Hjem
Institutt for fysikk og teknologi
forskningsområde

Eksperimentell kjernefysikk

Verden rundt oss er på det mest grunnleggende nivået bygd opp av atomer, som består av en kjerne omgitt av en elektronsky. Byggsteinene til atomkjernen er protoner og nøytroner, som igjen er bygget opp av kvarker og gluoner. I kjernefysikken er vi interessert i å studere atomkjernen, dens egenskaper og den sterke kjernekraften som holder kjernen sammen.

Neste
Masterstudent/IFT
Masterstudent Alf Kristoffer Herlan jobber med en ITS-strip med utlesningselektronikk på IFT.
Foto/ill.:
Ganesh Tambave/IFT
1/3
subatomærfysikk_gruppe_utstyr
Halvparten av det indre sporrekonstrueringssystemet (ITS) i ALICE (bildet viser noen av lagrene). Detektoren er omtrent 150 cm lang og bredden er ca. 50 cm
Foto/ill.:
ALICE Eksperimentet/CERN
2/3
Subatomærfysikk-fenomen
Event display: De rekonstruerte sporene fra en sentral kollisjon mellom to bly-ioner i ALICE eksperimentet. Totalt dannes flere tusener av nye partikler i en slik kollisjon.
Foto/ill.:
ALICE Eksperimentet/CERN
3/3
Tilbake

Dette er den samme kraften som binder kvarkene sammen til protoner og nøytroner. Faktum er at hverken kvarker eller gluoner er blitt observert som frie, enkeltstående partikler men kun som komponenter innesperret i sammensatte partikler (hadroner). På engelsk omtaler man dette fenomenet som “confinement” og det er en av de mange fascinerende egenskapene til den sterke kjernekraften. Den sterke kjernekraften formuleres teoretisk i en kvantefeltteori med navnet kvantekromodynamikk (QCD – Quantum Chromodynamics). Mange aspekter av QCD er fortsatt ikke forstått, for eksempel “confinement” og hvordan man skal behandle systemer med stor tetthet der man har kollektive vekselvirkninger mellom et stort antall kvarker of gluoner.

Den eksperimentelle kjernefysikkgruppen ved Universitetet i Bergen deltar i et av de store eksperimentene ved akseleratoren LHC (Large Hadron Collider) på CERN som heter ALICE.

I det følgende vil noen av de temaer som kjernefysikkgruppen fokuserer på bli diskutert.

ALICE-eksperimentet er designet med ønske om å studere tung-ione kollisjoner ved høye energier, der hadronisk materie gjennomgår en fase-overgang til en “suppe av frie kvarker og gluoner” eller, mer formelt, et kvark-gluon plasma (QGP – Quark Gluon Plasma). Kvark-gluon-plasmaet er ideelt for å studere og forhåpentligvis oppnå en større forståelse av den starke kjernekraften. 

I en tung-ione kollisjon der to ioner kolliderer dannes et materiesystem med ekstrem høy temperatur og tetthet. Hvis temperaturene eller tetthetene blir høye nok vil systemet overgå til en kvark-gluon-plasma fase. Etter å ha blitt dannet vil systemet ekspandere og kjøles ned, hvilket fører til at de “frie” kvarkene og gluonene rekombinerer og danner sammensatte partikler (dette kalles “hadronization” på engelsk, der en hadron er et sammensatt partikkel bestående av enten en kvark og en anti-kvark, 3 kvarker eller 3 anti-kvarker). Det er disse hadronene (eller deres henfallsprodukter) som blir registrert i eksperimentet.

Hele kollisjonsprosessen skjer på en liten brøkdel av et sekund. For å få en forståelse av hva som skjedde før og under kvark-gluon-plasma fasen må man rekonstruere partikkelspårene og identifisere hvilke partikler som produserte dem. Fra denne informasjonen håper man å kaste lys over noen av nøkkelegenskapene til plasmaet.

