Att se till att inte vem som helst sätter igång att klyva atomkärnor

Jag har temporärt blivit inlockad i forskarvärlden igen, och sysslar med en mindre del inom ett projekt för kärnämneskontroll. Det handlar alltså inte om kärnämnen som i viktiga ämnen i skolan, utan om kärnämne – klyvbart material som man också säger. Med andra ord uran, plutonium och torium, ämnen som har isotoper som skulle kunna skiljas ut och användas till vapentillverkning. Det finns mängder med regler som styr hur sådant material får användas, många av dem för att se till att inget av det ska komma på avvägar och hamna i orätta händer.

Kärnämneskontroll har funnits i princip lika länge som den fredliga användningen av kärnteknik, men det tog ett tag innan den nuvarande strukturen för kontroll var på plats.

Efter andra världskriget var världen skräckslagen av det fruktansvärda nya vapen som hade tagits i bruk. Samtidigt såg många den stora potentialen för fredlig användning av kärnteknik. En stor PR-apparat drogs också igång för att göra allmänheten mindre avogt inställd och för att förklara vad mänskligheten kan ha för nytta av atomkärnan. 1953 talade president Eisenhower för FNs generalförsamling, och redogjorde för sina ideer om ”Atoms for Peace”. I den andan lades sedan grunden för det internationella atomenergiorganet IAEA, som formellt bildades 1957.

IAEA har uppgiften att övervaka användningen av kärnkraft och relaterad teknologi, för att se till att regler och avtal efterlevs. Det är IAEA som skickar ut inspektörer för att kontrollera kärnanläggningar, till exempel. Dessutom, vilket kanske är mindre känt, har organet faktiskt i uppgift att förespråka den fredliga användningen av kärnteknik och att stötta nya länder att använda sådana tekniker.

ESARDA som höll symposium förra veckan har funnits sedan 1969. ESARDA samordnar organisationer i europa som sysslar med forskning och utveckling inom kärnämneskontroll, som svenska SSM (Strålsäkerhetsmyndigheten).

Jag var alltså där, och under den veckan har jag fått höra mer än jag nog orkat ta till mig, om olika metoder och arbetssätt för att ha kontroll på vad folk har för sig inom det här området. En hel del av det här med kärnämneskontroll är förstås frågor om policy och diplomati, och även utbildning, men väldigt mycket är tekniska frågor om verifikation och sådant. Det var ganska häftigt att höra om hur satellitbilder används för att upptäcka vilka anläggningar som är i bruk och ifall de används på det sätt som har rapporterats till IAEA. Jag lyssnade också på visioner om nya typer av kontroll, och min favorit där var en neutrinodetektor för att kontrollera användningen av en reaktor utan att behöva titta inuti. (Neutriner är fina grejer.) ”Nuclear forensics” var för mig en helt ny term, och det handlar bland annat om sådant som att spåra varifrån material kommer.

Mycket av det som diskuterades på symposiet handlar om de planerade slutförvaren: att försäkra sig om att allt material som ska hamna där faktiskt gör det och att inget kan avledas på vägen eller plockas ut igen. Det jag jobbar med hör hemma här. Det är ett IAEA-projekt som finansieras av bland annat SSM, och där vi på Uppsala universitet gör vissa delar och folk i USA bidrar med andra pusselbitar. Vi ska utveckla en teknik för att kontrollera att alla bränslestavar finns på plats i ett bränsleelement som använts i ett kärnkraftverk, utan att behöva ta isär det. Helst ska det gå snabbt, och så automatiskt som möjligt. Principen är att mäta gammastrålningen från bränslet, och använda det för att skapa en bild av bränslet i genomskärning. Märk väl: mitt bidrag är en pytteliten del i det hela, och jag har inte varit med länge nog för att vara någon expert.

