At lære, hvad der får kernen til at krydse

Michigan State Universitys Witold Nazarewicz har en enkel måde at beskrive det komplekse arbejde, han udfører på Facility for Rare Isotope Beams, eller FRIB.

"Jeg studerer teoretisk kernefysik, "sagde Nazarewicz, John A. Hannah Fremstående professor i fysik og chefforsker ved FRIB. "Atomteoretikere vil vide, hvad der får kernen til at krydse."

Der er en kerne i hvert atom. Atomer, på tur, make up matter - de ting, vi interagerer med hver dag. Men kernen er stadig indhyllet i mystik. Et af FRIBs mål med at skabe sjældne isotoper, eller forskellige former for elementer, er bedre at forstå, hvad der foregår inde i atomkernerne.

I et nyt papir til Fysisk gennemgangsbreve , Simin Wang, en tidligere forskningsassistent hos FRIB, og Nazarewicz viser, hvordan FRIB kan få øje på signaturer af usædvanlige atomhændelser og bruge dem som vinduer ind i kernen.

"Der vil være et program på FRIB, der er dedikeret til sådanne målinger, "sagde Nazarewicz." Det, vi vil gøre, er at forstå strukturen af ​​kernen. "

Som ethvert barn kan bevidne, en af ​​de bedste måder at forstå, hvordan noget fungerer, er at skille det ad. Ved fremstilling af sjældne isotoper, FRIB vil skabe eksotiske kerner, der naturligt falder fra hinanden eller forfalder.

Mens nogle FRIB -medarbejdere er færdige med at bygge det fysiske anlæg - som efter planen skal starte videnskabelige eksperimenter i 2022 - udvikler teoretikere, herunder Wang og Nazarewicz, computermodeller, der vil hjælpe med at fortolke den nye videnskab, som det kører ud, samt forudsige atomkraftadfærd.

Kerner er selv bygget af subatomære partikler kendt som protoner og neutroner. Der er visse kerner, der forfalder ved at skabe par protoner eller neutroner i kernen og derefter spytte dem ud.

For eksempel, dette er tilfældet for en isotop kendt som beryllium-6, som er et berylliumatom med fire protoner og to neutroner i sin kerne. Inde i beryllium-6, protonerne kan parre sig, og når kernen henfalder ved at frigive et sådant par, FRIB's detektorer vil være i stand til at få øje på de udstødte partikler.

Det, Wang og Nazarewicz har gjort, er at bygge en computermodel, der lader dem i det væsentlige rekonstruere, hvordan disse protoner så ud inde i kernen baseret på, hvad FRIB's detektorer ser.

"Vi måler disse partikler som prober, ikke fordi vi er særligt interesserede i protoner, "Sagde Nazarewicz." Disse protoner er budbringere, bærer oplysninger om kernen, hvorfra de blev udsendt. "

Modellen fungerer også på samme måde for sjældne kerner, der henfalder ved at udsende par neutroner.

En af de største udfordringer ved arbejdet var at udvikle en computermodel, der kunne spore disse partikler over en enorm længde.

Kerner måles i femtometre, kun kvadrilliondeler af en meter. Men FRIB's detektorer er, groft sagt, en meter fra hinanden. For perspektiv, der er langt flere femtometre mellem dine to elever, end der er meter mellem jorden og solen.

Alligevel skulle spartanernes model være i stand til at tage højde for igangsætningen på både femtometerskalaen og de meget større afstande, som partikler skal dække for at nå detektoren.

"Du skal være i stand til korrekt at karakterisere partiklerne inde i kernen og følge dem, når de henfalder fra kernen og bevæger sig til detektorerne, "Sagde Nazarewicz." Det er ikke trivielt at foretage beregninger på tværs af disse skalaer. "

Nazarewicz krediterer Wang med at klare denne udfordring og drive projektet til en vellykket afslutning. Og, selvom Wang indrømmer, at det var svært, han håber, at folk ikke husker, hvor hårdt arbejdet var, men hvor er det spændende.

"Det meste af min forskningskarriere har været afsat til at udvikle teoretiske værktøjer, der forbinder atomstruktur og eksperimentelle observerbare, så jeg kan ikke beskrive, hvor begejstret jeg er over, at FRIB er ved at være færdig, "Sagde Wang.

"Fordi de observerbare ting, der er beregnet med vores nye værktøj, kan sammenlignes direkte med eksperimentelle målinger, vi vil være i stand til at lave mange forudsigelser og opdage mange nye fænomener, "Sagde Wang." Det bliver en stor æra. "