Witold Nazarewicz från Michigan State University har ett enkelt sätt att beskriva det komplexa arbete han gör på Facility for Rare Isotope Beams, eller FRIB.

"Jag studerar teoretisk kärnfysik, sa Nazarewicz, John A. Hannah Distinguished professor i fysik och chefsforskare vid FRIB. "Kärnkraftsteoretiker vill veta vad som får kärnan att ticka."

Det finns en kärna i varje atom. Atomer, i tur och ordning, gör upp materia—de saker vi interagerar med varje dag. Men kärnan är fortfarande höljd i mystik. Ett av FRIB:s mål med att skapa sällsynta isotoper, eller olika former av element, är att bättre förstå vad som händer inuti atomernas kärnor.

I en ny tidning för Fysiska granskningsbrev , Simin Wang, en tidigare forskarassistent vid FRIB, och Nazarewicz visar hur FRIB kan upptäcka signaturer av ovanliga nukleära händelser och använda dem som fönster in i kärnan.

"Det kommer att finnas ett program på FRIB ägnat åt sådana mätningar, " sa Nazarewicz. "Vad vi vill göra är att förstå kärnans struktur."

Som vilket barn som helst kan intyga, ett av de bästa sätten att förstå hur något fungerar är att ta isär det. Vid tillverkning av sällsynta isotoper, FRIB kommer att skapa exotiska kärnor som naturligt faller sönder eller förfaller.

Medan en del FRIB-personal avslutar bygget av den fysiska anläggningen – som är planerad att starta vetenskapliga experiment 2022 – utvecklar teoretiker inklusive Wang och Nazarewicz datormodeller som kommer att hjälpa till att tolka den nya vetenskapen som den tar fram och göra förutsägelser om kärnkraftsbeteende.

Kärnor är själva byggda av subatomära partiklar som kallas protoner och neutroner. Det finns vissa kärnor som sönderfaller genom att skapa par av protoner eller neutroner i kärnan och sedan spotta ut dem.

Till exempel, detta är fallet för en isotop känd som beryllium-6, som är en berylliumatom med fyra protoner och två neutroner i sin kärna. Inuti beryllium-6, protonerna kan paras ihop och när kärnan sönderfaller genom att frigöra ett sådant par, FRIB:s detektorer kommer att kunna upptäcka de utstötta partiklarna.

Vad Wang och Nazarewicz har gjort är att bygga en datormodell som låter dem i huvudsak rekonstruera hur dessa protoner såg ut inuti kärnan baserat på vad FRIB:s detektorer ser.

"Vi mäter dessa partiklar som sonder, inte för att vi är särskilt intresserade av protoner, " sa Nazarewicz. "De där protonerna är budbärare, bär information om kärnan från vilken de släpptes ut."

Modellen fungerar också på liknande sätt för sällsynta kärnor som sönderfaller genom att sända ut par av neutroner.

En av de största utmaningarna med arbetet var att utveckla en datormodell som kunde spåra dessa partiklar över ett enormt spann av längdskalor.

Kärnor mäts i femtometrar, bara kvadrilliondelar av en meter. Men FRIB:s detektorer är, på ett ungefär, en meter ifrån varandra. För perspektiv, det finns mycket fler femtometrar mellan dina två pupiller än det är meter mellan jorden och solen.

Ändå var spartanernas modell tvungen att kunna redogöra för vad som händer på både femtometerskalan och de mycket större avstånden som partiklarna måste täcka för att nå detektorn.

"Du måste kunna karakterisera partiklarna inuti kärnan på rätt sätt och följa dem när de sönderfaller från kärnan och reser till detektorerna, ", sa Nazarewicz. "Det är inte trivialt att göra beräkningar över dessa skalor."

Nazarewicz krediterar Wang för att ha klarat den utmaningen och drivit projektet till ett framgångsrikt slut. Och, även om Wang medger att det var svårt, han hoppas att folk inte kommer ihåg hur hårt arbetet var, men vad spännande det är.

"Det mesta av min forskarkarriär har ägnats åt att utveckla teoretiska verktyg som kopplar samman kärnstruktur och experimentella observerbara objekt, så jag kan inte beskriva hur exalterad jag är över att FRIB närmar sig sitt slut, " sa Wang.

"Eftersom de observerbara värdena som beräknats med vårt nya verktyg kan jämföras direkt med experimentella mätningar, vi kommer att kunna göra många förutsägelser och upptäcka många nya fenomen, " sa Wang. "Det kommer att bli en fantastisk era."