En löparbana för partiklar i vakuum

Ljudet i Desirees experimenthall är mycket påträngande, så vi måste höja våra röster för att kunna samtala. Kryopumparna låter rytmiskt, nästan dansant, men med ett lite obehagligt gnissel i diskanten. Pumparna fungerar ungefär som kompressorn i ett kylskåp, men oerhört mycket kraftfullare, och med flytande helium som kylmedium.

Desiree står för Double electrostatic ion ring experiment. Hallen domi­neras av en stor grå låda som gömmer två utsträckta löparbanor för partiklar, som kallas ”ringar” trots att de inte är runda. Inuti det dubbla höljet är det -260 grader Celsius och lufttomt.

– Vårt vakuum därinne motsvarar att en molekyl kan åka några varv runt jorden innan den stöter på en annan molekyl, säger doktoranden Moa Kristians­son, som gör sina experiment här.

Det är viktigt att ha så få störande luftmolekyler som möjligt, som kan komma i vägen för partiklarna som sveper fram här inne. Atomer eller mole­kyler som ska undersökas får först en elektrisk laddning så att de blir positiva eller negativa joner. Laddade partiklar kan nämligen styras med elektriska fält och ledas runt i ringarna. Där hålls de kvar i varv på varv, medan forskarna undersöker dem.

Senast har hon gjort en mätning av hur hårt den extra elektronen sitter fast på negativa syrejoner. Hur hårt elektronerna sitter är avgörande för kemiska bindningar. En sak som gör det svårare att mäta bindningens styrka är att elektronerna ibland kan ha tagit upp lite extra energi och därför sitter lösare. Hon vill mäta bindningsenergin när de har så lite energi som möjligt. Först måste då alla elektroner med extra energi rensas bort, och det tar uppemot en halv minut.

Till skillnad från i stora partikel­acceleratorer där det gäller att ge partiklarna extremt hög fart rör sig jonerna här relativt lugnt – men farten är ändå tusentals kilometer i sekunden. Det rör sig om någon procent av ljusets hastighet, så det blir många varv på en halv minut och det gäller att inte tappa bort för många av jonerna.

En annan skillnad mot partikel­fysikens experiment är att Desiree i stället för att krocka partiklar mot varandra kan föra samman joner helt varsamt, med låg hastighet, så att de kan reagera med varandra med minsta möjliga energi. På så vis går det att återskapa vissa reaktioner som är viktiga ute i rymden, i stjärnatmosfärer och i molekylmolnen mellan stjärnorna.

– I samarbete med astronomer från Uppsala universitet har vi gjort experiment som är viktiga för att tolka spektrumen från stjärnatmosfärer, berättar Henning Schmidt, som är professor på avdelningen för atomfysik vid Stockholms universitet.

I experimenten lät de negativa väte­joner möta positiva metalljoner av olika slag. När en positiv och en negativ jon möts kan elektronen hoppa över så att två neutrala atomer bildas. I processen blir det lite energi över som blir till rörelseenergi hos atomerna. Genom att mäta den här energin kan forskarna se vilka kvanttillstånd som bildas. Den informationen kan i sin tur användas för att förstå vilka olika grundämnen som finns i stjärnatmosfärer och hur mycket som finns av varje ämne.

I forskargruppen finns ännu en professor som heter Henning: Henning Zettergren. Han gör en annan typ av experiment som astronomer är intresserade av. De går ut på att undersöka stora molekyler som kallas aromatiska kolväten, som kan vara mycket vanliga i rymden. Molekylerna får kollidera med helium för att simulera vad som händer med dem i chockvågen efter en supernova. Molekylerna kan skadas genom att en atom slås bort, och frågan är om fragmenten då lever vidare eller faller sönder i mindre delar.

– Fragmenten är väldigt reaktiva. Om de överlever och sedan träffar på en annan molekyl efter tusen år eller så, då bildar de bindningar som skapar större strukturer. Det här är en viktig pusselbit för att förstå kemin ute i rymden, säger Henning Zettergren.

Sedan 2018 har Desiree status som nationellt laboratorium. Forskare som vill göra försök här får skicka in en ansökan som utvärderas av gruppen som har hand om laboratoriet, med hjälp av en internationell expertpanel.

– Detta gäller också oss själva, säger Henning Schmidt.

Han är själv handledare till Moa Kristiansson, och vill förstås att hon ska få experimenttid för att göra sina mätningar. Men hon måste skriva en ansökan hon också, som ska utvärderas på samma sätt som alla andra som vill använda anläggningen.

Desiree är en väldigt speciell maskin, och för att utvärdera ansökningar behöver de veta vad som är möjligt att göra och hur. När Desiree först började testas och tas i bruk 2013 visste forskarna visserligen vad de ville använda den till, men fick börja pröva sig fram till hur den skulle hanteras. Nu har de samlat på sig erfarenhet, och samtidigt många nya idéer om experiment som ingen hade tänkt på tidigare.