Første kig på atomkerner der ændrer form

Et samarbejde mellem Niels Bohr Institutet (NBI) og teoretiske fysikere ved Beijing Universitet har åbnet døren til ny indsigt i atomkerner fra en uventet synsvinkel. Det viser sig, at resultatet af de voldsomme kollisioner mellem atomkerner, som studeres i LHC (Large Hadron Collider) ved CERN, afhænger af udgangsbetingelserne. Det vil sige af geometrien og formen af atomkernerne i deres grundtilstand. Yderligere overraskende er det, at denne indsigt også tillader forskerne at fastslå egenskaber af den kolliderende atomkerner, som ikke kan studeres med andre metoder.

Forskerne har forudsagt, hvordan ændringer i formen af de kolliderende atomkerner vil påvirke resultatet under ekstreme høj-energi forhold. Opdagelsen baner vej for yderligere studier, der kan skabe en bedre forståelse af atomkerners dynamik. Den videnskabelige artikel, som beskriver resultaterne, er antaget af det prestigefulde tidsskrift Physical Review Letters.

Forudsigelserne er teoretiske, men baseret på et eksperiment ved verdens førende forskningscenter for fysik, CERN i Schweiz.

”Forskningen udgør et markant fremskridt i forståelsen af atomkerners struktur, herunder hvordan den indre form af kernerne kan ændre sig under ekstreme forhold,” siger You Zhou, lektor ved NBI. Han har ledet projektet, der var finansieret af den europæiske forskningsfond ERC som et samarbejde mellem NBI og en forskningsgruppe ledet af professor Huichao Song, Beijing Universitet, Kina.

Formet som en amerikansk fodbold

Kernerne af forskellige typer atomer har forskellige former fra runde til ovale. I projektet har Zhou og hans kolleger fokuseret på xenon, som har en oval form omtrent som en amerikansk fodbold.

Samtidig er xenon et af flere atomer, hvis kerne kan ændre form afhængigt af energitilstanden af de kræfter, som virker i kernen. Efter forholdene kan formen ændre sig fra amerikansk fodbold til at være æggeformet eller mere langstrakt. Denne type ændringer kaldes kerne-form overgange (nuclear shape transitions). De er afgørende for kernernes stabilitet og kan give indsigt i de stærke vekselvirkninger mellem protoner og neutroner.

I et 8 timer langt eksperiment blev xenon-atomer bragt til at kollidere med hinanden i verdens kraftigste partikelaccelerator, LHC (Large Hadron Collider) på CERN. Xenon-atomkernerne blev accelereret til nær ved lysets hastighed. Når kernerne kolliderer med hinanden, kan det øge temperaturen til ca. 5.000 milliarder grader Celsius. Derved bliver kernernes komponenter – protoner og neutroner – brudt ned til mindre typer af partikler, kvarker og gluoner. Derved dannes såkaldt kvark-gluon-plasma.

Et overraskende forskningsresultat

De ekstremt høje temperaturer kan kun opretholdes ganske kort tid. De betingelser, som er interessante for projektet, eksisterer i mindre end 10^-24 sekund.

”Intet instrument er i stand til at måle i så korte intervaller. Derfor kan vi ikke følge de enkelte trin i de processer, som udløses, når atomkernerne kolliderer. I stedet må vi se på de slutprodukter, som dannes, og rekonstruere processerne, så de matcher resultaterne,” forklarer Jens Jørgen Gaardhøje, professor ved NBI.

Den nye indsigt opstod under det møjsommelige arbejde med at fortolke de eksperimentelle data, siger You Zhou:

”Data kunne kun forklares, når vi antog, at xenon-atomkernen havde form som en amerikansk fodbold. Det passer fint med gængs viden, men var alligevel overraskende i betragtning af, at energien i vores eksperiment var en million gange kraftigere i forhold til tidligere eksperimenter. Den almindelige antagelse har altid været, at ethvert stof vil være fuldstændigt nedbrudt under sådanne ekstreme temperaturer, og at den oprindelige geometri derfor næppe ville spille nogen større rolle for, hvilke produkter, der blev dannet.”

En perfekt væske fyldte det spæde univers

Inden for grundforskning sker det tit, at overraskende resultater kommer, selvom man egentlig havde et andet formål med et projekt. Det gælder også her. Hovedformålet med kollisions-eksperimenterne ved høj energi var ikke at undersøge atomare kerne-form overgange, men derimod at opnå ny viden om det helt spæde univers. Den ekstremt høje temperatur i LHC svarer til tilstanden blot en milliontedel sekund efter Big Bang.

”Ud fra målinger, som vi tidligere har udført ved LHC, kan vi sige, at ved dette ekstremt høj energiniveau var kvark-gluon-plasmaet en væske med meget lav viskositet (meget tyndtflydende, red.). Dette kalder vi også en perfekt væske. Xenon-eksperimentet var designet til at undersøge, hvordan viskositeten af dette plasma ændrer sig under systemets udvikling,” fortæller You Zhou.

Smart metode gjorde det muligt

Med 54 protoner og 75 neutroner er xenon et stort atom. Når to xenon-atomer kolliderer i LHC, dannes der op mod 30.000 mindre partikler, hovedsageligt kvarker, gluoner og deres anti-partikler. Selv med de kraftigste supercomputere vil det være umuligt at beregne egenskaberne af så mange partikler og af vekselvirkningerne mellem dem.

”Vi havde antaget, at vi kunne nøjes med at regne på tre partikler for at bestemme den tredimensionale struktur af xenon. Men resultaterne viste sig at være for upræcise, så vi besluttede at gå op på seks partikler for undersøge, om xenon har en fast tredimensional struktur eller undergår forandringer i sin form,” siger You Zhou.

At gå fra tre til seks partikler var en svær beslutning, fordi mængden af regnearbejde øges eksponentielt, hver gang man tilføjer en ekstra partikel.

”Heldigvis lykkedes det os at udvikle en algoritme, som tillader os at udføre beregninger meget effektivt. Dermed kan vi klare os uden at søge tid på en supercomputer. Så vidt vi ved, er vi en af meget få grupper i verden, som er i stand til det,” siger Jens Jørgen Gaardhøje og tilføjer:

”Det åbner ikke kun for mere avancerede studier af kvark-gluon plasmaets egenskaber, men også af udgangsbetingelserne. Herunder hvordan betingelserne udviklede sig den tidlige fase af Universets ekspansion.”

Forskningsgruppen håber på at opnå tid på LHC til et opfølgende eksperiment i sommeren 2025.

Den videnskabelige artikel i (Physical Review Letters) kan læses her: https://journals.aps.org/prl/accepted/7f07aY44Db411992900413f9dcaae919a336994d2