Witold Nazarewicz van de Michigan State University heeft een eenvoudige manier om het complexe werk dat hij doet bij de Facility for Rare Isotope Beams te beschrijven, of FRIB.

"Ik studeer theoretische kernfysica, " zei Nazarewicz, John A. Hannah Distinguished Professor of Physics en chief scientist bij FRIB. "Kerntheoretici willen weten wat de kern drijft."

In elk atoom zit een kern. Atomen, beurtelings, make-up materie - de dingen waar we elke dag mee omgaan. Maar de kern is nog steeds gehuld in mysterie. Een van de doelen van FRIB bij het maken van zeldzame isotopen, of verschillende vormen van elementen, is om beter te begrijpen wat er in de kernen van atomen gebeurt.

In een nieuwe krant voor Fysieke beoordelingsbrieven , Simin Wang, een voormalig onderzoeksmedewerker bij FRIB, en Nazarewicz laten zien hoe de FRIB handtekeningen van ongebruikelijke nucleaire gebeurtenissen kan herkennen en deze kan gebruiken als vensters naar de kern.

"Er zal bij de FRIB een programma zijn gewijd aan dergelijke metingen, " zei Nazarewicz. "Wat we willen doen is de structuur van de kern begrijpen."

Zoals elk kind kan beamen, een van de beste manieren om te begrijpen hoe iets werkt, is door het uit elkaar te halen. Bij het maken van zeldzame isotopen, FRIB zal exotische kernen creëren die van nature uit elkaar vallen of vervallen.

Terwijl sommige FRIB-medewerkers de bouw van de fysieke faciliteit afronden - die volgens de planning in 2022 met wetenschappelijke experimenten zal beginnen - ontwikkelen theoretici, waaronder Wang en Nazarewicz, computermodellen die zullen helpen bij het interpreteren van de nieuwe wetenschap die het voortbrengt en om voorspellingen te doen over nucleair gedrag.

Kernen zijn zelf opgebouwd uit subatomaire deeltjes die bekend staan ​​als protonen en neutronen. Er zijn bepaalde kernen die vervallen door paren van protonen of neutronen in de kern te creëren en ze vervolgens uit te spugen.

Bijvoorbeeld, dit is het geval voor een isotoop bekend als beryllium-6, dat is een berylliumatoom met vier protonen en twee neutronen in zijn kern. Binnen beryllium-6, de protonen kunnen paren en wanneer de kern vervalt door zo'n paar vrij te geven, De detectoren van FRIB zullen de uitgestoten deeltjes kunnen spotten.

Wat Wang en Nazarewicz hebben gedaan, is een computermodel bouwen waarmee ze in wezen kunnen reconstrueren hoe die protonen er in de kern uitzagen op basis van wat de detectoren van FRIB zien.

"We meten die deeltjes als sondes, niet omdat we bijzonder geïnteresseerd zijn in protonen, ' zei Nazarewicz. 'Die protonen zijn boodschappers, met informatie over de kern waaruit ze werden uitgezonden."

Het model werkt ook op dezelfde manier voor zeldzame kernen die vervallen door neutronenparen uit te zenden.

Een van de grootste uitdagingen van het werk was het ontwikkelen van een computermodel dat deze deeltjes kon volgen over een enorme reeks lengteschalen.

Kernen worden gemeten in femtometers, slechts quadriljoensten van een meter. Maar de detectoren van FRIB zijn, grofweg gesproken, een meter uit elkaar. Voor perspectief, er zijn veel meer femtometers tussen je twee pupillen dan er meters zijn tussen de aarde en de zon.

Toch moest het Spartaanse model rekening kunnen houden met gebeurtenissen op zowel femtometerschaal als de veel grotere afstanden die deeltjes moeten afleggen om de detector te bereiken.

"Je moet in staat zijn om de deeltjes in de kern goed te karakteriseren en ze te volgen terwijl ze uit de kern vervallen en naar de detectoren reizen, "Zei Nazarewicz. "Het is niet triviaal om berekeningen over die schalen uit te voeren."

Nazarewicz geeft Wang de eer om die uitdaging aan te gaan en het project tot een goed einde te brengen. En, hoewel Wang toegeeft dat het moeilijk was, hij hoopt dat mensen zich niet herinneren hoe zwaar het werk was, maar wat is het spannend.

"Het grootste deel van mijn onderzoekscarrière is gewijd aan het ontwikkelen van theoretische instrumenten die de nucleaire structuur en experimentele waarneembare zaken met elkaar verbinden, dus ik kan niet beschrijven hoe opgewonden ik ben dat FRIB zijn voltooiing nadert, ' zei Wang.

"Omdat de waarnemingen die met onze nieuwe tool zijn berekend direct kunnen worden vergeleken met experimentele metingen, we zullen veel voorspellingen kunnen doen en veel nieuwe fenomenen kunnen ontdekken, " zei Wang. "Het wordt een geweldig tijdperk."