Att beräkna atomkärnor – från mikrokosmos till universum

Hur stor är en atomkärna? Svaret på den frågan är inte så välkänt som man kanske kan tro. Men forskare från Chalmers har deltagit i en studie där man nu lyckats hitta ett sätt att göra exakta beräkningar på neutronfördelningen i atomkärnor. Resultaten publiceras i Nature Physics och kan ge oss kunskap om såväl materians minsta byggstenar som stora neutronstjärnor i universum.

En atomkärna består av protoner och neutroner (gemensamt kallade nukleoner). Protonerna är möjliga att studera tack vare att de är elektriskt laddade, men kunskapen om neutronerna har hittills varit begränsad eftersom de är så svåra att mäta.

– Neutroner spelar en stor roll eftersom de utgör det kitt som binder atomkärnan samman, säger Christian Forssén, biträdande professor i fysik vid Chalmers, som tillsammans med kollegor från amerikanska Oak Ridge National Laboratory (ORNL), och en rad andra institut, har publicerat en studie om hur man kan förutsäga fördelningen av neutroner i atomkärnor med hjälp av så kallade ab initio beräkningar.

Med hjälp av ORNL:s superdatorer och baserat på en modell av den starka växelverkan mellan nukleoner, som utvecklats av Christian Forssén och hans forskargrupp på Chalmers, studerade forskarna atomkärnan kalcium 48. Ab initio-metoden innebär att nukleoner tillsätts en efter en och forskarna kan sedan göra teoretiska förutsägelser om atomkärnors struktur som är mer tillförlitliga än de modeller som använts hittills, där många parametrar anpassas mot själva datan.

– Komplexiteten och svårighetsgraden i beräkningarna växer betydligt för varje nukleon man lägger till, säger Christian Forssén. Men tack vare nya beräkningsmetoder och superdatorer har vi nu kunnat studera system med upp till 50 nukleoner.

Genom att få mer kunskap om neutronerna inuti atomkärnor kan man också få en djupare förståelse för deras betydelse ute i universum. Neutronstjärnor är astrofysikaliska objekt som nästan uteslutande består av neutroner och vars egenskaper av naturliga skäl är mycket svåra att studera eftersom de inte kan återskapas på jorden. Baserat på resultaten från sin studie av kalcium 48 har Christian Forssén och hans kollegor också gjort förutsägelser som bestämmer radien av en normal neutronstjärna till cirka 10 kilometer.

– Jag tycker att det är fascinerande att det finns samband mellan det mycket lilla och det mycket stora, säger Christian Forssén. Egenskaperna hos mikrokosmos har konsekvenser för makroskopiska objekt som neutronstjärnor, vilka kan betraktas som gigantiska atomkärnor.

Så hur vet forskarna att beräkningarna stämmer?

– Det är alltid lite speciellt att göra teoretiska förutsägelser som man vet kommer att testas experimentellt. Om ett eller två år tror jag att man kommer att kunna mäta neutronfördelningen i kalcium 48. Men eftersom vi också har tillämpat vår modell på egenskaper hos atomkärnor som man faktiskt har kunnat studera i labbet, och sett att förutsägelserna stämmer, så känner vi stor tilltro till våra resultat.

Bildtext: Konceptuell grafik som förbinder nukleära byggstenar hos den neutronrika atomkärnan kalcium-48 med neutronstjärnan i centrum av Krabbnebulosan. Den sistnämnda är ett expanderade moln av gas som utgör resterna av en supernova. Nollor och ettor symboliserar den beräkningskraft som behövs för att teoretiskt utforska objekt vars längdskalor skiljer sig åt med 18 storleksordningar, från neutronskinnet hos en atomkärna som mäts i bråkdelar av en femtometer, till kilometerstora neutronstjärnor.
Illustration: Oak Ridge National Laboratory, U.S. Dept. of Energy; conceptual art by LeJean Hardin and Andy Sproles.

För mer information, kontakta
Christian Forssén, biträdande professor, Fundamental fysik, Chalmers, 031 - 772 32 61, christian.forssen@chalmers.se

Den vetenskapliga artikeln Neutron distribution, electric dipole polarizibility and weak form factor of the nucleus 48Ca publiceras i Nature Physics 2 November.

Läs ett pressmeddelande från Oak Ridge National Laboratory

Fakta om forskningsgruppen
Forskningsprojektet har genomförts tillsammans med Gaute Hagen och hans kollegor på Oak Ridge National Laboratory (ORNL) där Christian Forssén tillbringade ett sabbatsår 2014/15. Andreförfattare av artikeln i Nature Physics, Andreas Ekström, gör sin post doc på ORNL men kommer att arbeta på den nya institutionen för fysik vid Chalmers tekniska högskola från början av 2016. Även doktoranden Boris Carlsson från Chalmers har varit delaktig i studien. De tre Chalmersforskarna kommer att ingå i den nya avdelningen för subatomär och plasmafysik.