Fundamenteel fysica onderzoek

De laatste decennia zijn verschillende ISOL- (Isotope Separation On-Line) faciliteiten gebouwd over de hele wereld met het aanvankelijk doel om onze fundamentele kennis over atoomkernen te versterken. Vanwege het succes van deze faciliteiten is de vraag naar radioactieve ionenbundels vele malen groter dan wat de bestaande faciliteiten kunnen aanbieden. Vele faciliteiten hebben de beschikbaarheid moeten beperken voor dergelijke experimenten.

Het ISOL-laboratorium binnen de Proton Target Facility van MYRRHA wil hierin verandering brengen. Het labo wil zich richten tot experimenten die lange perioden van ononderbroken radioactieve ionenbundels nodig hebben, wat in bestaande faciliteiten haast onmogelijk is. Dergelijke experimenten hebben voldoende tijd nodig om de benodigde nauwkeurigheid te behalen voor hun specifieke wetenschappelijke doelwitten.

De PTF zal tegelijk radio-isotopen voor medische doeleinden en isotopen voor onderzoek in fundamentele fysica produceren.

Een mogelijk experiment in de PTF kan in extreem fijn detail de straling bestuderen die uitgezonden wordt tijdens nucleair bètaverval, een proces dat onstabiele atomen gebruikt om stabiel te worden. Het doel van een dergelijk experiment is om meer inzicht te verwerven in zwakke wisselwerking, een van de vier fundamentele krachten in de natuur die verantwoordelijk is voor nucleair bètaverval.

De natuur bestaat uit vier kernkrachten: zwaartekracht, zwakke wisselwerking, elektromagnetische wisselwerking en sterke wisselwerking. Zwaartekracht die ons met beide voeten op de grond houdt) en elektromagnetische wisselwerking (bijvoorbeeld licht, elektriciteit, magnetisme) ervaren we elke dag. Sterke en zwakke wisselwerking of kernkracht kunnen we maar moeilijk waarnemen, omdat ze zich afspelen binnen de kern van een atoom. Deze vier natuurkrachten maken samen deel uit van het Standaardmodel, een theorie waarvan we weten dat hij onvolledig is. Het Standaardmodel geeft bijvoorbeeld geen verklaring voor donkere energie of waarom stof boven antistof staat in de

ruimte. Voldoende aanleiding voor wetenschappers om experimenteel bewijsmateriaal te vinden om de theorie verder aan te vullen. Krachtige deeltjesversnellers spelen een belangrijke rol bij het creëren van dit bewijsmateriaal, omdat onbekende fenomenen bij uitstek gegenereerd worden bij extreem hoog vermogen. Andere wetenschappers leggen zich erop toe om al bekende fenomenen in extreem detail verder te onderzoeken, in de hoop om kleine tegenstellingen met het Standaardmodel te ontdekken.

Een ander experiment kan bijvoorbeeld in fijn detail kijken naar neutronen (samen met protonen de kern van een atoom) die uitgezonden worden door kortlevende radio-isotopen in bètaverval. Deze zogenaamde bèta-vertraagde neutronen kunnen heel belangrijk zijn op verschillende gebieden. Op het niveau van fundamentele fysica spelen ze een rol bij de vorming van nieuwe elementen bij het ontploffen van sterren of supernova’s. Op een meer toegepast domein zijn ze cruciaal bij de controle van een kernreactor. De eigenschappen van deze neutronen (hun energie, stralingspatronen en waarschijnlijkheid waarmee ze zullen opduiken) zijn heel gevoelig aan de onderliggende structuur van de atoomkern. Dergelijke metingen kunnen bijdragen aan theoretische modellen die de atoomkern omschrijven als een ingewikkeld systeem in kwantummechanica.

Ook de fysica van gecondenseerde materie, die kijkt naar microscopische eigenschappen van materie, kan baat vinden bij radio-isotopen. In dergelijke experimenten wordt een radio-isotoop in een bepaalde materie ingebracht. De radioactieve kern zal dan op een bepaalde wijze in interactie komen met zijn onmiddellijke omgeving. Wanneer we de straling van deze radio-isotopen meten (gamma-straling of elektronen), kunnen we inlichting bekomen over de eigenschappen van de omgeving waarin de isotoop was ingebracht. Zo kunnen we bijzonder gedetailleerde en nauwkeurige materiaaleigenschappen vaststellen. Dergelijk onderzoek kan uitgevoerd worden op supergeleiders of materialen voor nieuwe semi-geleiders.