Etter at modellen – som brukes for å måle massen til protoner og nøytroner – er blitt brukt av astrofysikere i nesten 50 år, oppdaget Tomas Brauner og medforskere at to ledd i modellens ligning manglet.
Bedre simuleringer av store astrofysiske objekter som supernovaeksplosjoner kan bli resultatet av forskningsarbeid ved UiS og NTNU. Arbeidet gir også håp om å få vite mer om hvordan atomkjerner oppfører seg i nøytronstjerner.
Arbeidet som ble presentert i desember 2015 har Tomas Brauner ved ved UiS gjort sammen med professor Jens Oluf Andersen og William Naylor ved NTNU. Fysikkmiljøet ved Universitetet i Stavanger har flere forskningssamarbeid med NTNU.
Ekstreme tilstander
Tomas Brauners emne i den teoretiske fysikken er materie under ekstreme forhold. Han ber oss tenke på sola som har en overflatetemperatur på noen få tusen grader. Det er langt fra hva disse forskerne kaller ekstremt.
– Det vi kaller ekstremt, er milliarder høyere enn det, både når det gjelder temperatur og massetetthet, sier Brauner.
De fleste har fått med seg at et atom består av en kjerne med protoner og nøytroner, og elektroner som går rundt kjernen. Hvis du tenker deg et atom på størrelsen med en fotballbane som er rundt 100 meter lang, så vil kjernen være på størrelse med hodet av en nål, altså rundt én millimeter. Men selv om kjernen i et atom er ekstrem liten, så er nesten hele atomets masse samlet i kjernen, og resten – hele fotballbanen – er grunnleggende tom for masse.
Det Brauner og kollegene blant annet arbeider med er å se for seg at atomkjernene klemmes sammen slik at atomkjernene kommer nær hverandre. Når du klemmer dem sammen blir distansen hundre tusen ganger mindre enn det som er normalt inni atomet. Men det er ikke lett, for elektronene – med sine negative ladninger – vil frastøte hverandre. Et ekstremt trykk må til for å få dette til, forklarer Brauner.
I nøytronstjerner er det gravitasjonstiltrekningen som sørger for trykket. Vår sol har en radius på cirka 700 000 km. Ta all den massen og klem den sammen til en radius av 10 km.
– Da snakker vi om ekstrem massetetthet. Gravitasjonskraften øker veldig fort når ting kommer nær hverandre. Dette ekstreme trykket klemmer materien sammen, og holdes sammen av enorme gravitasjonskrefter, sier Tomas Brauner.
Nå nærmer vi oss kjernen i det som er hans og kollegers bidrag til astrofysikken. Nøytronstjerner og svarte hull forårsakes av supernovaeksplosjoner. En slik eksplosjon er resultatet av at stjerner brenner ut alt drivstoffet sitt og kollapser. Astrofysikerne vet alt om gravitasjonstiltrekningen og hvordan materien oppfører seg i for eksempel nøytronstjerner, men de trenger innspill om hva som skjer med kjernene inni atomene, og det er her vi kommer inn med resultater fra den mikroskopiske fysikken.
– Vi kan blant annet regne på – og si noe om – trykket, som motvirker – eller prøver å motstå – sammenpressingen, forklarer Tomas Brauner.
Det er funnet fire grunnleggende krefter som arbeider i universet; gravitasjon og elektromagnetisme, og den sterke og den svake kjernekraften, som handler om på hvilket nivå atomkjerner samhandler med hverandre.
Komplekse utregninger
Den sterke kjernekraften er den vi skal snakke om her. På engelsk heter det Quantum Chromodynamics, ofte forkortet QCD, på norsk kvantekromodynamikken. Forutsigelsene om teorien kom tidlig på 1970-tallet av David Politzer, Frank Wilczek og David Gross, og i 2004 ble de hedret med nobelprisen i fysikk.
– I over 40 år har vi vært ganske sikre på – og tror veldig bestemt – at QCD er den riktige teorien for hva som skjer når atomkjerner samhandler, men det er ekstremt vanskelig å gjøre beregninger utfra teorien. Det er bare datasimuleringer i stor skala som er i stand til det, sier Brauner.
Og her kommer utfordringene. De betingelsene som er interessante for Brauner og hans kolleger er veldig høy massetetthet og veldig mye sammentrykt materie. Akkurat nå er dette rett og slett for komplekst å regne på. Beregningene ville ha måttet surre og gå i årevis, og når du ligger der i kista og familien sørger over dette talentet i teoretisk fysikk, så holder datamaskinene fortsatt på.
Omtrentlige modeller
Situasjonen er altså at du har en teori som er rett, men som er ubrukelig å foreta simuleringer utfra. Omveien har vært å bruke enklere modeller. Da blir resultatene mer omtrentlige, men Brauner er i alle fall i stand til å utføre beregninger med pc-en han har stående på kontoret. Oppgaven har vært å forstå forholdet mellom den presise teorien og den litt mer omtrentlige modellen som kan brukes til å gjøre beregninger.
