Generell informasjon om kjernefysikk


Vil du studere universets ''urstoff''? Er du interessert i hva som skjer når vi danner den høyeste energitetthet som kan skapes på jorden? Eller er du interessert i å studere vekselvirkningen mellom kjernepartikler, det mest fundamentale mangepartikkel-problem vi kjenner?

I så fall er et studium i kjernefysikk noe for deg. Dette skriftet inneholder en presentasjon av hva vi holder på med, --- og en del praktiske opplysninger. Lurer du på noe, eller er du interessert i andre eller flere opplysninger, er du alltid velkommen innom, vi holder til i 5. etasje i Bjørn Trumpys Hus (Fysisk institutt, Allégaten 55).

Kjernefysikk - i stort og smått!

Atomkjernen er naturens eget unike laboratorium for kvantefysikkens mangfoldige sider. Kjernens oppbygning og struktur er et sentralt tema for kjernefysikere, men studiet av kjernematerien favner et vidt spektrum av fenomener. Elementærpartiklenes struktur, det indre av nøytronstjerner og "urstoffet" i universets tidlige fase, er eksempler på emner som studeres av kjernefysikere i dag.

I dagliglivet møter en kjernefysikken på mange forskjellige områder, fra oljeleting i Nordsjøen til arkeologi. Ikke minst brukes kjernefysiske metoder innen medisinsk virksomhet.

Kjernefysikkgruppen ved Universitetet i Bergen reflekterer dette vide interessefeltet for dagens kjernefysikk. Vi studerer kjernen som et komplisert mangepartikkelsystem, men også hvordan kjernematerien oppfører seg når den utsettes for ekstremt trykk og temperatur. Under normale forhold kan atomkjernen sammenliknes med en kvantemekanisk væskedråpe, men den har også trekk som finnes hos supraledende metaller. Kjernen kan ha forskjellige fasonger. Den kan rotere og vibrere med store hastigheter. Dette er et aktivt forskningsfelt som undersøkes både eksperimentelt og teoretisk av gruppen. Ekstreme trykk og temperaturer i kjernen kan skapes når tunge kjerner kolliderer nær lysets hastighet. Dette skjer blant andre steder ved det europeiske høyenergifysikk-laboratoriet CERN i Genève og ved Brookhaven National Laboratory (BNL) på Long Island, USA. Under slike forhold tror vi det er mulig å danne en ny tilstand for materien, et kvark-gluon plasma, der kvarkene og gluonene ikke lenger er bundet innenfor andre "elementærpartikler". Hittil har en ikke kunnet observere "frie" kvarker. Disse eksperimentene omfattes derfor med stor interesse.


Teori og eksperiment

Kjernefysikken er et fagfelt under stadig utvikling gjennom et intimt samspill mellom teori og eksperiment. Kjernefysikerne i Bergen arbeider med begge deler. For fremtidige studenter kan det være verd å merke seg mangfoldet i gruppen; vi kan tilby hovedoppgaver med stor spennvidde - fra rene teoretiske beregninger, til detektorutvikling, datainnsamling og analyse. Det meste av forskningen bruker datamaskiner som verktøy. Vi kan derfor også tilby hovedoppgaver som innebærer utvikling av datamaskinprogrammer.

Internasjonalt samarbeid

Den moderne kjernefysikken har vokst fram gjennom et internasjonalt samspill. Flernasjonale samarbeidsprosjekter ble formelt organiserte allerede i femtiårene; denne arbeidsformen har siden vunnet stadig større utbredelse.

Faget krever betydelige ressurser. Et bredt samarbeid er også av den grunn nødvendig for å oppnå resultater. Kjernefysikkgruppen i Bergen har et vidt kontaktnett. Våre forskningsresultater publiseres i anerkjente internasjonale tidskrifter. I den senere tid har vi samarbeidet blant annet med miljøer i Danmark, Sverige, Tyskland, Sveits, Nederland, Frankrike, Canada, USA, Ungarn og Sovjet. Enda flere nasjoner er representert ved de store eksperimentene vi deltar i ved CERN og BNL.

