Forskarvardag för en subatomär fysiker

Att beskriva vardagen för en subatomär fysiker är en omöjlig uppgift då den inte finns! En dag vilken som helst kan innebära att man gör så vitt skilda saker som att sitta nattskift vid en acceleratoranläggning någonstans i Europa, skriva artiklar för vetenskapliga tidskrifter där man redovisar sina senaste resultat, trassla med tullen för att få igenom detektorer från utlandet, köra utrustning i minibuss över halva kontinenten, undervisa i grundutbildningen på Chalmers eller Göteborgs Universitet, fixa biljetter inför nästa resa, kämpa med licentiat-/doktorsavhandling, testa detektorer i hemmalaboratoriet, förbereda föredrag, skriva förslag för nya experiment, göra dataanalys på arbetsstation, sitta på konferens,...

Det som skiljer vårt sätt att arbeta från många andra forskare är att vi inte kan slinka in i laboratoriet och göra experimenten samma eftermiddag om vi har fått en lysande ide under lunchen. Istället krävs vanligtvis åratal av förberedelser. Vi ska här visa hur det kan gå till och exemplifiera med två experiment som vi har gjort de senaste åren, ett vid CERN-ISOLDE i Genève, Schweiz och ett vid GANIL i Caen, Frankrike:

Björn Jonson Professor	Göran Nyman Biträdande Professor	Thomas Nilsson Forskarassistent, Teknologie Doktor
Martin Smedberg Forskarstuderande, Teknologie Licentiat	Karin Markenroth Forskarstuderande, Civilingenjör	Leif Axelsson Forskarstuderande, Filosofie Magister

Experimenten

Tidiga förberedelser:

Då man har en ide för ett nytt experiment så gäller det redan från början att tänka igenom noga vad man vill göra, vid vilken facilitet det passar bäst att göra det och vilken utrustning som behövs. I vissa fall kan vi bidra med de flesta detektorerna själva, i andra fall finns det vi behöver vid den aktuella acceleratoranläggningen. Man tar kontakt med kollaboratörer på andra universitet/institut (varierar för vår del mellan ca. 20 och 60 personer beroende på experiment) och ser till att ha en lokal kontakt på den facilitet man tänker göra experimentet. Diskussioner med teoretiker som är specialiserade på området görs ofta för att klargöra vad som är intressant att mäta.

Proposal:

Då planerna börjar ta fastare form så skriver man en proposal som är en sammanställning på ett tiotal sidor där man redovisar sitt experiment, hur mycket stråltid man begär, varför man vill genomföra experimentet och vilka fysikaliska resultat man förväntar sig. Denna skickas till faciliteten i god tid före ett så kallat programkommitté-möte.

Programkommitté:

Till programkommitté-mötet åker någon från gruppen för att hålla ett föredrag där experimentet presenteras ytterligare. PAC är vanligtvis en internationellt sammansatt expertgrupp inom kärnfysik som ska bedöma de olika experimentförslagen och rangordna dem efter hur intressant forskningen bedöms vara. Detta är viktigt, då den tillgängliga stråltiden vid internationella faciliteter är långt mindre än det som fysikerna begär.

Om vår proposal anses vara tillräckligt intressant för att få den begärda stråltiden (eller en del av den) så är det bara att fortsätta att förbereda sig, annars får man tänka över sitt föreslagna experiment ännu en gång, försöka förbättra det eller kanske försöka utföra det vid en annan accelerator.

Mera förberedelser:

Då experimentet är godkänt vidtar en intensiv fas med att verkligen skaffa fram den utrustning som man vill använda. Detektorer och experimentelektronik måste kanske köpas, men i många fall finns inte det man behöver att tillgå kommersiellt, så mycket måste byggas och nyutvecklas själv. Så mycket som möjligt av utrustningen måste testas innan experimentet, detta gör vi i vårt hemmalaboratorium i Göteborg.

Då experimentet närmar sig, åker vanligtvis någon eller några deltagare ur gruppen till den aktuella anläggningen några veckor eller någon månad i förväg för att tillsammans med de lokala kollaboratörerna bygga upp experimentet. Detta handlar dels om rent mekaniskt/fysiskt arbete där anläggningens strålrör ska passas ihop med experimentets vacuumkammare och att positionera detektorer, dels om att få in alla elektriska signaler från detektorerna i experimentelektroniken och datainsamlingssystemet.

Då själva stråltiden närmar sig kommer fler av gruppens medlemmar, och även andra kollaboratörer, till faciliteten. Om möjligt så försöker man redan före experimentet att kalibrera detektorerna med hjälp av radioaktiva preparat så att man känner energi- eller tidsskalan.