Det är omöjligt att ägna en vecka åt det här utan att fundera på hur det här fungerar globalt. Jag har blivit övertygad om att det är ruskigt svårt att ha ett kärnvapenprogram utan att bli upptäckt, även om Israel är så hemlighetsfulla som det går. Däremot slog det mig som absurdt att vi har sån minutiös kontroll på varenda liten bit uran som flyttas hit eller dit, samtidigt som den militära användningen inom kärnvapenstaterna står helt utanför IAEAs kontroll. Militären har egna säkerhetssystem, men bara det faktum att de faktiskt bygger och handskas med kärnvapen gör att jag känner mig mindre säker.

Händelsevis lade Max Tegmark ut en artikel om Nuclear War from a Cosmic Perspective helt nyligen, och jag länkar till den som en liten coda till detta inlägg trots att jag inte tagit mig för att läsa den själv ännu. De roligare aspekterna av kärnklyvning (det finns såna också) får jag återkomma till vid ett senare tillfälle.

Publicerat i Forskarvärlden, Kärnfysik | 1 kommentar

Vi kan ju tyvärr inte härleda det periodiska systemet från Schrödingerekvationen

Max Tegmark lyckades synas och höras mest överallt förra året när hans bok Vårt matematiska universum kom ut. Det finns väldigt mycket i den här boken som jag känner att jag skulle vilja diskutera vidare. En sak jag precis just nu har hakat upp mig på är den oerhört lättvindiga beskrivningen av hur världen hänger ihop och hur mycket av den som vi kan härleda från några grundläggande principer. Särskilt får jag intrycket av att Schrödingerekvationen är ett rent magiskt verktyg som verkligen kan användas för att räkna ut allt som finns.

Till exempel detta, från kapitel 10, som faktiskt gör mig rätt irriterad när jag tänker på det:

Om man till exempel löser Schrödingerekvationen för fem eller färre kvarkar visar det sig att de bara kan ordnas på två relativt stabila sätt: antingen som en klump med två uppkvarkar och en nerkvark eller som en klump med två nerkvarkar och en uppkvark. Vi människor har lagt till bagage genom att av praktiska skäl kalla dessa klumpar ”protoner” respektive ”neutroner”. Om man tillämpar Schrödingerekvationen på klumparna visar det sig att det bara finns 257 stabila sätt som de kan sättas samman på.

De här stabila klumparna är alltså atomkärnor (och jag undrar verkligen över antalet 257). Sedan går Tegmark vidare med att påstå att det med Schrödingerekvationen går att beräkna alla de sätt på vilka atomer kan grupperas till större objekt. Det stämmer väl på sätt och vis, men samtidigt har Tegmark lämnat bakom sig alla rimliga skildringar av vad den här ekvationen duger till. Om det gick så lätt att härleda alla hyggligt stabila isotoper undrar jag varför jag aldrig hört talas om detta genom min långa fysikutbildning. Jag har glömt nästan all kärnfysik, men så mycket minns jag att jag vet att atomkärnor är komplicerade.

Sanningen är väl att den som börjar plugga fysik och förväntar sig att få lära sig att härleda det periodiska systemet helt från grundläggande partiklar och några enkla principer blir besviken. Ingen av de grundläggande kurserna i kvantmekanik eller partikelfysik på universitetet innehåller heller den där lösningen av Schrödingerekvationen som ger protonen. Det hade annars varit häftigt.

Att kärnfysik är krångligare än det verkar när Max Tegmark pratar om att lösa Schrödingerekvationen beror bland annat på att allting blir så gruvligt komplicerat så fort fler än två partiklar blir involverade. En av de krångliga sakerna är att beskriva potentialen, alltså i princip hur de här partiklarna påverkar varandra. Det görs med en kombination av rimliga antaganden (sfäriska kor, någon?) och kunskap från empiriska mätningar.

Det är en hel del empirisk kunskap som måste petas in i hanteringen, även för det enklaste fallet med bara två nukleoner, men särskilt för tyngre atomkärnor. Det finns lite olika modeller för uppbyggnaden av atomkärnor, som är olika tillämpbara för olika kärnor och beroende på vad man vill beräkna. Är de mer som lökar, ordnade i skal, eller är de mer som vätskedroppar? Både och, och det beror på.

