Zejdźmy do HADESU – dlaczego polujemy na elektrony i pozytony?

Pragnąc poznać tajemnice mikroświata, automatycznie kierujemy swój wzrok i myśli ku LHC. Jednak poza Genewą też się robi nauka, czego najlepszym przykładem jest ambitny eksperyment HADES.

Nie ma innych obserwowalnych zdarzeń, które mogłyby dostarczyć nam równie bogatego zbioru informacji.

Tetyana Galatyuk

Darmstadt – Miasto nauki

Za naszą zachodnią granicą, opodal Frankfurtu nad Menem, znajduje się urokliwa miejscowość nazywana przez samych Niemców Wissenschaftsstadt, czyli Miastem nauki. Jest to tytuł w pełni zasłużony, bowiem w Darmstadt (jak brzmi prawdziwa nazwa) mieści się zarówno jeden z ośrodków europejskiego przemysłu kosmicznego, jak i drugi co do wielkości, obok genewskiego CERN-u, plac zabaw dla fizyków wysokich energii. Mowa o GSI, czyli Instytucie Badań Ciężkich Jonów.

Jeśli nazwa GSI nigdy nie obiła się wam o uszy, nie powinniście robić sobie z tego powodu wyrzutów. Badania egzotycznych cząstek elementarnych nigdy nie należały do szczególnie medialnych, a jeśli nawet, to od lat całą uwagę świata skupia na sobie Wielki Zderzacz Hadronów. Jednak na CERN-ie świat się nie kończy, a fizycy z Darmstadt mają do dyspozycji kilka całkiem interesujących zabawek. Wśród nich własny akcelerator liniowy UNILAC, akcelerator cykliczny SIS-18 (trwa budowa większego SIS-100), potężne lasery NHELIX oraz PHELIX, i wreszcie detektor HADES.

Co tam w HADES-ie?

Jak wskazuje sama nazwa, Instytut Badań Ciężkich Jonów to laboratorium zajmujące się zgłębianiem tajemnic struktury materii, poprzez przeprowadzanie eksperymentów na ciężkich jonach, głównie złota lub srebra. Z kolei sam detektor HADES (High Acceptance Dielectron Spectrometer) to wielgachny i skomplikowany instrument, będący w rzeczywistości zbiorem pomniejszych detektorów, elektromagnesów, komór dryfowych i innych modułów, jakich raczej nie spotkacie rozbrajając odkurzacz. Do tego wszystkiego, podobnie jak w CERN-ie, dochodzi zaawansowany system selekcji zdarzeń, odsiewający terabajty danych i pozostawiający tylko ślady ściśle określonych typów rozpadów cząstek.

Ale żeby lepiej uchwycić istotę badań prowadzonych w GSI, musimy zrobić sobie krótkie przypomnienie z podstaw modelu standardowego.

Mezony i bariony

Interesować nas będą przede wszystkim dwie rodziny cząstek: leptony oraz hadrony. Reprezentantem tych pierwszych jest obecny we wszystkich atomach elektron – lekki, żwawy i pozbawiony wewnętrznej głębi. Z hadronami rzecz ma się zgoła inaczej. Są nieporównywalnie masywniejsze, a ich wnętrza to istny kwantowy poligon. W najprostszym ujęciu mogą się one składać z dwóch (wtedy mówimy o mezonach) albo trzech (wtedy to bariony) mniejszych cegiełek nazywanych kwarkami. Przykładem takich barionów są świetnie wam znane protony, zbudowane z dwóch kwarków górnych i jednego dolnego, oraz neutrony będące zgrupowaniem dwóch kwarków dolnych z jednym górnym. Ambaras polega na tym, że istnieje cała paleta kwarków, które są zdolne do komponowania przeróżnych konfiguracji, co oznacza wysyp całej menażerii barwnych mezonów i barionów.

