Universitetet i Oslo (UiO) samarbeider med kjernefysikklaboratorier over store deler av verden, fra Japan i øst til USA i vest, for å avsløre atomkjernenes indre liv.

– Vi presser eksperimentene til det ytterste for å forstå hvordan atomkjernen fungerer. Atomkjernen er et utrolig komplekst, kvantefysisk system. Det er masse vi fortsatt ikke forstår, poengterer forsker Ann-Cecilie Larsen på Fysisk institutt ved Universitetet i Oslo.

Sammen med fysikere fra store deler av verden jakter hun på hva som foregår inne i atomkjernene og hvorfor de fungerer akkurat som de gjør. Da kan forskerne forstå mer om stjerneeksplosjoner og hvordan grunnstoffene, som også du og jeg består av, ble dannet i verdensrommet.

Den nye kunnskapen om atomkjernen er også viktig for å kunne lage mer målrettet kreftmedisin og for å kunne forstå hvordan fremtidens kjernefysiske reaktorer kan designes.

– Dagens reaktorer bruker uran. Her kjenner vi fysikken. Fremtidens reaktorer skal også kunne bruke annen type brensel, slik som thorium. Her vet vi ikke nok. Mye er ukjent. Hvordan blir de kjernefysiske reaksjonene? Hva skjer med brenselet etter mange år? Hvor mye energi og varme blir produsert? Hvor er den kritiske grensen for at noe kan gå galt? Forskningen vår skal gjøre det lettere å forutsi hva som kan skje, forteller professor Sunniva Siem.

Krasjkurs i atomkjerner

For å forstå hvordan kjernefysikerne avslører hemmelighetene til atomkjernene, tillater Apollon å gi deg et kort krasjkurs i atomlære.

I dag kjenner menneskeheten til 118 grunnstoffer. De er byggeklossene i all materie i universet, inkludert oss selv. Grunnstoffene er organisert i det periodiske systemet – den klassiske oversikten over alle grunnstoffene i verden – som ble grunnlagt av den russiske kjemikeren Dmitri Mendelejev i 1869.

Med unntak av verdens letteste grunnstoff, hydrogen, består alle atomkjerner av både protoner og nøytroner. Protoner er ladde partikler. Antall protoner i atomkjernen bestemmer hvilket grunnstoff atomkjernen er. Nøytronene veier like mye som protoner, men har ingen elektrisk ladning.

Det finnes en rekke varianter av hvert eneste grunnstoff. Variantene kalles for isotoper. Det som skiller dem, er antall nøytroner.

De fleste isotoper er ustabile. Om antall nøytroner endrer seg, omdannes isotopene til andre isotoper av samme grunnstoff. Dersom antallet protoner endrer seg, omdannes isotopen til et annet grunnstoff.

Alle isotoper har forskjellige egenskaper, slik som hvor mye energi og stråling de sender ut og hva som skal til for å varme opp atomkjernen. Halveringstiden er også viktig. Den forteller hvor lang tid det tar før halvparten av en viss mengde isotoper er omdannet til noe annet.

Forskerne har funnet flere tusen isotoper. De fleste av dem lever bare et kort liv i atomreaktorer og i stjerneeksplosjoner.

All kunnskap om isotopene er sydd sammen i et gedigent isotopkart.

– Kjernefysikere over hele verden prøver å undersøke de forskjellige delene av isotopkartet og hvordan kjernene snirkler seg igjennom isotopkartet når de avgir og mottar nøytroner og protoner, forteller Sunniva Siem.

For å avsløre atomkjernens hemmeligheter, må kjernefysikerne studere hvordan protonene og nøytronene er plassert. Protonene og nøytronene går i baner. De er klemt svært tett sammen og ligger lagvis oppå hverandre. Hvor tett lagene er, har mye å si for hvordan de kjernefysiske reaksjonene blir.

Det er en omstendelig prosess å finne egenskapene til en isotop. Kjernefysikerne kan bruke måneder og år på å avsløre én og én egenskap om gangen.

