ISOLDE-experimentet vid CERN

Infrastruktur: Isolde
Projekttitel: ISOLDE-experimentet vid CERN
Huvudsökande: Joakim Cederkäll, Lunds universitet
Medsökande: Medsökande: Johan Nyberg, Uppsala universitet, avdelningen för kärnfysik tillsammans med Thomas Nilsson, Chalmers, Dag Hanstorp, Göteborgs universitet
Beviljade medel: 2 800 000 SEK för perioden 2023-2027

Vid ISOLDE produceras kortlivade atomkärnor, med livslängder ned till millisekundsområdet, för experiment inom kärnfysik, kärnastrofysik, atomfysik, materialfysik, biofysik och medicinsk fysik. De kortlivade atomkärnorna produceras genom att beskjuta tjocka strålmål med en högenergetisk protonstråle från CERN:s acceleratorkomplex. Strålmålen, inneslutna i vakuum, värms upp till höga temperaturer för att atomerna skall diffundera ut och kunna joniseras för att sedan accelereras och ledas i olika strålgångar till experimentstationerna. Metoden kallas Isotope Separation Online (ISOL) eftersom de radioaktiva jonerna extraheras direkt efter att de producerats i strålmålet.

Anläggningen i sin helhet innefattar injektorkedjan för protonstrålen, strålmål för produktion av de kortlivade atomkärnorna (framförallt genom spallation), lasersystem och magnetiska separatorer för grundämnes- och isotopselektion, radiofrekvenskylare för strålkylning samt ett jonfälle-elektronstrålesystem för jonisering till högt laddade tillstånd vilket är nödvändigt för att kunna accelerera de radioaktiva jonerna till höga energier för reaktionsexperiment. Det senare är en central utveckling som skett på ISOLDE de senaste åren vilket lett fram till den nyligen färdigställda supraledande acceleratorn HIE-ISOLDE.

Experimenten med HIE-ISOLDE syftar till att öka vår förståelse för hur den starka kraften som binder atomkärnan fungerar i atomkärnor som har mycket avvikande antal neutroner och protoner jämfört med de stabila atomkärnor som materien omkring oss består av nu. Experimenten syftar dels till att ge oss kunskaper på en fundamental nivå om den starka kraften i atomkärnan, men de är också centrala för att förstå hur de stabila grundämnesisotoperna produceras i stjärnexplosioner där reaktionsvägar som involverar just atomkärnor med ett annorlunda antal neutroner och protoner spelar en viktig roll. Inte minst är detta intressant för att kunna förstå hur de tyngsta grundämnena producerats och för att utröna om det t.o.m. kan finnas stabila grundämnen tyngre än dem som finns på vår planet.

Ytterligare en intressant poäng med reaktionsstudier med instabila atomkärnor är att de ger oss möjlighet att undersöka i vilken utsträckning det finns atomkärnor med asymmetriska former (t.ex. päronformer). Vi har redan i vår kollaboration gjort experiment som tyder på detta. Sådana atomkärnor kan ge upphov till ett s.k. elektriskt dipolmoment som, om det existerar, visar att en av naturens mest centrala symmetrier, den s.k. laddnings-paritetssymmetrin (cp-symmetrin) är bruten på ett sätt som inte beskrivs av den nuvarande standardmodellen. Detta skulle i sin tur kunna ge oss en förklaring till den materie-antimaterieasymmetri vi ser i universum som f.n. inte kan förklaras av kosmologins Big-Bangmodell och partikelfysikens standardmodell.

ISOLDE-experimentet är världsunikt, dels p.g.a. sin höga tekniska nivå men också p.g.a. den expertis som finns vid anläggningen. Svenska forskare ges genom experiment på ISOLDE möjlighet att arbeta vid den absoluta frontlinjen inom fältet och svenska studenter ges genom att arbeta på ISOLDE unika möjligheter till vetenskaplig utveckling och får också tillgång till apparatur och utrustning som inte finns i Sverige.

Anläggningen har en hög teknisk komplexitetsgrad och är byggd på löpande teknisk innovation. För att ge svenska företag möjlighet att ta del av den tekniska kompetens som finns vid ISOLDE genomförde svenska forskare relativt nyligen ett kompetensutvecklingsprogram baserat på HIE-ISOLDE för företag med intresse att inrikta verksamhet mot ESS. Programmet, kallat CATE (Cluster for Accelerator TEchnology), som finansierades av EU hade varit omöjligt att utföra utan svenska forskares tillgång till ISOLDE.

Arbetet vid ISOLDE har också en inriktning mot forskning inom medicinsk teknik. Nyligen inleddes ett program, MEDICIS, för produktion av nya medicinska isotoper. Arbetet omfattar t.ex. ”targeted alpha-therapy” och utveckling av ”theragnostic pairs”. Den förra metoden syftar till att behandla spridd cancer och den senare att framställa par av isotoper av samma grundämne där den ena kan användas för avbildning t.ex. genom PET och den andra till terapi. Svenska forskare har inlett aktiviteter för att se om ett samarbete kan inledas så att den nya tekniken t.ex. kan överföras till ESS.