Sällsamma kärnor i extrema stjärnor

Huvudsökande: Karin Schönning, kärnfysik
Medsökande: Andreas Ekström och Christian Forssén, Chalmers

Projektbeskrivning

Neutronstjärnor bildas ur kvarlevorna från supernovor och är tyngre än solen, trots att de bara är några kilometer i diameter. I dessa extrema förhållanden kan hyperoner bildas – neutronens sällsamma släkting som innehåller minst en tung särkvark. Dessa borde dramatiskt påverka neutronstjärnans makroskopiska egenskaper. Det som hindrar en neutronstjärna från att kollapsa till ett svart hål är kvantmekanikens Pauliprincip som förbjuder identiska neutroner att befinna sig i samma tillstånd. Inte ens extrema gravitationskrafter i en neutronstjärna rår på detta. Däremot finns det inget som hindrar en neutron och en hyperon att samsas i ett och samma tillstånd. Alltså borde hyperoner göra en neutronstjärna mindre stabil och leda till gravitationskollaps redan vid ca 1,4 solmassor, vilket står i bjärt kontrast till astronomiska observationer av mycket tyngre neutronstjärnor. Denna förbluffande motsägelse kallas neutronstjärnans hyperonmysterium. Vårt projekt kombinerar hadronfysik och kärnteori för att angripa detta mysterium.

Det är uppenbart att modeller som förutspår stjärnkollaps vid 1,4 solmassor inte stämmer. En realistisk modell måste ta hänsyn till hur hyperoner och neutroner inuti neutronstjärnan påverkar varandra. Eftersom vi inte kan mäta detta in situ, får vi lita till mätningar på komplexa system som i vissa avseenden liknar neutronstjärnor – nämligen atomkärnor. Särskilt intressanta är de exotiska hyperkärnorna – kärnor i vilka nukleoner (neutroner eller protoner) har bytts ut mot hyperoner. Hittills har endast ca 40 hyperkärnor påvisats i experiment, att jämföra med fler än 3000 olika ”vanliga” atomkärnor. Skillnaden i tillgängliga data reflekterar dagens kunskapsläge: medan vi kan beskriva hur nukleoner binder varandra till komplexa kärnor, även de tyngsta såsom bly, klarar motsvarande teoretiska hyperkärnmodeller knappt beskriva de allra lättaste isotoperna.

Teoretiska beräkningar bygger på nukleon–nukleon- eller hyperon–nukleonväxelverkan. Den mest grundläggande metoden för att studera de förstnämnda är spridningsexperiment, där en stråle av till exempel protoner skjuts mot ett strålmål av atomkärnor, varpå de utgående partiklarna mäts. Hittills har fler än 6000 olika datapunkter samlats in. Spridningsexperiment med hyperoner är mycket svårare att genomföra då hyperonen är kortlivad och sönderfaller efter endast en bråkdel av en nanosekund. Från komplicerade experiment där hyperoner sprids innan de sönderfaller har man lyckats samla in drygt 50 datapunkter, men precis som för hyperkärnor har vi ett enormt informationsunderskott. Dessutom saknas spridningsdata som belyser kvanteffekten spinn.

Forskningsanläggningarna J-PARC och Spring-8 i Japan erbjuder unika möjligheter att skräddarsy nya spridningsexperiment för hyperoner. Detta bäddar för genombrott som kan bidra med avgörande ledtrådar till neutronstjärnans hyperonmysterium. Vi planerar:

• Skräddarsydda experiment vid J-PARC och Spring-8 med särskilt fokus på spinneffekter, där vi utvecklar nyskapande analysmetoder för optimala resultat.
• Ett banbrytande teoretiskt ramverk som härleder egenskaper för lätta och medeltunga hyperkärnor utifrån en modell av hyperon–nukleonväxelverkan, vars noggranna kalibrering kräver nya data.
• Design av nästa generations experiment genom ett nära samarbete mellan teori och experiment.

Kombinationen av dessa tre spår möjliggör ett veritabelt kvantsprång i förståelsen av hyperoners roll i kärnor och stjärnor.