Kjernefysikere --- i alle sammenhenger

En kjernefysiker er en svært anvendbar person. Vårt internasjonale kontaktnett gir gode muligheter til å fortsette med forskning på høyt nivå. Kandidater med eksamen i kjernefysikk finner en dessuten som faste ansatte ved de fleste av forskningsgruppene ved Fysisk institutt. Samtidig finnes kjernefysikere i fremtredende roller i næringslivet, for eksempel som bedriftsledere og dataeksperter.

Kvark-gluon plasma


For tiden er mye av aktiviteten i kjernefysikk-gruppen knyttet til forskning om kvark-gluon plasma. Kvarker og gluoner utgjør bestanddelene i våre ''vanlige'' kjernepartikler, protoner og nøytroner. Fra partikkelfysikken vet vi at det verken kvarker eller gluoner kan observeres direkte; de er altfor sterkt bundet innenfor ''tradisjonelle'' partikler. I partikkelfysikken studeres derfor eksotiske partikler, som alle er satt sammen av to eller tre kvarker.

Hvis kjernematerien blir utsatt for svært høye trykk og temperaturer, vil kanskje protoner og nøytroner bli presset så tett sammen at det ikke lenger er mulig å skille mellom de opprinnelige kjernepartiklene. I stedet vil vi få en ''suppe'', der kvarker og gluoner kan bevege seg fritt innenfor et større område (selv om også dette området er svært lite etter dagligdagse målestokker ...). En slik ''suppe'' er et kvark-gluon plasma.

Mange tror at det tidlige universet bestod av slik materie kort etter ''The Big Bang''. Kanskje finnes også slik materie i sentrum av stjerner med høy tetthet. På jorden forsøker vi å skape slik materie i relativistiske tungione-kollisjoner. Mens partikkelfysikere studerer hva som skjer når lette partikler, som elektroner eller protoner, kolliderer ved høy energi, vil vi akselerere tyngre kjerner i de samme maskinene. På CERN i Genève kan vi akselerere bly-ioner (som har 208 kjernepartikler), og la disse partiklene kollidere med et strålemål av bly. Slik vil vi, i et lite område, kunne skape den største energitetthet som har vært til på jorda. Mye tyder på at et kvark-gluon plasma vil bli dannet i det sentrale området av slike kollisjoner.


Kjernefysikkgruppen i Bergen deltar på mange områder i denne forskningen. Noen av teoretikerne våre arbeider med modeller for hvordan et slikt plasma vil arte seg, og hvilke signaler som kan identifisere en slik plasma-fase. Flere modeller for et slikt plasma eksisterer. Noen er bygd på prinsipper fra hydrodynamikk og statistisk fysikk, mens andre tar utgangspunkt i partikkel-partikkel-kollisjoner. Gruppen vår bruker begge typer, slik at vi kan sammenlikne resultatene som oppnås, både modellene imellom, og mellom modellene og eksperimentelle data. Den eksperimentelle gruppen er engasjert i tungione-eksperimentene på CERN og BNL, både med eksperimentforberedelse, utføring av eksperimentene og analyse og bearbeidelse av målte data. Eksperimentene foregår i tett internasjonalt samarbeid. En utstrakt reisevirksomhet er derfor nødvendig.

Kjernestruktur

Samspillet mellom kjernepartikler i atomkjernen gir store muligheter til å studere fundamentale mangepartikkel-systemer. Etter 50 års intense studier er disse mekanismene på langt nær fullstendig beskrevne. Vi arbeider med beskrivelse av deformerte (dvs. ikke sfæriske) kjerner, både teoretisk og eksperimentelt. Eksperimentene gjennomføres ved å studere henfallsprodukter (partikler eller gammastråler) etter lavenergikollisjoner. Slike eksperimenter foregår ved flere laboratorier i Europa. Teoretisk beskrives kjernepartiklene av enkeltpartikkel-bevegelser i et potensial som genereres av de andre kjernepartiklene. Dette potensialet vil varierere med kjernens form og størrelse. Ved variasjon av flere parametre, forsøker man å finne modeller som best mulig beskriver de energinivåer som er kjent fra eksperimenter.

Ikke kraftverk og bomber

Mange forbinder kjernefysikk med skremmende overskrifter i massemedia. Hiroshima og Tsjernobyl vekker ubehagelige assosiasjoner. Dagens kjernefysiske forskning har imidlertid ingen direkte tilknytning til slik teknologi. Både kraftverk og bomber baserer seg på forskningsresultater oppnådd i 1940-årene. Og det er svært lite trolig at dagens forskning skal frembringe noe tilsvarende!

