Gratulerer med gjennomført Starting Grant, Konrad Tywoniuk!

Kollisjoner av tunge atomkjerner

I sin TMS Starting Grant har Konrad Tywoniuk studert og modellert hva slags materie som oppstår i kollisjoner av tunge atomkjerner. Kollisjoner mellom tunge atomkjerner krever at atomkjernene befinner seg i omgivelser som er så varme at kjernemateriens fundamentale byggesteiner, såkalte kvarker og gluoner, blir frigjort. Tilstanden som atomene da befinner seg i kalles et kvark-gluon-plasma. En metode å gjøre dette på er å studere hvordan partikler med høy energi blir avbøyd og modifisert i kvark-gluon-plasmaet. Denne metoden skiller seg ut fordi den forbinder den kunnskapen vi har fra andre partikkelkollisjoner med kjernefysikkens metoder for å håndtere dynamiske og tidsavhengige systemer. Problemet vurderes å være et av de viktigste åpne problemene i forskningen på kjernematerie ved ekstreme temperaturer. For å studere dette nærmere brukte Tywoniuk teoretisk modellering og maskinlæring for å forstå og analysere eksperimentelle data fra kollisjoner utført ved CERN i Sveits og BNL i USA.

Big Bang og akseleratorer

Disse studiene er relevante i mange sammenhenger der man oppnår ekstreme energier og temperaturer: Kort tid etter Big Bang antas universet å være fylt med en varm blanding av alle slags partikler som beveget seg med hastighet nær lysets hastighet. Denne blandingen var dominert av kvarker – grunnleggende materiebiter – og av gluoner – bærere av den sterke kraften som vanligvis «limer» kvarker sammen til kjente protoner og nøytroner og andre partikler. Denne blandingen kalles kvark-gluon-plasma. I disse første øyeblikkene var kvarker og gluoner helt fri til å bevege seg i dette kvark-gluon-plasma, i motsetning til i vanlig materie der kvarkene og gluonene er bundet inne i atomkjerner. Akseleratoren i CERN er designet for å skape forhold som ligner på de i det tidlige universet, der kollisjoner mellom massive atomkjerner, som gull- eller blykjerner kan oppstå.   Kollisjoner mellom tunge kjerner danner en liten ildkule der alt «smelter» til et kvark-gluon-plasma.

Ildkulen avkjøles øyeblikkelig, og de individuelle kvarkene og gluonene rekombineres til en kombinasjon av atomer/vanlig materie som suser av gårde i alle retninger. Mye kan læres ved å studere fordelingen og energien til dette systemet.Tywoniuk og hans forskningsteam har utviklet nye teoretiske og numeriske metoder for å kunne lære så mye som mulig om kvark-gluon-plasmaet.

Ny kunnskap om jetstrømmer 

Prosjektet har også arbeidet med å bringe frem ny kunnskap om jetstrømmer. Jetstrømmer er grupper av partikler med høy energi som beveger seg parallelt med hverandre, de er sjeldne, men svært lærerike fenomen. Jetstrømmer ble første gang observert i akseleratorbaserte eksperimenter på begynnelsen av 1980-tallet. De oppstår fra en enkelt partikkel med høy energi som har delt seg ved å sende ut mange radioaktive doser. Denne prosessen gir muligheten til å teste kvantekromodynamikk, teorien som forklarer kvarkene og gluonenes egenskaper og vekselvirkninger. Disse jetstrømmene oppstår også i tung-ionekollisjoner og kan derfor brukes som kalibrerte stråler som måler plasmaets egenskaper (tetthet, flyt osv.).

Prosjektleder med internasjonal erfaring

Konrad Tywoniuk har en doktorgrad i fysikk fra Universitetet i Oslo og har jobbet som postdoktor i Spania, Sverige og Sveits før han kom til Bergen. Han har vært ansatt som førsteamanuensis siden tidlig i 2023. To doktorgradsstudenter og tre masterstudenter jobbet med prosjektet sammen med Tywoniuk og forsvarte sine avhandlinger med suksess. Forskerteamet bestod også av to forskere som nå leder egne forskerteam ved andre universiteter. Starting Grant-finansieringen hjalp teamet med å få internasjonal synlighet, ettersom de kunne planlegge og arrangere internasjonale konferanser og ble invitert som foredragsholdere for å presentere forskningen sin. I løpet av prosjektperioden publiserte teamet 19 fagfellevurderte artikler, 16 konferansehandlinger og 2 rapportbidrag.