Tilbake til søkeresultatene

FRINATEK-Fri prosj.st. mat.,naturv.,tek

Nuclear shapes and resonances

Alternativ tittel: Deformasjoner og resonanser i atomkjernen

Tildelt: kr 10,2 mill.

Atomkjerner består av protoner og nøytroner som er bundet sammen av den sterke kjernekraften. Mange egenskaper kan forstås ved å beskrive atomkjernen som en elektrisk ladet væskedråpe av nukleært materiale. Andre egenskaper tyder på at kjerner har en mikroskopisk struktur hvor protoner og nøytroner er organisert i skall som kjennetegnes ved spesifikke kvantetall. Formen på en atomkjerne er bestemt av et delikat samspill mellom egenskaper til en slik væskedråpe og skallstrukturen: kjerner med lukkede proton- og nøytronskall har sfærisk form, mens atomkjerner med delvis fylte skall har tendens til å deformeres og for eksempel få en fasong som en amerikansk fotball. I likhet med hvordan formen på en klokke bestemmer lyden med karakteristiske frekvenser og overtoner, vil formen på atomkjernen være viktig for hvordan kjernen eksiteres og henfaller. Slike karakteristiske eksitasjoner kalles resonanser. Egenskapene til resonansene er viktig for å forstå kreftene som binder kjernen sammen og for å finne sannsynligheten for reaksjoner mellom forskjellige kjerner. Å få informasjon om atomkjernens form og egenskapene til resonanser er derfor viktig for å forstå prosessene som produserer atomkjerner tyngre enn jern i voldsomme astrofysiske prosesser, for eksempel når en stjerne eksploderer i en supernova eller når to nøytronstjerner kolliderer med hverandre. Forskningsprosjektet tar sikte på å måle formen til atomkjerner og egenskaper til resonanser og sammenligne eksperimentelle resultater med teoretiske modeller. Et viktig hensyn med prosjektet er å gi muligheter for unge forskere å gjennomføre doktorgrads- og postdoktorstudier. Den nasjonale forskningsinfrastrukturen OSCAR (Oslo Scintillator Array) ved Syklotronlaboratoriet (OCL) ved UiO har spilt en nøkkelrolle for prosjektets suksess. OSCAR ble installert ved OCL i 2017 og satt i drift i 2018. Mange eksperimenter ble utført med OSCAR i løpet av prosjektperioden. Disse har bidratt med viktige resultater om resonanser og sannsynligheter for kjernereaksjoner. Flere eksperimenter bidro til å forklare en uventet økning for emisjon av fotoner med lav energi fra eksiterte tilstander. Denne økningen påvirker sannsynligheten for at en kjerne kan fange nøytroner, med viktige konsekvenser for vår forståelse av hvordan tunge grunnstoffer dannes i universet. Ved å bruke en dataanalysemetode som er kjent internasjonalt som Oslo-metoden ble det etablert en ny teknikk for å bestemme sannsynligheten for nøytronfangst. Disse størrelsene er også viktige for anvendelse i kjernereaktorer, og flere eksperimenter på tunge atomkjerner ga resultater som er viktige for eksempel for et thoriumbasert reaktordesign. Slike eksperimenter har også gitt ny innsikt i selve fisjonsprosessen. Et annet viktig resultat var den nøyaktige bestemmelsen av sannsynligheten for elektromagnetisk henfall fra den såkalte Hoyle-tilstanden, en resonans i karbon-12. Denne prosessen er ansvarlig for fusjon av helium til karbon i stjerner, og dermed for produksjon av alle tungere elementer i universet. Forskningsprogrammet ved OCL ble supplert med eksperimenter ved internasjonale akseleratorlaboratorier som ISOLDE ved CERN, GANIL (Frankrike), RIKEN (Japan), Michigan State University (USA) og iThemba LABS (Sør-Afrika). I flere tilfeller ble Oslo-metoden brukt på kortlivede kjerner som ikke kan nås ved OCL. Andre eksperimenter undersøkte formen til atomkjerner, som kan avvike betydelig fra sfæriske. Et spesielt fokus ble satt på kjerner som kan anta forskjellige former, et fenomen kjent som form formkoeksistens. Prosjektet har bidratt til mer enn 80 publikasjoner i fagfellevurderte vitenskapelige tidsskrifter, og resultatene ble presentert på internasjonale konferanser. I tillegg til tre PhD-prosjekter har dette forskningsprogrammet resultert i 18 masteroppgaver. Forskningen relatert til prosjektet var tema for to internasjonale konferanser holdt i Oslo i 2017 og 2019 med mer enn 90 deltakere fra hele verden. 2021-utgaven av konferansen, som var planlagt i 2021, måtte utsettes til 2022 på grunn av covid-19-pandemien.

Results obtained within this project were published in prestigious journals, including Nature, Physical Review Letters, and Physics Letters B, and many are already well cited. The results are also included in the IAEA database on photon strength functions. Leading theorists in the fields of nuclear structure and nuclear astrophysics, are using our experimental data to benchmark and improve theoretical models. Results obtained with the Oslo Method are important inputs for calculations of neutron capture cross sections. The demand for such data has increased after the discovery of neutron star mergers as a site for nucleosynthesis by rapid neutron capture. The project has laid the foundation for the center of excellence initiative "Bright Matter" currently under review. There is a high demand for employees with background in nuclear physics, both in Norway and internationally. Through the education of many Master and PhD students the project has contributed to fulfilling this demand.

Resonances in the photon strength function (PSF) reveal fundamental information about the structure of a nucleus, its modes of excitation, and underlying shape. They also have a large impact on nuclear reaction rates. Experimental measurements of resonances in the PSF therefore provide data that can be used to refine theoretical nuclear structure models and that are at the same time highly relevant for nuclear astrophysics and nuclear energy applications. The Oslo Group has developed an experimental method to simultaneously measure the nuclear level density and PSF. The experimental program will greatly benefit from the new Oslo Scintillator Array (OSCAR), which will be available as a national infrastructure at the Oslo Cyclotron Laboratory from 2017. One of the key questions addressed by the project is the evolution of resonances in the PSF when moving from stable towards neutron-rich nuclei. To investigate this it is necessary to apply the Oslo method with radioactive ion beams (RIB). A first pilot experiment with a stable heavy ion beam was successfully performed at iThemba Labs. A first experiment with RIB and OSCAR detectors is approved at the HIE-ISOLDE facility at CERN. Another key question addressed by the project is to study resonances in the PSF as a function of the underlying nuclear deformation. The deformation itself can be investigated by measuring quadrupole moments and electromagnetic transition probabilities between discrete nuclear states. Experimental measurements of these observables provide important benchmarks for theoretical calculations. Two experiments, using Coulomb excitation with RIB at HIE-ISOLDE and lifetime measurements with AGATA, have been approved at CERN and GANIL, respectively. The experimental studies of this project will enhance the visibility of the Oslo group internationally and provide unique opportunities for two PhD students and a postdoctoral researcher to perform cutting-edge research at world-leading facilities.

Publikasjoner hentet fra Cristin

Ingen publikasjoner funnet

Ingen publikasjoner funnet

Ingen publikasjoner funnet

Budsjettformål:

FRINATEK-Fri prosj.st. mat.,naturv.,tek