For et par år siden slo professor Morten Hjorth-Jensen på Fysisk institutt fast, etter en måneds døgnkontinuerlige beregninger på den nest kraftigste datamaskinen i verden, at de åtte ekstra nøytronene i en spesiell kalsium-isotop sitter tettere sammen enn antatt. Beregningene hans, som ble omtalt i Apollon 1-2016, viser at nøytronstjerner, en døende stjerne med svært kompakt masse, er mye mindre enn antatt.

Slynger partikler av gårde

For å kunne undersøke atomkjernen eksperimentelt, må forskerne ty til kjernefysiske akseleratorer. I en akselerator blir partikler akselerert opp til stor hastighet før de kolliderer med andre atomkjerner.

Én av akseleratorene står i kjelleren på Fysisk institutt på Blindern. De største fins i Europa, USA og Japan. Akseleratoren i Oslo er ganske liten. Ingen av dem har muligheten til å avdekke alle egenskapene i en atomkjerne.

– Alle akseleratorene gjør litt ulike ting. De har forskjellige energier og forskjellige intensiteter, forteller Ann-Cecilie Larsen.

Energien handler om hastigheten. Intensiteten handler om mengden. Et proton som sendes av gårde med lysets hastighet, har utrolig høy energi, men likevel lav intensitet.

– Du kan sammenligne dette med å slå tennisballer. Energien sier noe om hastigheten til ballen. Intensiteten sier noe om hvor mange baller du slår. Hvis du slår mange tennisballer mot hverandre, er sjansen større for at de kolliderer med hverandre enn om du bare slår én tennisball i hver retning.

Akseleratoren i Oslo kalles en syklotron. I syklotroner blir hastigheten til partiklene akselerert opp ved hjelp av et magnetfelt og et elektrisk felt.  Partiklene går i en spiralbane. Det elektriske feltet øker hastigheten på partiklene, mens magnetfeltet sørger for at banen øker. Når partiklene har fått den ønskede hastigheten, blir de slynget av gårde mot målet.

– I Oslo har vi muligheten til å skyte med lette ioner (ladde atomkjerner) som protoner, døytroner (tung hydrogenkjerne med ett proton og ett nøytron) og heliumkjerner (kjerne med to protoner og to nøytroner). Målskiven vår må være av metall. Når atomkjernene blir bombardert, blir de veldig stresset. Da sender de ut elektromagnetisk stråling. Det er nettopp denne strålingen vi måler.

Noen ganger ønsker kjernefysikerne å undersøke hva som skjer når atomkjerner kolliderer i høy hastighet. Andre ganger ønsker de å undersøke hva som skjer om energien er liten.

– Mye av det som skjer i verdensrommet og i stjerner, skjer ved veldig lave energier. Da trenger man ikke å skyte partikler med lysets hastighet for å se hva som skjer.

Et eksempel er hvordan oksygen er dannet.

– Oksygen dannes når en heliumkjerne kommer «tuslende» til en karbonkjerne. Det skjer ved veldig lave energier, noe som er svært vanskelig å måle i et laboratorium. Reaksjonene skjer så sjeldent at de ikke er forstått. Teoriene spriker i alle retninger. For å finne forklaringen, trenger vi en akselerator der det er mulig å forske på hva som skjer hvis to atomkjerner møter hverandre med liten energi, forklarer Ann-Cecilie Larsen.

Overraskende svar

For noen år siden oppdaget UiO-forskere at visse energirike atomkjerner oppfører seg annerledes enn tidligere antatt når de skal kvitte seg med overflødig energi.

Det startet da noen studenter fikk helt andre svar enn hva som stod i lærebøkene.

Forsøkene deres viste at atomkjernen sendte ut mye mer lavenergisk stråling enn forventet.

Ingen trodde på studentene.  Forskerne mente svarene måtte skyldes målefeil – eller feil i dataanalysen, men etter en rekke eksperimenter viste det seg at studentene hadde rett.

– Beregningene viser at det er 200 til 300 ganger lettere å få til bestemte kjernefysiske reaksjoner i en supernova (red: gigantisk stjerneeksplosjon) med dataene våre, sa Ann-Cecilie Larsen i et intervju med Apollon for noen år siden.

