Markus F. Preston
Comptonspridning från kol-12
En stor del av dagens forskning inom kärn- och partikelfysik behandlar de fyra fundamentala
naturkrafterna: den starka växelverkan, den svaga växelverkan, elektromagnetismen och
gravitationen. Den starka växelverkan beskrivs idag av teorin QCD (Quantum
ChromoDynamics, kvantkromodynamik), i vilken sex kvarkar växelverkar med hjälp av den
masslösa partikeln gluonen. Dessa partiklar utgör byggstenarna i bland annat protonen och
neutronen, två partiklar som tillsammans brukar kallas nukleoner. Nukleonerna utgör i sin tur
byggstenarna i atomkärnan, ett fysikaliskt system på femtometerskalan (1 femtometer =
0.000000000000001 meter).
Trots att QCD erbjuder en metod för att utföra beräkningar på system som påverkas av
den starka växelverkan, gör den starka växelverkans natur dessa beräkningar väldigt
tidskrävande. Detta gäller särskilt för system inom kärnfysiken, då dessa innehåller väldigt
många kvarkar som är bundna i nukleoner. Metoder håller på att utvecklas för att beskriva
sådana system (ett exempel är kiral effektiv fältteori, χEFT), och för att kontrollera dessa
modellers riktighet krävs kärnfysikaliska experiment.
MAX IV i Lund är den nationella elektronacceleratoranläggningen i Sverige.
Elektronerna, som accelereras upp till hastigheter nära ljusets, används i forskning inom
många olika områden. Ett av dessa är produktion av högenergetiska fotoner. Energin på dessa
fotoner är sådan (~100 MeV) att fotonerna lämpar sig utmärkt för experiment som kan
användas för att testa χEFT.
Under det senaste decenniet har ett experimentellt program genomförts på MAX IV med
syftet att bestämma neutronens polariserbarhet. Protonens och neutronens polariserbarhet är
kopplad till hur partiklarna inuti nukleonen — alltså partiklarna inom QCD — reagerar på ett
externt elektromagnetiskt fält. Nukleonens polariserbarhet är en naturkonstant som beror på
partikelns inre struktur, och som kan användas för att testa χEFT. Målet med experimenten på
MAX IV har varit att bestämma tvärsnittet1 för Comptonspridning — elastisk spridning av
fotoner — från deuterium. Deuterium är den lättaste atomkärnan innehållande en neutron, och
tvärsnittet för Comptonspridning är direkt relaterat till neutronens polariserbarhet.
Eftersom tvärsnittet för Comptonspridning från deuterium är mycket litet, krävs en
noggrann undersökning av huruvida analysmetoden som används är korrekt. Denna
undersökning görs genom att studera Comptonspridning från kol-12; en reaktion med
betydligt större tvärsnitt. I denna upp\-sats presenteras resultaten av en analys av sådana
mätningar genomförda på MAX IV. Under experimentet skickades en stråle av fotoner i
energiområdet 60-100 MeV mot ett stycke grafit, i vilket en liten andel av fotonerna sedan
genomgick den önskade reaktionen. Fotonerna som spridits elastiskt detekterades sedan med
stora fotondetektorer av natriumjodid-kristall.
Utöver att användas som en bekräftelse av analysmetoden, kan resultaten även användas
för att undersöka hur nukleonernas polariserbarhet påverkas då nukleonerna är bundna i en
atomkärna.
Handledare: Dr. Kevin G. Fissum
Examensarbete 60 hp i fysik 2014
Fysiska institutionen, Avdelningen för kärnfysik, Lunds universitet
1
. Tvärsnittet för en reaktion är ett mått på hur sannolik en reaktion är.
Examensarbete, Naturvetenskap, Lunds universitet