Om du vill kolla lite hur det ser ut på nybörjarnivå finns till exempel de här föreläsningsanteckningarna från en kurs på MIT där det går att se hur lösningen av Schrödingerekvationen för en deuteron (en proton och en neutron) går till. Detta är alltså ett av de riktigt enkla fallen, där det går att lösa ekvationen analytiskt. Lösningen ger energin för det bundna tillståndet, men det krävs förstås rimliga antaganden om potentialen och dess radie, som fås empiriskt och inte härleds från några grundläggande principer.

Nån som är mer uppdaterad än jag på det här med exakt hur krångligt det är att modellera atomkärnor får gärna lägga till sina tankar i kommentarsfältet.

Murray Gell-Mann (han med kvarkarna) har faktiskt skrivit en populärvetenskaplig bok om ”det enkla och det komplexa” som heter Kvarken och jaguaren. Det var länge sedan jag läste den, men jag plockade fram den ur hyllan nu för att se om där står något om det här med att gå från kvarkar till atomkärnor. Det gör det inte, men han diskuterar förhållandet mellan kemin och den grundlägande fysiken för elektronen. Det är samma sak där: kemin kan visserligen i princip härledas ur fysiken för de ingående partiklarna men i praktiken är det inte så enkelt. För att göra kemi behövs nämligen mer information om de olika förutsättningarna som gäller, speciell information, som inte är likadan överallt. Detta är något som Tegmark bara hoppar över, och får allt att se en aning för enkelt ut. Sedan diskuterar Gell-Mann det här med att bygga broar eller trappor mellan olika komplexitetsnivåer, för att vetenskaperna hänger ihop, vilket är en väldigt intressant sak att fundera på.

Det gäller att komma ihåg det där med komplexitet, och inte tro att hela verkligheten kan betvingas genom att vifta med Schrödingers ekvation, tänker jag.

Jag borde kanske läsa om Kvarken och jaguaren, för när jag nu bläddrar lite ser den väldigt intressant ut. Men jag ska väl läsa ut Vårt matematiska universum först, som är en helt annan sorts bok.

(När jag höll på och funderade på detta hittade jag förresten den ursprungliga artikeln där Weizsäcker föreslog den semi-empiriska massformeln. Alltid kul att gå tillbaka till klassikerna.)

Publicerat i Kärnfysik | 2 kommentarer

Kan mörk materia kasta omkring kometer och koka jorden inifrån? Bonus: dinosauriedöd.

En lite smårolig artikel dök upp för ett par månader sedan, där en forskare sökte samband mellan mörk materia i galaxens plan och omvälvande geologiska händelser på jorden. Annars hade den kanske gått obemärkt förbi, men den kom i mediernas fokus när Science lyfte frågan ”Did dark matter kill the dinosaurs?”. Nu har detta bubblat hela vägen till UNT (artikeln verkar dock inte finnas online), och jag känner att jag måste titta lite närmare på det här. Hur solid grund står de här idéerna på, egentligen?

(I resten av den här artikeln förutsätter jag att läsaren är bekant med begreppet mörk materia. Läs annars här och här.)

Själva grundtanken är intressant och spännande: den mörka materian i vår galax kan vara samlad i själva galaxplanet. Solsystemet rör sig i en svängande bana kring galaxens centrum, och är ömsom ovanför och ömsom nedanför själva mitten av galaxens skiva. När vi passerar galaxplanet skulle det kunna vara så att ansamlingar av mörk materia påverkar vårt solsystem och till exempel får fler kometer att komma nära och kanske kollidera med jorden. Men vad mera är, artikelförfattaren Michael R. Rampino för också fram hypotesen att mörk materia-partiklar kan komma in i jorden och växelverka med materian och hetta upp den, så att det blir fler och våldsammare vulkanutbrott vid de här tiderna. Det är den här sista delen jag är mest undrande till, och det har att göra med att jag själv har jobbat med att söka efter tecken på att mörk materia har ansamlats i jordens inre under solsystemets existens. Det var visserligen några år sedan jag höll på med detta, så jag är inte helt uppdaterad, men jag minns att jag var ganska övertygad om att det inte finns någon större mängd mörk materia i vår planet.