CERN-ISOLDE Den tidigare utvecklade gasfyllda detektorn hade inte använts på lång tid, så Göran och Thomas monterade upp den i Göteborg för att testa den och försöka optimera gastryck och elektrisk spänning. Neutrondetektorerna testades av Martin med ny elektronik för att behandla signalerna. Med hjälp av denna kunde man nu skilja mellan när en neutron eller en gammastråle träffade detektorn. Efter att testerna var gjorda, skickades utrustningen till CERN och Thomas och Göran åkte ner till ISOLDE under några dagar i augusti 1993 för att förbereda på plats. Björn var redan på CERN i andra ärenden. Tillsammans med kollegor från Århus sattes experimentelektroniken upp, och datainsamlingssystemet testades. Experimentet kunde emellertid inte anslutas till anläggningen eftersom det aktuella strålröret var upptaget av ett annat experiment. I slutet av september 1993 åkte Björn, Göran, Thomas och Martin till ISOLDE igen för att, tillsammans med de andra involverade fysikerna, sätta all utrustning på plats och påbörja experimentet.

GANIL Kammaren som skulle fyllas med gas blev färdigställd på institutionens verkstad, och testades i Göteborg av Leif och Karin. För att kunna testa under mer realistiska förhållanden fraktades den till en accelerator i Jyväskylä, Finland, där Leif och Karin tillsammans med en grupp fysiker från Åbo och Moskva kunde testa att metoden fungerade. Detta gjordes genom att skjuta in en 12C-stråle i kammaren som fylldes med heliumgas, och man studerade resonanserna i de resulterande 16O kärnorna. Kammaren fungerade bra, och metoden gav lovande resultat, sa allt verkade bra inför 11N-experimentet. Fortfarande fanns många detaljer att ordna, till exempel att bestämma vilken elektronikuppställning man skulle ha och att frakta kammare och detektorer till Frankrike. I slutet av mars 1996 åkte Leif och Karin till GANIL för att montera kammaren och annan utrustning som inte fanns på plats, till exempel ett system för att fylla gas i kammaren.

Stråltid:

När man då slutligen får en stråle av den radioaktiva nuklid man vill ha, så gäller det att snabbt kontrollera att alla detektorer fungerar tillfredsställande, så det krävs att man har en god monitorering av den mätdata som kommer in. Att finjustera experimentet kan ta allt från ett fåtal timmar till flera dagar. Då en accelerator är en dyrbar anläggning körs den dygnet runt, och ofta arbetar de fysiker som är direkt ansvariga för experimentets olika delar också i det närmaste dygnet runt tills allting fungerar.

Då man är övertygad om att allt fungerar tillfredsställande så låter man experimentet rulla på under kontinuerlig övervakning (deltagarna sitter skift) och samlar hela tiden mätdata på magnetband under några dagar, eventuellt med avbrott för byte av target eller stråle av en annan intressant nuklid.

Dataanalys och tolkning:

Ofta kan man redan under experimentet få en uppfattning om man har lyckats med sina intentioner, men för att få fram de slutliga resultaten krävs en grundlig dataanalys. Ett experiment kan generera flera tiotals Gigabyte rådata, där varje intressant händelse (exempelvis ett sönderfall eller en kärnreaktion) ger 10 - 1000 parametrar, alltså olika mätvärden från de detektorer som har använts, beroende på experimentets utseende. Med hjälp av speciellt utvecklad programvara från CERN kan man kombinera dessa parametrar till fysikaliska storheter som energi, rörelsemängd, massa, laddning etc. för varje enskild händelse. Man kan även se hur de fysikaliska storheterna är relaterade till varandra för varje händelse.

Dataanalysen kan i vissa fall ta flera år. Det krävs många "upptäcksfärder" i datamängden innan man kan vara säker på att det extraherade fysikaliska storheterna är helt korrekta.

De resultat man slutligen får fram kan behöva en teoretisk tolkning i samarbete med avdelningens teoretiker.

Informationsspridning och publicering:

Då man har avslutat analysen så gäller det att tala om för omvärlden vad man har gjort, vilket kanske först sker genom att man visar resultaten under ett föredrag på någon konferens. Här kan man ofta få konstruktiv kritik angående experimentets utförande, analys och uttolkning av data.

Slutligen sammaställer man arbetet i en eller flera artiklar i internationella facktidskrifter, i vårt fall rör det sig om publikationer som exempelvis Physical Review Letters, Physical Review C eller Nuclear Physics A. Innan dessa publicerar artikeln så sänds den till en eller flera referees, erkända experter inom det aktuella området, som bedömer om det utförda arbetet håller tillräckligt hög vetenskaplig standard för att kunna publiceras.

Ofta ingår sedan artikeln i en licentiat- eller doktorsavhandling, som någon av gruppens forskarstuderande skriver ihop för att få motsvarande examen.