Öppnar möjligheter för svensk forskning

I Lund är färdigställandet av forskningsanläggningen ESS snart klart. I ett samverkande projekt mellan flera svenska universitet utvecklas en unik infrastruktur där fria neutroner kan röra sig helt utan påverkan i ett isolerat strålrör genom att magnetfältet kan kontrolleras. Adderas den infrastrukturen till ESS skapas möjligheter för unik världsledande forskning där Sverige kan ta ledarskapet.

Valentina Santoro är biträdande professor vid Lunds universitet och koordinator för HIBEAM/NNBAR-programmet. Hon utsågs 2023 till Research Infrastructure Fellow av Stiftelsen för strategisk forskning som en nyckelperson för utvecklingen av kritisk infrastruktur vid ESS.
Av avgörande betydelse för det breda forskarsamhället inom ESS, och även mer allmänt för neutronforskare, är utvecklingen av intern infrastruktur och kapacitet för magnetiska styrsystem med hög precision.
– Sådan infrastruktur ökar möjligheterna för sökandet efter axionen, en mystisk partikel som har sökts under lång tid, samt sökandet efter sterila neutroner och neutron-till-antineutronoscillationer, frågor som stått obesvarade sedan universums uppkomst, förklarar hon.

Ny världsunik forskning
I projektgruppen som utvecklar den unika infrastrukturen ingår även bland andra professor David Milstead vid Stockholms universitet och Matthias Holl som är post doc vid ESS.
– Den här typen av infrastruktur har aldrig tidigare byggts och den kan lägga grunden för ny världsunik forskning inom partikelfysiken. Adderas den infrastrukturen till ESS kan det generera forskning på Nobelprisnivå, konstaterar David Milstead.
För att kunna förstå de hittills obesvarade frågorna kring materia–antimateria och neutron–antineutron behöver man skapa en miljö där neutroner frikopplas och kan verka helt utan någon som helst påverkan från omgivningen, vilket är extremt svårt då exempelvis jordens magnetiska fält påverkar allt. Det är en process som sker i tre steg: först måste fria neutroner extraheras från en monolit, sedan ska den infrastruktur de nu bygger, ett strålrör, skydda neutronerna från all påverkan, inklusive jordens magnetiska fält. Slutligen behöver de frikopplade neutronerna fokuseras för transporten genom strålröret mot målet.
I det första steget extraheras fria neutroner från en monolit vilket sker genom en spallationsprocess.
– Det är en av ESS absoluta styrkor, att kunna extrahera en extremt stor mängd neutroner genom sin helt unika konstruktion. Det kommer att produceras 4×1022 neutroner per år. Den stora mängden neutroner är en förutsättning för de experiment vi vill genomföra i strålröret. Målet är att skapa förutsättningar för en omvandling av en neutron till en antineutron. Lyckas vi bara iaktta en sådan omvandling har vi fått svaret på en av de stora obesvarade frågorna: hur materia omvandlas till antimateria, förklarar Valentina Santaro.
För att tillåta de extraherade neutronerna att röra sig helt fritt måste de bygga en unik infrastruktur.
– Det är ett strålrör som byggs runt strålstråket (the beamline) med neutroner. Strålröret isoleras så att det skyddar neutronerna från all omgivande påverkan. Vi kommer även att skapa vakuum i strålröret så inga partiklar finns som kan interagera med neutronerna, förklarar Matthias Holl.
I det tredje steget behöver de skapa möjligheter att fokusera strålstråket med neutroner.
– Det gör vi genom att använda neutronspeglar som styr in neutronerna i en speciell riktning, så alla neutroner rör sig samlat inne i det magnetiskt skyddade strålröret, berättar Matthias Holl.

Förbereder ansökan
Hittills i projektet är processen med hur de fria neutronerna extraheras från monoliten klar och konstruktion pågår.
– När det gäller fokuseringen av strålstråket av neutroner är vi klara med designen med neutronspeglar, men konstruktionen av den delen sker troligen nästa år, förklarar han vidare.
För projektet med bygget av hela den magnetiskt skyddade infrastrukturen för de fria neutronerna har de hittills fått ett godkännande från ESS att bygga en prototyp, men ännu inget godkännande för att installera en färdig infrastruktur i ESS.
– Vi förbereder en ansökan om godkännande till ESS för det. Under tiden fortgår vår konstruktion av infrastrukturen, och designen av de experiment vi vill göra snarast där som kan visa att infrastrukturen fungerar. De experimenten skulle utgöra världsledande forskning i sig och är en otrolig möjlighet vi har som det vore galet att missa, konstaterar David Milstead.