene stemte veldig godt overens med eksperimenter som viste at nøytronradiusen til Kalsium-48 var mindre enn tidligere antatt.
Fra det aller minste til det aller største
På dette grunnlaget har gruppen kommet med forslag og prediksjoner i forbindelse med bestemmelsen av det som kalles den elektrosvake formfaktoren, som utgjør en viktig test av teorier for den elektrosvake vekselvirkningen.
Dette er verdier som eksperimentelle anlegg verden over nå prøver å finne ut av og å verifisere.
– Det er også fascinerende at en studie av de aller minste bestanddelene kan være med på fortelle oss noe om de store objektene i verdensrommet. For eksempel kan studier av atomkjerner være med på å forklare hvorfor nøytronstjerner har den utstrekning de har.
En nøytronstjerne er en kollapset stjerne som har brukt opp sitt brennstoff. Er en stjerne over 1,4 solmasser så dannes en nøytronstjerne.
Er den mye større kan det dannes et sort hull. Nøytronstjernene består, som navnet sier, av tett materie av hovedsakelig nøytroner. En nøytronstjerne har en masse som vår sol men med en radius på ca ti kilometer.
– Det er som om vår sol skulle hatt en omkrets som omringer det meste av Oslo by.
– Trykket som settes opp av en tett gass av nøytroner motvirker gravitasjonskreftene og dermed gravitasjonell kollaps. Forstår vi hvordan nøytroner opptrer i atomkjernen kan det være med på å forklare nøytronrike giganter med rikelig med masse som nøytronstjerner, sier Hjorth-Jensen.
De største spørsmålene
Arbeidet til gruppen er med på å belyse hvordan atomkjernen er bestemmende for hvordan et atom opptrer og hvorfor. Det er avgjørende for de aller største spørsmålene innen fysikken.
– Å studere de aller minste bestanddelene vi kjenner kan gi svar på de aller største spørsmålene! For eksempel: Hvorfor har vi materie? Hvorfor er materie stabilt? Det er ikke en selvfølge i fysikkens verden. Får vi svar på disse spørsmålene vil vi forstå mye mer av den verden vi lever i. Vi får regne oss til svaret!
Kontakt:
Referanse:
Artikkelen i Nature Physics: Neutron and weak-charge distributions of the 48Ca nucleus
