Ja, det lurer jeg innimellom på. Hva gjør (atom)kjerner inni stjerner. Særlig stjerner som er døende. Mye spennende skjer helt på slutten av en stjernes levetid. Mange atomkjerner i slike stjerner vil være radioaktive isotoper vi må lage på en lab for å studere her på jorda. I fjor gjorde vi et spennende forsøk på ISOLDE, et av flere eksperimenter på CERN, for å lære mer om nikkel-67. Tre av mine kollegaer har skrevet litt om forsøket i nyhetsbrevet til ISOLDE. Bidraget finner du på side 30-31 i siste utgave av ISOLDEs nyhetsbrev.
Her kommer et forsøk på å forklare på norsk hva eksperimentet gikk ut på og hvordan forsøk på ISOLDE foregår.
Isotoper (av grunnstoffer) kan grovt sett deles inn i to grupper. I den ene gruppen har du de stabile isotopene. Disse vil ikke forandre seg til andre isotoper spontant og det er denne typen atomer vi for det meste møter på i hverdagen. Du og jeg er stort sett laget av slike isotoper. Den andre gruppen er derimot den største gruppen. Det er isotoper som lever kortere eller lengre tid før de disintegrerer eller betahenfaller. Noen slike radioaktive isotoper finnes naturlig på jorda. De fleste må vi lage på et laboratorium hvis vi vil studere dem. Hvorfor bry seg om slike isotoper som må lages kunstig? Jo, for ute i stjernene vet vi at mange av disse isotopene blir laget. For å forstå isotopene vi har på jorda trenger vi også å forstå disse kortlivde isotopene. Nikkel-67 har en halveringstid på 21 sekunder. Den er ferskvare med andre ord. Vil du studere denne isotopen må du lage den der du skal undersøke den. Denne isotopen er også viktig for å forstå hvordan grunnstoffer tyngre enn jern lages i stjerner.
Vi ønsker å finne ut hvilke energier av gammastråling atomkjerner av nikkel-67 helst sender ut når de kjøler seg ned. Samtidig vil vi også undersøke hvor tett energinivåene ligger. For å finne ut dette må vi varme opp kjernen. Vi tilfører atomkjernen energi ved å skyte den mot lettere atomkjerner. I dette tilfellet laget vi først en annen isotop, nikkel-66. Så akselererte vi den og så sendte vi disse radioaktive atomkjernene mot en plastfolie med deuterium i. Deuterium er hydrogen isotopen som er laget av ett proton og ett nøytron. Mesteparten av gangene nikkelkjerner treffer plastfolien går de bare tvers igjennom. Atomer er for det meste tomrom. Men noen ganger skjer kollisjoner. Da kan du få elastisk spredning, eller kjernen kan plukke opp et nøytron (eller kanskje gi fra seg ett). Vi satte sammen et eksperiment hvor vi kunne velge ut de hendelsene som tilsvarer at nikkel-66 plukker opp ett nøytron fra plastfolien og blir til 67-nikkel. Oppsettet forteller oss hvor mye energi atomkjernen vi ser på har tatt til seg. I tillegg hadde vi måleutstyr for å måle gammastrålingen atomkjerner sender ut når de kjøler seg ned. Gammastråling er i prinsippet det samme som lys, altså fotoner, men bølgelengden er så kort at ingen øyner kan se den. Informasjonen vi får ut fra analysen vil både fortelle oss (noe om) hvordan nikkel-67 er bygget opp og hvordan slike kjerner oppfører seg når du varmer dem opp til ekstreme temperaturer. Kunnskapen kan vi bruke for å lære om hva som skjer med kjerner i stjerner.
Så, hvordan lager vi de radioaktive isotopene vi trenger for forsøkene våre? På ISOLDE på CERN bruker vi de samme protonstrålene som mater den gigantiske LHC-akseleratoren til å produsere radioaktive isotoper. Protonstrålen smadrer atomkjerner i et stykke materiale(target) som er designet slik at det slipper ut de radioaktive isotopene du er interessert i. Vi brukte urankarbid. Men siden vi ville gjøre eksperimenter som krever at atomkjernene beveger seg raskt (for da kan vi indusere reaksjoner) må vi akselerere dem. Til det bruker vi elektriske felt. Dermed kan ikke nøytrale nikkelatomer brukes. Vi må ionisere. Vi fjernet elektroner fra nikkelatomer ved å bestråle nikkel med laserlys. Laserlysets bølgelengder var valgt slik at vi bare ioniserte nikkel, ikke andre grunnstoffer. Når protonene smasher urankjerner får du en skikkelig cocktail av grunnstoffer og forskjellige isotoper. Vi ville bare ha tak i nikkel, ikke alt annet.
Etterpå brukte vi en masseseparator til velge ut bare nikkel-66. Nikkelisotoper som veier mer eller mindre enn nikkel-66 blir stanset. Til slutt blir nikkelisotopene akselerert opp til noen prosent av lysets hastighet. Den nye akseleratoren heter HIE-ISOLDE og ble klar for eksperimenter i 2016.
Det er mye jobb med et slikt forsøk. Et helt team arbeidet i flere uker for å sette opp utstyret og gjøre alt klart. Mange brukte mye tid på å planlegge i forkant av det igjen. Selve forsøket hold på i nesten to uker. Dag og natt. Minst to stykker måtte sitte og passe på til en hver tid. I tillegg hadde en rekke teknikere tilkallingsvakt utenom ordinær arbeidstid. Alle som arbeider med analysen føler et stort ansvar for å gi valuta for pengene (og tiden)!