Det er nettopp denne oppdagelsen som førte til at Larsen først ble tildelt seks millioner kroner fra Forskningsrådet og deretter elleve millioner kroner fra EU for å undersøke energitilstanden i atomkjerner.

Syklotronen i Oslo er spesielt godt egnet til å gjennomføre disse analysene. Metoden er døpt Oslo-metoden. Den er så krevende å gjennomføre at UiO fortsatt er i verdensteten med disse analysene. Selv om syklotronen i Oslo begynner å bli gammel, blir den stadig mer populær.

– En av forklaringene er at mange andre akseleratorer ute i verden er blitt lagt ned de siste årene. Det er kanskje en av årsakene til at kjernefysikere fra laboratorier og universiteter over hele verden hvert år samles i Oslo, forteller Sunniva Siem.

Bombarderer med urankjerner

De tjue kjernefysikerne på Fysisk institutt bruker ikke bare syklotronen i Oslo. De kjører også svære eksperimenter på akseleratorer verden over.

En av dem er Riken, et verdensledende, kjernefysisk laboratorium i Tokyo i Japan – med både enorm energi og enorm intensitet. Riken var det aller første laboratoriet i verden som klarte å lage Nihonium, grunnstoff nummer 113.

– Her er det mulig å studere de tunge, nøytronrike kjernene – for å forstå hvordan de er dannet i stjerneeksplosjoner, forteller Ann-Cecilie Larsen.

Akseleratoren er så kraftig at den kan bombardere stoffer med urankjerner. Urankjerner veier 238 ganger mer enn protoner.

Kjernefysikere fra hele verden utfører eksperimenter på Riken. En av dem er forsker Eda Sahin på Fysisk institutt, som har fått sju millioner i støtte fra Forskningsrådet.

– Hun pusher grensene for forståelsen av atomkjernen, sier Ann-Cecilie Larsen.

Eda Sahin måler hvordan de eksotiske kjernene, altså kjerner som er tyngre enn jern, oppfører seg.

Jern danner skillepunktet for hvordan det er mulig å utnytte fusjon og fisjon. Det er mulig å hente ut energi ved å smelte sammen små atomkjerner. Dette kalles fusjon og skjer i solen. Når grunnstoffene er tyngre enn jern, er det bare mulig å hente ut energi ved å dele opp atomkjernen. Dette kalles fisjon og er en velkjent metode i dagens kjernekraftverk.

– Et av de store, uløste problemene i fysikken er hvordan mange av de eksotiske kjernene er blitt dannet i universet.

Hovedteorien har i mange år vært at de ble dannet i gigantiske stjerneeksplosjoner, kalt supernovaer, eller i kollisjoner mellom to nøytronstjerner, som er døende stjerner med meget kompakt masse.

Forskningen til Eda Sahin er et skritt på veien for å forstå hvordan de tunge grunnstoffene er dannet. Spesialet hennes er nikkel, grunnstoffet med atomnummer 28. I eksperimentet legger hun til mange nøytroner for å skape de mest eksotiske vriene.

– Jeg vil vite hvordan de eksisterer, hvor lenge de lever og bli kjent med alle deres fundamentale egenskaper, forteller Eda Sahin.

Hun produserer de eksotiske nikkel-isotopene ved å bombardere beryllium, som er verdens nest letteste metall, med tunge urankjerner. Det er snakk om meget kraftig beskytning. Energien i urankjernene er på målstreken tusen milliarder ganger kraftigere enn i et luftmolekyl.

– Målet vårt er å produsere nikkel-isotopene i akkurat så store mengder at vi kan studere hvordannøytronene og protonene er satt sammen lag for lag inne i kjernen. Vi vil vite om isotopene har den samme strukturen som de stabile atomkjernene. Spørsmålet mitt er hva som skjer hver gang vi legger inn et nytt nøytron – og hvordan det har effekt på avstanden mellom de ulike lagene, forklarer Eda Sahin.

Når målet bombarderes med urankjerner, dannes det en rekke nøytronrike elementer i området rundt den nikkel-isotopen de ønsker å studere.

Det som gjør det ekstra vanskelig, er at oppbygningen av atomkjernene er forskjellig fra grunnstoff til grunnstoff.