Jag gillar det centrala tankespåret, för det är typiskt fantasieggande, men kände mig långt ifrån övertygad när jag första gången skummade artikeln. Framför allt undrar jag vad det bygger på för antaganden om den mörka materian, för beräkningar av hur den borde uppföra sig är ganska modellberoende.

Så jag börjar från början och tar en närmare titt på hela resonemanget.

Det hela hänger på att det finns någon form av periodicitet i större utdöenden, som kan länkas till de tillfällen då solsystemet korsat galaxplanet. Artikelförfattaren, biologen och geologen Michael R. Rampino, inleder med att förklara hur det faktiskt inte alls är etablerat att det finns någon sådan periodicitet. Han motiverar det vidare resonemanget att det finns både periodiska och icke-periodiska skeenden som kan vara svåra att separera från varandra så därför kanske det finns något periodiskt där ändå.

Han lutar sig tungt på en nyare artikel av Randall och Reece: ”Dark Matter as a Trigger for Periodic Comet Impacts”. (Abstract börjar händelsevis med ”Although statistical evidence is not overwhelming”, så det är på den nivån det är.) Det här är en seriös artikel, av tunga namn i fältet, så det är inget trams. Den är i sin tur baserad på en idé om att mörk matera kan utgöras av flera olika sorters partiklar. Huvuddelen av dem har de egenskaper vi brukar förvänta oss av mörk materia-partiklar: de växelverkar väldigt lite, och bildar en i stort sett sfärisk ”halo” kring vår galax. För att samlas till en skiva skulle det behövas någon mekanism som gör det lättare för partiklarna att göra sig av med energi. Randall och Reece tänker sig alltså att en vis andel av den mörka materian skulle bestå av just en sådan sorts partiklar, som kan sända ut en del energi i form av ”mörka fotoner” (jag vet inte riktigt vad det är) och så bilda en tunn och ganska kompakt skiva mitt i den vanliga skivan av stjärnor, gas och stoft.

Utifrån sina antaganden om den mörka materians dubbla natur gör de beräkningar som visar att en sådan skiva av mörk materia i vår galax kan rubba Oort-molnet och få kometer att fara mot det inre solsystemet. De tänker sig att den här modellen kan testas inom ett par år med hjälp av Gaia-satellitens observationer av stjärnors rörelser, så snart lär vi veta om det ligger något i detta eller inte. Min uppfattning är dock att Rampino behandlar detta med en koncentrerad mörk materia-skiva som en mer etablerad modell än det kanske egentligen är.

Sedan går han vidare till det där med möjligheten att mörk materia kan ansamlas inuti jorden och höja temperaturen i dess inre. Det här resonemanget hänger också delvis på att den mörka materian skulle vara ojämt fördelad, och att jorden ibland skulle passera genom mycket täta ansamlingar, tätare än de flesta modeller förmodligen medger. De nyare referenser Rampino lutar sig mot är Mack, Beacom & Bertone (2007) och Adler (2009). De utgår från lite olika versioner av mörk materia.

Mack, Beacom & Bertone räknar på hur det skulle bli om den mörka materian skulle växelverka starkare än man oftast antar. De kommer fram till att starkt växelverkande mörk materia skulle värma upp jorden, och därför kan vi utesluta att den mörka materian faktiskt växelverkar så starkt. Det verkar inte vara så Rampino läser deras artikel, så antingen är det något jag inte förstår eller också har han missat poängen lite. Vad gäller Adler bygger han vidare på detta med antagandet att mörk materia-partiklar inte annihilerar (förintar) varandra när de stöter ihop. I så fall kan vi inte utesluta att det finns mer mörk materia, som vi trots det inte hittills sett, för då värmer de inte upp planeter lika effektivt. (Mitt projekt gick ut på att tita efter neutriner som kommer ut från jorden efter att mörk materia annihileras i jordens inre. Jag kunde inte upptäcka något, som kunde uppfångas av den detektor jag jobbade med.)

