Nuclear Structure at the Limits: Isotope-selective Spectroscopy

The strategy of the research group is two-fold: firstly, we continue our internationally competitive and successful line of nuclear structure research by exploiting existing (European) stable and radioactive ion-beam facilities. Secondly, we develop and employ novel measuring techniques and thereby further optimize key instrumentation for the Facility for Antiproton and Ion Research (FAIR).

Where are the borderlines of nuclear existence? What are the heaviest elements that can exist in nature?

To tackle these fundamental questions, our research efforts aim at, for instance, fingerprinting and creating new superheavy elements with proton numbers in excess of Z=113, or self-conjugate nuclei and neighbouring isotopes along the proton dripline, primarily between doubly-magic 56Ni and 100Sn. The access key to the underlying nuclear structure is by high-resolution particle-gamma-ray coincidence spectroscopy, for which we seek and provide unique and world leading experimental solutions within international collaborations.

Our coordinated experimental programme addresses the validity of nuclear shell closures at the limits of nuclear existence, their impact on the creation of heavy elements, or isospin symmetry breaking of the strong force and the coupling to unbound or continuum states. All of these are tied to contemporary developments in nuclear theory and are incentives for the construction of new large-scale facilities as FAIR.

Vilka är de tyngsta grundämnen som kan finnas i naturen? Var på nuklidkartan går den gräns där atomkärnan blir så instabil att den i stort sett inte existerar längre? Finns det stabila grundämnen bortom uran, och var exakt på nuklidkartan?

För att få svar på dessa grundläggande frågor lämnar vi de stabila atomkärnorna och studerar exotiska atomkärnor så långt i utkanten av kärnlandskapet som möjligt. Förståelsen av dem är också av astrofysikaliskt intresse, då de är avgörande för processer som ledar till produktionen av tyngre element. För att studera exotiska atomkärnor i våra laboratorier måste vi först producera dem med hjälp av kärnreaktioner. Även för de mest gynnsamma reaktionerna är de mest interessanta atomkärnorna allra oftast de mest sällsynta. I dagens experimentuppställningar ingår därför först en "isotopseparator". Sedan kan man studera den utvalda atomkärnans egenskaper genom att mäta dess sönderfall med högeffektiva och högupplösande kärnspektroskopiinstrument.

Lundagruppens specialitet är just att utveckla och tillhandahålla unika lösningar för simultan mätning av partikel- och fotonsönderfall. Det hittills mest framstående exemplet är ett banbrytande experiment som genomfördes 2012 med en partikelaccelerator på GSI i Darmstadt. Där lyckades vi kollidera två atomkärnor som fusionerade och bildade en ny supertung atomkärna – 30 gånger på 6 triljoner försök! En radikalt förnyade och optimerade detektordesign kommer att förverkligas de närmaste åren med finansiering från Wallenbergstiftelsen (KAW 2015.0021, se detta forskningsprojekt).

Atomkärnor i närheten av de dubbelmagiska kärnorna 56Ni och 100Sn befinner sig på den protonrika sidan om stabilitetslinjen. De är nyckelkärnor för att bl.a. studera hur löst bundna protoner påverkar symmetriegenskaper som medföljer kärnor med samma protontal och neutrontal. Tillsammans med kollegor i Finland har ett helt nytt koncept prövats av oss under 2015 för att studera protonradioaktivitet; vi kopplade ihop en jonfälla med våran ovannämnda spekroskopiuppställning. En sådan kombination tillåter spektroskopi av sönderfallet av exakt ett och endast ett kvantmekaniskt tillstånd. Flera unika experiment är planerade under 2016 och framåt.

Den typ av utveckling av nya mätmetoder och mätinstrument är även relevant för framtida experiment vid FAIR (Facility for Antiproton and Ion Research), som är ett komplext acceleratorsystem som byggs just nu i Darmstadt. Ett av de huvudsakliga syftena med FAIR är att tillhandahålla accelererade radioaktiva jonstrålar av mycket kortlivade instabila atomkärnor med en intensitet avsevärt större än vad som är möjligt med dagens acceleratorer. Tyvärr är själva uppbyggnaden av FAIR rejält fördröjd, fast vårt detektorsystem LYCCA (Lund-York Cologne CAlorimeter) står redan klart. För att dra nytta av en av världens mest känsliga partikeldetektorer inom kärnstrukturforskningen håller vi på att bygga upp LYCCA i "full FAIR glory" vid acceleratorn i Köln, Tyskland, där det finns gott om stråltid för ett unikt fysikprogram kring protonrika kärnor.