IFT: illustrasjon av tidsutviklingen til en tung-ione kollisjon
Foto/ill.:
ALICE Eksperimentet/CERN

En skjematisk illustrasjon av tidsutviklingen til en tung-ione kollisjon. Figuren til høyre viser sporene som de produserte partiklene har gitt opphav til i detektoren

 

En av signaturene for at et kvark-gluon-plasma har blitt dannet er J/psi-mesonet (heretter omtalt som J/ψ). Et J/ψ-meson består av en charm og en anti-charm kvark, som holdes sammen av den sterke kjernekraften. Kvarkparet går i bane om hverandre med en relativ avstand på omtrent 0.5 fm (1fm = 10-15m). Dersom en J/ψ-partikkel befinner seg i et kvark-gluon-plasma er det lett for at kvarkparet mister synet av hverandre på grunn av det store antallet “frie” kvarker og gluoner som flyter rundt i plasmaet. Bindingen mellom kvarkene vil da bli svakere og paret vil omsider løse seg opp og J/ψ-partikkelen forsvinner eller dissosierer – den blir “undertrykket” (“suppressed” på engelsk). Sannsynligheten for dissosiasjon er avhengig av plasmaets temperatur, og derfor kan en se på J/ψ-undertrykkelse som ekvivalent med å plassere en termometer i plasmaet. Når tettheten av kvarker i plasmaet blir svært høy kan imidlertid J/ψ-mesoner dannes gjennom rekombinasjon – en fusjon mellom to vilkårlige charm-anticharm kvarker. Den senere prosessen øker altså heller enn minker antallet J/ψ. Resultatene fra ALICE har vist at man må ta begge disse prosessen i beregning for å forstå produksjon av J/ψ-mesoner ved forskjellige kollisjonsenergier.

IFT: Subatomær--charm-anticharm-quark
Foto/ill.:
ALICE Eksperimentet/CERN
 
IFT: subatomær_phase transition
Foto/ill.:
ALICE Eksperimentet/CERN

Et J/ψ-meson bestående av en charm og en anti-charm kvark (venstre).  Et dissosiert charm/anti-charm par inne i et kvark-gluon plasma (mitten). Bidrag fra dissosiasjon og rekombinasjon til produksjonen av J/ψ som funksjon av kollisjonsenergien (høyre).

 

Kollisjoner mellom tunge ioner formidles imidlertid ikke alltid gjennom den sterke kjernekraften. Ionene kan også vekselvirke elektromagnetisk. De elektromagnetiske feltene kring en ladet partikkel forsterkes of presses sammen ved høye energier, og feltene kan beskrives som en strøm av ekvivalente fotoner (dette kalles Weizsäcker-Williams' metod for ekvivalente fotoner). Det elektromagnetiske feltet har uendelig rekkevidde, så elektromagnetisk vekselvirkning kan skje også når ionene passerer hverandre på avstander på flere hundre fm. I disse så kalte ultra-perifere kollisjonene kan ingen sterk vekselvirkning forekomme p.g.a. den sterke kraftens korte rekkevidde. Strålene med tunge ioner ved LHC gir opphav til kollisjoner mellom to fotoner eller mellom et foton og en atomkjerne ved energier som er høyere enn ved noen annen akselerator. Forskjellige typer av vekselvirkninger kan skje i en ultra-perifer kollisjon, produksjon av et J/ψ-meson er et eksempel også i dette tilfellet.

En av de mest brukte modellene for ultra-perifere kollisjoner, STARLIGHT, har til dels blitt utviklet I Bergen. 

Master eller stipendiat i gruppen for eksperimentell kjernefysikk?
Gruppen kan tilby master- og PhD-prosjekter innenfor ALICE-eksperimentet. Projektene kan inkludere arbeid med maskinvaren og utlesningselektronikken eller fysikk- og data-analyse. Som en del av gruppen ved UiB får du sjansen å jobbe med grunnforskning som bidrar til en bedre forståelse av den sterke vekselvirkningens grunnprinsipper og materien som den beskriver. Du kommer å være en del av et internasjonal team og deler av arbeidet vil, i de fleste tilfeller, bli utført ved CERN eller ved andre internasjonale laboratorier.