Jag kollade lite på vad den svenska experten på sånt här, Joakim Edsjö, har skrivit på senare år. Då fann jag att Edsjö och Peter påpekar en brist i bland annat Adlers beräkningar av hur det skulle kunna finnas mycket förhöjda koncentrationer av mörk materia i solsystemet: de tar inte hänsyn till att partiklar inte bara kan fångas in av växelverkningar med materia nära oss, utan också kastas iväg. Utan att ta med det blir resultatet alldeles för höga värden på mörk materia-tätheten, oavsett vilken typ av partiklar man räknar med.

Så jag ser inte riktigt någon stark anledning att tro att mörk materia triggar vulkanutbrott. Kastar omkring en eller annan komet, kanske, men det där med upphettning av jordens inre verkar lite svårare att få till. (Med viss reservation för att jag inte har läst Adler jättenoga, men han verkar också ha använt avsaknaden av ett stort värmeöverskott för att ge en gräns för hur mycket mörk materia det kan finnas i planeterna. Men han har ett intressant resonemang om skillnaden mellan Uranus och de andra gasjättarna.)

Min kritik av Rampinos artikel kan alltså sammanfattas med att jag tycker att han kunde ha varit tydligare med att redovisa vilka modeller och antaganden för den mörka materian som krävs för att komma fram till de scenarier han diskuterar. Fast det här kanske egentligen inte är så konstigt — Michael R. Rampino är professor i biologi med bakgrund i geologi. Han kan det där med dinosaurier och vulkanutbrott, men hans bakgrund ser inte så solid ut inom partiklar och astropartikelfysik.

Publicerat i Mörk materia | Märkt , , , | Lämna en kommentar

Några funderingar om populärvetenskap och vetenskapsjournalistik

Populärvetenskap handlar om att föra fram vetenskapliga rön till allmänheten och göra dem begripliga. Det sysslar vetenskapsjournalister också med. Fast journalistiken har (åtminstone teoretiskt) fler ambitioner. Den ska också kunna vara lite kritisk och granska vad som sker inom forskarvärlden, och hur den samverkar med samhället runtomkring. Vetenskapsjournalisten ska också ta fasta på aktuella ämnen och frågor, och plocka fram den vetenskapliga vinkeln – forskningens perspektiv på nyheterna i omvärlden.

Det här borde vara angelägna saker. Relevant på alla områden i samhället och livet, och dessutom en bransch som stöds av mycket skattepengar och därför borde ha ögonen på sig. Trots det känns det ofta som om både akademin och forskarnas resultat är okända områden och informationen bara når ut till dem som letar efter den.

Jag är ju lite ny i det här fältet fortfarande (sen 2012), och kan inte påstå att jag vet allt eller har alla svaren om hur det här funkar, eller bör funka. Men jag har många tankar om det.

Igår hamnade jag i ett väldigt intressant samtal om vetenskapsjournalistik, på twitter. Det började med att jag lyssnade på ett poddavsnitt som gjordes av Mediespanarna och Akademipodden gemensamt. Det handlar om medier och forskning, och är intressant på många vis (jag kommer nog att lyssna på det en gång till). Men jag blev lite provocerad av att de tycktes säga att det inte finns några vetenskapsjournalister i Sverige. Utom Karin Bojs. Men hallå! sade jag. Hur är det med DN:s nya vetenskapsredaktör, Maria Gunther Axelsson, eller Åke Spross på UNT — eller för den delen Vetenskapsradion (som är Sveriges största vetenskapsredaktion). Ja, och så SVT då, som i ärlighetens namn också nämndes i podden även om de fick det att låta som om Victoria Dyring var hela redaktionen.

Är vetenskapsjournalistiken så osynlig? Ja, förmodlingen. Det är nog som de sade i podden, att den finns mest i specialtidskrifter och på andra ställen där bara de intresserade söker upp den.

En av de intressanta saker som kom fram i samtalet som följde var att Magnus Edlund önskade sig en vetenskapsredaktion som jobbar som en debattredaktion, och plockar upp aktuella ämnen. Jag tycker nog att Vetenskapsradion klarar detta rätt bra emellanåt, men som Magnus också påpekade är det inte alla som lyssnar på P1. (”Men det finns ju på internet” vill jag invända … fast där hänger inte alla heller.) Nej, det som skulle behövas för att folk i gemen skulle märka något av vetenskapsbevakningen är nog att alla tidningar, tv och radio, hade bra vetenskapsbevakning på nyhets- och debattplats, i mycket större omfattning än idag. Inte bara som lustig kuriosa, eller som sense of wonder-inslag, utan som något som faktiskt har vardags- och samhällsrelevans.

