Det er flere store uløste mysterier i kjernefysikken

Takket være denne detektoren til 26 millioner kroner, klarer Dorthea Gjestvang å se langt flere detaljer i atomkjernen enn hva som tidligere har vært mulig. Foto: Yngve Vogt YNGVE VOGT

For 85 år siden oppdaget fysikerne at atomkjerner kan spaltes i to. Likevel står de uløste problemene fortsatt i kø.

Når tunge atomkjerner fisjonerer, som betyr at de deler seg i to, frigjøres betydelige mengder energi.

– Selv om fisjon ble oppdaget allerede for 85 år siden, vet vi fortsatt ikke nok om fisjon. Fisjon er svært komplisert. Hva skjer når atomkjernen strekkes? undrer forsker i kjernefysikk, Dorthea Gjestvang på Fysisk institutt ved UiO.

Hun har de siste årene undersøkt flere av hemmelighetene til fisjon.

– Ett av de store uløste problemene innen kjernefysikken er at vi fortsatt ikke har presise og korrekte, teoretiske beskrivelser av hva som skjer når atomkjerner deler seg i to.

Motsatte krefter

Atomkjerner består av protoner (positivt ladete partikler) og nøytroner (ikke ladete partikler). Selv om alle protonene i atomkjernen har den samme ladningen, klarer atomkjernen overraskende nok å holde seg samlet. 

Det virker selvmotsigende fordi man skulle tro at protonene ville ha blitt skjøvet fra hverandre. I atomkjernen konkurrerer to krefter: En kraft, som kalles for Coulomb-kraften, skyver protonene fra hverandre, mens en annen kraft, den sterke kjernekraften, prøver å holde dem samlet.

– Når Coulomb-kraften vinner, splittes kjernen i to. Da får vi fisjon. Akkurat hva som skjer, er ikke beskrevet teoretisk. For å forstå dette er vi nødt til å lage bedre teoretiske modeller av fisjon, sier Dorthea Gjestvang.

Hun jobber i grenseområdet mellom eksperimentelle, kjernefysiske forsøk og teoretiske simuleringer av kjernefysiske reaksjoner. Kjernefysikeren bruker simuleringsmodeller på datamaskinen for å kunne forklare hva som skjer.

Da må modellene samsvare med det som skjer i virkeligheten.

Skyter på plutonium

Gjestvang har undersøkt hvordan en variant av grunnstoffet plutonium splittes. Hun gjennomfører forsøkene sine i syklotronen i kjelleren på Fysisk institutt. Syklotronen er et laboratorium der kjernefysikerne kan akselerere partikler opp i en enorm hastighet før de skytes mot atomkjerner.

Når Gjestvang beskyter plutonium med protoner, splittes plutoniumet opp i to mindre atomkjerner. Disse fragmentene kvitter seg med energien sin ved å sende ut nøytroner og gamma-stråler. På syklotronen er det mulig å måle gamma-strålene.

– Vi måler gamma-strålene for å finne ut av om simuleringsmodellen greier å forutsi hva som skjer.

Spørsmålet hennes er:

– Hvis simuleringsmodellen ikke klarer å forutsi fisjonen for plutonium-kjerner, har vi ikke skjønt hva som skjer. Da kan ikke modellen vår brukes i mer kompliserte tilfeller, slik som å forutsi hva som skjer når supertunge kjerner fisjonerer.

Modellen hennes klarer seg sånn passe bra. Så langt er alt vel.

– Når vi derimot trenger dypere inn i problemet for å forstå mer av fysikken, er det noe i modellene som ikke stemmer med eksperimentene våre.

Spinnvilt

Et av de uløste problemene i fisjon er det kjernefysikerne kaller for spinn og angulærmomentet til fisjonsfragmentene. Hold deg fast! Dette er såkalte kvantemekaniske egenskaper i atomære partikler. For kjernefysikerne er spinn og angulærmoment viktige brikker for å kunne forstå hva som skjer når en atomkjerne deler seg i to.

– Hva i alle dager er spinn og angulærmomentet?

– Hvis du skal skrive dette populærvitenskapelig, går det fint an å si at kjernen snurrer eller spinner. Selv om det ikke er snakk om klassisk rotasjon, er det likevel en fin analogi.

Gjestvang har allerede vært med på å oppdage en overraskende egenskap i spinn som ikke har latt seg forklare.

– Vi har sett på en kjerne som ikke spinner før den deles. Når kjernen deles, spinner fragmentene uavhengig av hverandre. Det var uventet. Vi trodde det var en sammenheng mellom spinningen til de to fragmentene. Modellene beskriver ikke at fragmentene spinner uavhengig av hverandre. Da må modellene forbedres.

Svært puslespill

Det store spørsmålet som leseren kanskje har stilt seg, er hva denne oppdagelsen i spinnets forunderlige verden har å si i praksis.

– Fisjonsmodeller brukes for å simulere varmeutviklingen i reaktorer og for å forstå hva som skjer i nøytronstjernekollisjoner. Dette er et svært puslespill. Jeg jobber bare med én brikke. Alle sitter med hver sin lille brikke. Så prøver vi å få brikkene til å passe sammen.

– Når vet kjernefysikerne alt om fisjon?

Denne artikkelen ble første gang publisering i forskningsmagasinet Apollon. Den opprinnelige artikkelen kan du lese her.