Eda Sahin ønsker å finne ut om strukturen inne i isotopkjernene er forskjellig fra det teoretikerne hevder.

– Vi er avhengige av hverandre. Det er ikke mulig å gjøre beregningene uten å bevise dette eksperimentelt. Her snakker vi om fundamental kjernefysikk. Når vi forstår dette, kan vi også forstå mer om hvordan grunnstoffene i de nøytronrike områdene ble dannet i ekstreme, astrofysiske hendelser. Kunnskapen er også viktig for å kunne simulere hva som skjer med de kjernefysiske reaksjonene rundt de tunge, nøytronrike atomkjernene i kjernereaktorer og for å bli kvitt radioaktivt avfall.

Uheldigvis er ustabile nikkel-isotoper svært vanskelige å studere i detalj. Selv om kobber har ett proton mer enn nikkel, er kobber enklere å studere. En av metodene hennes er derfor å beregne hvordan nikkel-isotopene oppfører seg, ved å studere kobber.

Eda Sahin hadde i mai tilgang til Riken-akselleratoren en hel uke.

– Hver dag koster enormt mye, så jeg måtte overbevise Riken om at eksperimentet mitt var mulig.

Under eksperimentene var Eda Sahin tilgjengelig døgnet rundt. Nærmere hundre mann jobbet under henne i døgnkontinuerlig skift. Alle dataene måtte sjekkes 24 timer i døgnet. Søvn ble det lite av.

– Jeg ville ikke gjøre noen feil. Det hadde vært svært kostbart. Jeg måtte derfor forsikre meg om at eksperimentet ble vellykket, forteller Eda Sahin, som er den aller første i verden som har klart å gjennomføre disse målingene.

Riken har uheldigvis et stort problem for tiden. Etter Fukushima-katastrofen for seks år siden ble kjernekraft så upopulært i Japan, at landet skrudde av en rekke reaktorer.

– Resultatet er mangel på strøm. Strømprisene har skutt i været. Her er det snakk om strøm til flere titusen kroner per time. Syklotronen i Riken har derfor bare råd til å drive med eksperimenter fire måneder i året, beklager Ann-Cecilie Larsen.

De norske kjernefysikerne gjennomfører også en rekke tilsvarende forsøk på syklotronen i Jyväskylä i Finland.

– De er flinke til å lage supertunge grunnstoffer som ikke fins i naturen, men som kanskje blir laget når nøytronstjerner kolliderer. Vi har vært der for å studere de aller tyngste grunnstoffene som menneskeheten har klart å lage, forteller Ann-Cecilie Larsen, som de siste årene også har gjennomført en rekke kjernefysiske eksperimenter i de to koblede syklotronene i Michigan State University i USA.

Norsk-japansk symbiose

Rett før påske undertegnet UiO en avtale med det japanske kjernefysiske laboratoriet i Konan, noen hundre kilometer øst for Tokyo, om et tett samarbeid for å avsløre egenskapene i en rekke atomkjerner.

I Oslo-syklotronen tilføres atomkjernen så mye energi at den sender ut lys, men likevel ikke så mye energi at atomkjernen sender ut et nøytron i stedet. Oslo-forskerne måler hvordan  atomkjernen sender ut lyset.

I Konan er det omvendt. Der måler kjernefysikerne hvordan atomkjernen sender ut nøytroner for å kvitte seg med overskuddsenergien, når den blir bombardert med lys med meget høy energi.

– Konan måler med andre ord energiområdet i atomkjerner som vi ikke har muligheter til å måle i Oslo-syklotronen, forteller postdoktor Therese Renstrøm.

Det er likevel en viktig likhet mellom forsøkene i Oslo og i Konan.

– På begge stedene undersøker vi hva slags stråling atomkjernen liker å ta opp og sende ut, men det gjøres altså i forskjellige energiområder.

Det betyr: Ved å undersøke de samme atomkjernene i Oslo og i Konan, kan resultatene kobles sammen.

– Til sammen måler vi hvordan atomer sender ut lys på alle mulige energinivåer.

Resultatene fra disse eksperimentene brukes i simuleringer for å vite hvordan atomene reagerer med hverandre i kjernereaktorer og i stjerneeksplosjoner.

