Femtovetenskap: Nucleonens elektromagnetiska struktur

Stefan Leupold. Foto: Camilla Thulin.

Vetenskapsrådet fattade den 31 oktober 2019 beslut om projektbidrag och etableringsbidrag inom naturvetenskap och teknikvetenskap. Institutionen för fysik och astronomi tilldelas 40 840 000 SEK för perioden 2020-2023 för totalt nio projektbidrag och tre etableringsbidrag. Projekten kommer att inledas under 2020.

Projektbeskrivning

Projekttitel: Femtovetenskap: Nucleonens elektromagnetiska struktur
Huvudsökande: Stefan Leupold, avdelningen för kärnfysik
Beviljade medel: 3 525 000 SEK för perioden 2020-2023
Finansiär: Projektbidrag från Vetenskapsrådet

Vi vet sedan länge att protonen är uppbyggd av kvarkar. Finns det någon anledning att undersöka detta ytterligare? Ja, det gör det! Vi kan likna detta med när Columbus och hans besättning landsteg i Amerika. Eftersom Amerikas existens var helt okänd för européerna innan 1492, var detta en makalös upptäckt. Idag skulle emellertid få européer nöja sig med informationen ”Du befinner dig på den amerikanska kontinenten” i sina GPS-mottagare när de besöker Amerika – de vill ha betydligt bättre precision än så. Och varför inte kräva motsvarande precision när det gäller protonen? Tidigare har vi nöjt oss med att beskriva protonens inre struktur med hjälp av modeller. Dessa hjälper till att få en bild av hur protonen ser ut, men duger inte till att förutsäga protonens egenskaper kvantitativt. Vi vill gå från att ställa den lite svävande frågan ”Förstår vi protonens struktur?” till den mer konkreta ”Hur väl förstår vi protonens struktur?”

Till detta behövs teoretiska verktyg – verktyg som blivit tillgängliga först nyligen. Nu är alltså precis rätt tidpunkt att söka svar på ovanstående fråga. Ett sätt att undersöka ett objekts inre sammansättning är att flytta delarna. Inom fysiken säger man att man exciterar objektet. Till exempel kan man krocka elektroner med protoner så att en resonans – en exciterad proton – bildas. Övergångar från protoner till resonanser studeras till exempel vid acceleratoranläggningen JLab i USA. En resonans kan även sönderfalla till en proton genom att sända ut en elektron och en positron. Sådana övergångar kommer att studeras vid det framtida PANDA-experimentet i Tyskland. Om man har en fungerande teori kan man, utifrån mätdata från resonansbildning i elektron-protonkrockar, göra förutsägelser om resonanssönderfall. Syftet med detta projekt är att göra sådana förutsägelser genom teoretiska beräkningar. Den gemensamma nämnaren för resonansbildning och -sönderfall är så kallade övergångsformfaktorer. En formfaktor är ett mått på avvikelsen från punktformighet och berättar om objektets sammansättning. Processerna i detta projekt sker delvis genom elektromagnetisk växelverkan. Denna lämpar sig mycket väl för den här typen av studier eftersom vi har en närapå exakt förståelse av den. Det gör att man kan fokusera på den del man vill undersöka, nämligen protonens struktur.

Resultaten i detta projekt har stor betydelse för lösningen till andra gåtor inom modern fysik:
a) Varför det uppmätta värdet av protonens storlek blir olika beroende på om man mäter vanliga väteatomer,
eller väte där elektronen bytts ut mot sitt 200 gånger tyngre ”syskon”, myonen.
b) Hur sammansättningen ser ut för protonens syskon, hyperonerna, som innehåller en eller flera särkvarkar istället för de upp- eller nerkvarkar som protonen består av.
c) Hur vi kan tolka egenskaperna hos kvark-gluon-plasma med hjälp av elektromagnetiska signaler.
d) Hur de gåtfulla neutrinerna samverkar med materien, vilket i förlängningen ger ledtrådar om neutrinons grundläggande egenskaper.
Projektet kommer hjälpa svenska forskare att nå en internationell topposition inom forskning om materiens struktur på femtometerskalan och därmed ge ett viktigt bidrag till femtovetenskapen.