Det skulle kunna gå åt det hållet, om fler mediamänniskor fick upp ögonen för det här området, samt kanske en liten kurs — det går bra att börja med Therese Bergstedts goda råd om att undvika fallgropar.

Jag själv, vad skulle jag vilja göra då?

Jag är ju ganska nördig av mig, och gillar verkligen själva den populärvetenskapliga delen. Att försöka göra svåra saker begripliga, och att berätta om häftiga fenomen och nya insikter. Det allra roligaste där är förstås att ge mig på saker som jag känner är hajpade eller ofta missförstådda, och försöka bena ut hur det fakiskt är med det där. Som med kvantdatorer.

Fast jag blir ändå alltmer intresserad av att också skildra forskningens villkor. Hur bedöms forskning, hur finansieras den, vad beror det på vem som blir framgångsrik. Vad betyder de politiska ambitionerna för vad det faktiskt forskas på. Vem blir forskare, och vad är det som avgör vem som blir kvar inom akademin och inte. Väldigt intressanta frågor, fast just detta är kanske på sätt och vis ännu smalare än kvantdatorer. Kvantgrejer har någon sorts mystisk fascination som till exempel doktorandfrågor faktiskt inte riktigt har.

Tillägg:
Therese Bergstedt var med i avsnitt 108 av Skeptikerpodden, och berättade om sitt arbete. Mycket intressant — särskilt för mig som knappt tittar på tv någonsin, och som inte har någon inblick i hur det funkar i det mediet. Therese är väldigt bra på det hon gör (jag har jobbat med henne på radion).

Publicerat i Kommunikation, Meta | Lämna en kommentar

24 december: speglar från ett partikelfysikexperiment

rich-speglar

Julafton. Glitter och glans! Idag har jag här på bloggen en bild från Ångströmlaboratoriet som ser ut som ett konstverk, och numera är det väl vad det är också. Men från början speglarna på det här hjulet varit en del av ett experiment — i skrivande stund är jag inte helt säker, men jag tror att det var DELPHI på CERN. Den här sidan verkar styrka det.)

Speglarna har alltså varit en del av en sorts detektor som kallas för RICH, akronym för Ring Imaging CHerenkov detector (ja, den här sortens konstlade akronymer är partikelfysiker alldeles väldigt förtjusta i).

Publicerat i Uncategorized | Lämna en kommentar

23 december: galvanometer (tror jag)

galvanometer

Den här saken är jag inte helt säker på vad det är, men den är så snygg att jag vill ha med den ändå. Jag tror att det är en galvanometer, alltså en bättre och känsligare typ av mätare för elektrisk ström än den amperemeter jag visade här häromdagen. Den är tillverkad av Siemens & Halske, och kommer från sent 1800-tal eller tidigt 1900-tal. (Jag kan säkert få reda på fler detaljer om de här prylarna från fysiska kabinettet om jag rotar i saken. Det här jag vet kommer från bilder i den text om fysiska kabinettet som Arne Eld Sandström skrev i Kungl. Vetenskapssamhällets i Uppsala Årsbok 25/1983-1984 — den finns i särtryck, och den hittade jag på ett antikvariat.)

Jag grunnar på att det kan vara en differentiell galvanometer — som här i de historiska samlingarna på Kenyon College.

Det vore verkligen kul att veta mer om hur den här saken fungerade.

Publicerat i Uncategorized | Lämna en kommentar

22 december: telefonlur från 1917

telefon

”Denna telefonlur tillverkades 1917 av Siemens & Halske” står det på skylten brevid. Den har förmodligen använts för något typ av demonstration i undervisningen, eftersom den finns med i fysiska kabinettets samlingar.

Publicerat i Ångströmlaboratoriet | 1 kommentar