Modellen de har brukt er den såkalte NJL-modellen; i fullformat Nambu-Jona-Lasinio-modellen, oppkalt etter den japansk-amerikanske fysikeren Yoichiro Nambu (nobelprisvinner i 2008) og italieneren Giovanni Jona-Lasinio. Modellen har vært i bruk i snart 50 år, blant annet for å måle massen til partikler som protoner og nøytroner. De siste 20 årene er den også blitt brukt parallelt med numeriske simuleringer av kjernefysisk materiale.
En veldig populær modell, altså – derfor var det overraskende det som møtte Tomas Brauner og hans kolleger da de undersøkte forholdet mellom nettopp teori og modell.
Missing link
Utgangspunktet når du lager en modell av en teori, er at symmetrien må stemme. Dette er det styrende prinsippet i moderne fysikk. I den mikroskopiske verden innebærer det at partikler for eksempel har like egenskaper. Detaljene kan gjerne være omtrentlige når du konstruerer en modell av en teori, men symmetrien må alltid være der, som et startpunkt. Her kommer vi til det første funnet i arbeidet til Brauner og kolleger. Det var noe som ikke stemte med ligningene som ble brukt i modellen.
– To ledd i ligningen manglet. Folk prøver å gjøre ting enkelt, så de overså dem simpelthen, sier Brauner.
Nøyaktige simuleringer
De brukte ikke teorien om QCD for å finne disse manglene i bruken av NJL-modellen, men en lignende teori, der det allerede er produsert resultater av store simuleringer. Forutsigelsene i NJL-modellen ble sammenlignet med disse resultatene.
Han tror oppdagelsen vil være nyttig for andre.
– NJL-modellen brukes til å lage forutsigelser som astrofysikerne trenger i sitt arbeid. Nå har vi vist at for å få nøyaktige forutsigelser, så må noe legges til modellene. Resultatene, og inndataene vi dermed kan levere til astrofysikerne, bidrar til at de astrofysiske simuleringene blir mer nøyaktige, sier Brauner.
Kvarksuppe
Arbeidet til Brauner og kolleger resulterte også i et annet hovedfunn, og da tar vi turen innom kvarkene. Hvert proton og hvert nøytron i en atomkjerne inneholder tre kvarker hver. Under normale omstendigheter er det ikke mulig å observere disse kvarkene individuelt, du kan ikke isolere dem i eksperimenter og de opptrer heller aldri isolert i naturen.
Men hva skjer med disse klyngene av kvarker når du varmer materie opp til veldig høye temperaturer? Da smelter kvarkene og oppløses, slik at det blir en slags kvarksuppe. Dette kalles kvark-gluon-plasma – forkortet til QGP på engelsk. I juni i fjor klarte fysikere å produsere kvark-gluon-plasma ved partikkelakseleratoren Large Hadron Collider i CERN.
Denne kvarksuppa består altså av kvarker som nå er blitt frie, og gluoner (som er den partikkelen som binder sammen kvarker til blant annet protoner og nøytroner). En tenker seg at noen få mikrosekunder etter Big Bang, også kjent som kvarkepoken, så eksisterte universet i en slik kvark-gluon-plasma-tilstand.
Kvarkene i nøytronstjerner
Vi vet altså at kvarkene blir frie når kjernene smeltes til plasma, men det vi ikke vet er strukturen på materie med så høy massetetthet som i nøytronstjerner. Blir kvarkene satt fri når kjernene utsettes for ekstremt høyt trykk, eller forblir de innelukket i kjernene? lurer Brauner.
Han mener at en løsning på denne gåten, som folk har forsøkt å forstå siden 1970-tallet, ikke bare vil ha en enorm påvirkning på astrofysikken, men også vil utdype vår forståelse av hva som foregår i atomkjernen.
Det forskerfellesskapet har funnet ut ved å bruke datasimuleringer fra andre teorier som inndata, er hvordan NJL-modellen kan brukes til nøyaktig å beskrive egenskapene til materie under astrofysiske forhold. De viser i forskningsartikkelen hvordan modellen må settes opp for å reprodusere resultatet. Resultatene vil føre til mer nøyaktige beskrivelser av kjernematerien i nøytronstjerner, noe som har en direkte relevans for astrofysikken. Data fra slike modellberegninger brukes for eksempel som inndata i simuleringer av supernovaeksplosjoner.
Da forskningsartikkelen ble presentert i Physical Review D i desember 2015, ble det fremhevet som redaktørens forslag, en heder som blir tilkjent kun én til to prosent av bidragene i tidsskriftet.
Referanse: Andersen, Jens Oluf; Brauner, Tomas; Naylor, William (2015). Confronting effective models for deconfinement in dense quark matter with lattice data. Publisert 15. desember 2015 i Physical Review D.
Tekst: Elisabeth Hovland