Kunnskap om kjernefysiske prosesser er svært nyttig også i det kjernekraft-løse norske samfunnet. Partikkelakseleratorer benyttes til medisinske formål (kreftbehandling, øyeoperasjoner med mer) og i annen teknologi (produksjon av storskala integrerte kretser, datering av arkeologisk materiale). Radioaktivitet omgir vi oss med til daglig, ikke minst fra radon-stråling og tannlegebesøk. Og radioaktivitet kan benyttes til mange gode formål, fra oljeleting via røykvarslere til medisinsk diagnostikk.

Mastergradssstudiet

Et mastergradsstudium i kjernefysikk kan tilpasses mange interessefelter. Vi vil gi noen stikkord i avsnittene nedenfor. Har du andre ønsker eller spørsmål, er det bare å stikke oppom oss! Felles for alle retninger er at de følger vanlige retningslinjer for mastergraden, med en studietid på to år. Er du interessert i en oppgave hos oss, vil vi anbefale deg å ta kontakt med oss så tidlig som mulig. Det kan ofte være lurt å ta fatt på begynnelsen av arbeidet med masteroppgaven allerede i begynnelsen av mastergradsstudiet.

Eksperimentell fysikk

Kjernefysikkgruppens oppgaver dekker alle faser innen det eksperimentelle arbeidet, fra forberedelser og simuleringer via gjennomføring av eksperimentet til den etterfølgende analyse. Siden vi ikke har akseleratorer for kjernefysisk forskning i Bergen, vil studentene få gode muligheter til å knytte internasjonale forbindelser i løpet av studiet. Mange studenter vil få flere utenlandsreiser under arbeidet med mastergraden. Siden de fleste ansatte i gruppen interesserer seg for alle eksperimentene vi er involverte i, vil studentene kunne få god rettledning selv om veileder skulle være bortreist akkurat når problemene måtte dukke opp. Gruppen har for tiden god veiledningskapasitet. Instituttet har to fast ansatte samt stipendiater og mastergradsstudenter som driver med eksperimentell kjernefysikk i skrivende stund. Videre samarbeider vi med gruppe for mikroelektronikk på instituttet og en gruppe på Høyskolen i Bergen er også engasjert i ALICE-eksperimentet. Mange av oppgavene i eksperimentell fysikk er knyttet til bruk av avanserte datamaskiner, men også mer teknologisk pregete oppgaver kan gis.

Teoretisk fysikk

Det er to fast ansatte teoretikere knyttet til gruppen, samt en stipendiat. Også teoretikerne arbeider innenfor internasjonale samarbeid, selv om teoristudentene nok reiser noe mindre enn de som arbeider eksperimentelt. Teoretikerne utvikler modeller som gjør det mulig å forutsi eller å sammenfatte de eksperimentelle erfaringene.

Teorivirksomheten i Bergen er spesielt sterk innen nukleære kollisjoner. Regnemaskiner brukes i stor utstrekning, og det arbeides også med neurale nettverk, datamaskiner som prøver å simulere hjernens funksjon.

Teknologi

Innenfor Alice-kollaborasjonen deltar vi også i utformingen av den eksperimentelle oppstillingen, spesielt utvikling av utlesningselektronikk for tidsprojeksjonskammeret og foton-spektrometeret. Vi kan derfor tilby oppgaver knyttet til utvikling og testing av detektor-utstyr innenfor dette eksperimentet. Denne utviklingen vil skje i samarbeid med gruppen for mikroelektronikk samt andre institusjoner innenfor kollaborasjonen. En del reiser vil det derfor følge med også denne typen oppgaver.