Akseleratoren i Konan er teknisk sett det motsatte av syklotronen i Oslo – og kalles en synkrotron.

– I Japan varmer lysstrålen opp atomkjernen slik at den sender ut partikler, mens vi i Oslo bombarderer atomkjernen med partikler, slik at den sender ut lysstråler med meget høy energi. Ved å gjøre begge deler får vi et fullstendig bilde av atomkjernen. Du kan sammenligne dette med å koke kaffe. I Oslo ser vi på hvordan systemet reagerer når vi tilfører akkurat så mye energi at kaffen ikke koker. I Konan tilfører vi så mye energi at kaffen koker og vannpartiklene deiser ut, forklarer Sunniva Siem.

Konan bruker høyenergi-elektroner til å omdanne lavenergilys til høyenergilys. Lavenergilys er radiobølger. Høyenergilys er gammabølger.

Jo høyere energi i en lysbølge, desto høyere er frekvensen.

– Konan lager gammaenergi av lavenergifotoner fra en laser. Disse gammabølgene har så høy energi at de får protonene til å vibrere frem og tilbake i atomkjernen. Når atomkjernene blir truffet av gammastråler, sender de ut nøytroner med en helt spesiell energi. Det er som å slå på en streng på gitaren. Da får du en viss tone, forteller Ann-Cecilie Larsen.

De ustabile isotopene har begrenset levetid. Når de endrer seg, omdannes de til andre isotoper.

Spørsmålet er hvilken vei de utvikler seg. Noen ganger omdannes de til andre grunnstoffer. Andre ganger til andre varianter av det samme grunnstoffet. Et av spørsmålene Therese Renstrøm stiller seg, er hvilken rute isotopene tar før de ender opp i et stabilt stoff.

– Noen av de ustabile isotopene er svært vanskelige å observere eksperimentelt. En av løsningene er å undersøke alle de stabile isotopene i området rundt de ustabile isotopene og så indirekte, men likevel med ganske stor sikkerhet, kunne slå fast om den ustabile isotopen henfaller til en mer nøytronrik variant eller til et grunnstoff lenger oppe i systemet, forteller Therese Renstrøm.

Sammen med sin kollega, forsker Gry Merete Tveten skal Therese Renstrøm de neste årene gjennomføre en rekke eksperimenter i Konan.

– Forsøkene varer et par uker om gangen. Vaktene er på tolv timer. Vi har nattskiftet. Mye kan gå galt. Ser vi noen feil, må vi løse problemene der og da, forteller Therese Renstrøm.

Kvarkekaos

For noen år siden fremstilte professor Jon Petter Omtvedt på Kjemisk institutt noen av verdens tyngste grunnstoffer i Helmholtz-senteret for tungioneforskning (GSI) i Tyskland. Senteret oppgraderes nå til verdens aller kraftigste akselerator og skal bli mye kraftigere enn Riken i Tokyo.

Her skal kjernefysikerne kunne studere noe som kalles for hyperkjerner.

Som du kanskje vet, er alle protoner og nøytroner satt sammen av kvarker. Protonene og nøytronene i alle de kjente atomkjernene i universet består av en kombinasjon av opp-kvarker og ned-kvarker.

Det finnes også en rekke andre kvarker i universet, slik som sjarm-kvarker. Kjernefysikerne ønsker å lage atomkjerner med disse kvarkene, for å se om atomkjernene da oppfører seg annerledes.

– Dette kan skje i nøytronstjerner, men ingen vet det i dag. For å vite hvordan grunnstoffene er dannet, er disse kvarkeksperimentene enda en brikke på veien, sier Ann-Cecilie Larsen.

I det tyske laboratoriet skal det også være mulig å lage stråler av anti-protoner som kolliderer med protonstråler. Anti-protoner har den samme massen som protoner, men med motsatt ladning.

– Vi ønsker å finne ut av om det er symmetri mellom protoner og anti-protoner. Det er et fundamentalt spørsmål i fysikken. Vi er i en verden med materie. Spørsmålet er hvor det ble av anti-materien, undrer Ann-Cecilie Larsen.

Saken ble først publisert i forskningsmagasinet Apollon.