Undervisningstilbud

Kjernefysikkgruppen tilbyr følgende kurs:

PHYS211 Energifysikk
10 studiepoeng. Dette kurset gir en innføring i problemstillinger knyttet til energiressurser og diskuterer ulike fysiske prosesser som kan brukes til å skaffe til veie nyttbar energi.
PHYS241 Kjerne- og partikkelfysikk
10 studiepoeng, kan leses samtidig med PHYS201 kvantemekanikk. Undervises i vårsemesteret. Alle hovedfagsstudenter i kjernefysikk må lese dette kurset, som kan anbefales som en innføring i kjerne- og partikkelfysikkens problemstillinger
PHYS231 Strålingsfysikk
10 studiepoeng, vårsemesteret. Dette kurset handler om radioaktiv stråling, og dens virkning på mennesker og dyr. Absorbsjon og svekkelse av stråling i ulike materialer beskrives, ved siden av en grunnleggende diskusjon om mekanismene som står bak.
PHYS291 Databehandling i fysikk
10 studiepoeng. Dette kurset gir innføring i programmering og bruk av datamaskiner knyttet til eksperimentell fysikk. Kurset avsluttes med en prosjektoppgave, som gjerne kan være knyttet til problemstillingene i mastergradsoppgaven din.
PHYS331 Kjernemodeller
10 studiepoeng, mange bruker dette kurset som hovedfagspensum. Kurset beskriver kjernepartiklenes vekselvirkninger ved lavere eksitasjonsenergier, og gir en god teoretisk bakgrunn for et studium av kjernestruktur. Kurset bygger på PHYS241.
PHYS332 Kjernereaksjoner
10 studiepoeng. Kurset omhandler kvantemekanisk beskrivelse av kjerner i kollisjonsprosesser. Kurset bygger på PHYS241.
PHYS333 Relativistisk tungione-fysikk
15 studiepoeng, gir en innføring i prosessene knyttet til relativistiske tungione-kollisjoner og kvark-gluon plasma-fysikk. Kurset kan brukes som hovedfags- eller doktorgradspensum.
PHYS335 Tungionefysikk ved midlere energier
10 studiepoeng, kan brukes som hovedfags- eller doktorgradspensum. Kurset gir en beskrivelse av de prosesser som virker ved tungionekollisjoner i mellomenergi-området.
PHYS391 Datasystem for eksperimentalfysikk
10 studiepoeng. Dataverktøy spiller en stor rolle i mange eksperimentelle fysikkfag. Det kreves til dels bruk av avanserte programmeringsteknikker for å ivareta datainnsamling og analyse. Dette er et videregående fag bygget rundt en prosjektoppgave som helst skal ha relevans for mastergradsarbeidet ditt.
I tillegg til dette bør alle kjernefysikkstudenter lese kurset PHYS201 Kvantemekanikk. (Studenter med en teknologisk rettet oppgave kan velge andre kurs, ta kontakt med veileder for nærmere avtale.)

Hovedoppgaver

Nøyaktig formulering av hovedoppgaver skjer i samarbeid med deg som interessert student. Listen nedenfor gir imidlertid en pekepinn på hvilke oppgavetyper vi kan tilby.



Relativistiske tungionekollisjoner, eksperimentelt. Gruppen deltar i Brahms-kollaborasjonen i Brookhaven og Alice-kollaborasjonen på CERN. Det kan gis oppgaver knyttet til alle steg av det eksperimentelle arbeidet. Innenfor kollaborasjonene har gruppen et særlig ansvar for dataanalyse og simuleringer. Innenfor Alice-kollaborasjonen arbeides med utvikling av høynivå trigger-system (som velger ut hvilke kollisjoner som skal lagres for seinere analyse), samt utvikling av detektorelektronikk for tidsprojeksjonskammeret (TPC) og foton-spektrometeret (PHOS), samt simuleringer knyttet til dette arbeidet.

Veileder: Dieter Röhrich, Joakim Nystrand



Relativistisk tungionefysikk, teori. Teorien knyttet til kvark-gluon plasma og relatvistiske tungionekollisjoner belyses ved hjelp av ulike modeller. En oppgave kan knyttes til videreutvikling av disse modellene, eller sammenlikning av slike modeller med eksperimentelle resultater.

Veileder: Laszlo Csernai



Kjernestruktur, teori.

Teoretiske undersøkelser av kjernematerien kan utføres både ved lave og midlere energier. Ved lave energier benyttes modeller for enkeltpartikkel-bevegelser i et midlere potensial, som må studeres nærmere. I mellomenergi-området må en også ta hensyn til kollektive bevegelsesformer og termodynamiske frihetsgrader.

Veileder: Jan S. Vaagen


Vel møtt!!



Innholdet i denne presentasjonen er skrevet av Håvard Helstrup, senere redigert av Jens Ivar Jørdre, og igjen redigert av Håvard Helstrup.