Większość z nich ginie w mgnieniu oka i z punktu widzenia laika zdaje się nie mieć praktycznego znaczenia. Jednakże obserwowanie ich interakcji, tego co wyprawiają kwarki w różnych sytuacjach oraz rozpadów nietypowych hadronów, pozostaje najcenniejszym źródłem informacji o zasadach funkcjonowania mikroświata. Właśnie tego rodzaju badaniami, z naciskiem na poznawanie coraz bardziej ekstremalnych stanów materii, zajmuje się 200-osobowy zespół z Darmstadt.

Kanały dileptonowe

Poznanie masy nietrwałych cząstek oraz ich charakterystyki, najczęściej nie jest możliwe na żaden prosty, bezpośredni sposób. Dlatego zarówno detektory działające przy LHC, jak i spektrometr HADES, nie skupiają się dajmy na to, na konkretnym mezonie, lecz na tym co z niego wypadnie. Fachowcy mówią w tym przypadku o kanałach rozpadu. Jako, że (na całe szczęście) natura rządzi się ściśle określonymi prawami, z uchwyconego kanału możemy śmiało dedukować właściwości obiektu naszego zainteresowania.

A teraz konkrety. Dla zespołu obsługującego eksperyment HADES, najbardziej pożądane są kanały dileptonowe, to jest takie, w których z roztrzaskanej cząstki wyłaniają się dwa leptony. W praktyce są to przeważnie pary elektron-pozyton (ee+). Dlaczego są one tak wartościowe? Jak wspomniałem, wnętrza mezonów i barionów to naprawdę chaotyczne i tętniące aktywnością miejsca. Kwarkom nieustannie towarzyszy ławica pomniejszych cząstek trzymających cały mechanizm na krótkiej smyczy, znanej pod postacią oddziaływania silnego (odpowiadają za to gluony oraz wirtualne mezony pi). W momencie rozkwaszania mezonów lub barionów dochodzi więc do erupcji, a szalejące w jej centrum oddziaływanie silne tworzy nieznośny szum uniemożliwiający wyłowienie konkretnych, przydatnych danych.

Tu na scenę wkraczają niepozorne leptony. Gdybyśmy porównali cały ten proces do kolizji samolotów, elektrony i pozytony pełniłyby rolę czarnych skrzynek, które wychodzą z eksplozji bez szwanku. Dzieje się tak dlatego, że w odróżnieniu od kwarków, oddziaływanie silne nie robi na nich żadnego wrażenia. W ten sposób, pośrednio, otrzymujemy nienaruszony komplet informacji pochodzących z samego centrum kwantowej katastrofy.

Złote mezony rho

Najlepszy przykład udanego badania przeprowadzonego w HADES-ie otrzymaliśmy w lipcu tego roku. Fizycy zderzyli ze sobą ciężkie jądra atomów złota, rozpędzone do około 90% prędkości światła, doprowadzając do powstania mikroskopowego fireballa. (Swoją drogą, zauważycie, że w większości tego rodzaju eksperymentów zderzamy w akceleratorach mniejsze obiekty, np. samotne protony. Wyróżnikiem doświadczeń przeprowadzanych w Darmstadt jest właśnie operowanie na całych jądrach, w dodatku jądrach masywnych). Z zebranych danych wynikało, że jako pierwsze z kolizji jąder wyłoniły się mezony ρ (to nie litera “p”, lecz greckie rho). Nie są to szczególnie porywające obiekty. Podobnie do mezonów pi (pionów) składają się z par kwark-antykwark i są mocno nietrwałe. Różnica sprowadza się do faktu, że w odróżnieniu od swoich kuzynów, cząstki rho posiadają spin (moment obrotowy) różny od zera, a ich żywot jest jeszcze krótszy i rzadko wykracza ponad 10-24 sekundy. Tego rodzaju byty są tak ulotne, że często traktuje się je nawet nie w kategorii pełnoprawnych cząstek, lecz swoistych stanów przejściowych, czy też rezonansów.

Te konkretne rezonansy rejestrowano już wcześniej, ale ostatnie eksperymenty przedstawiły nam ich oblicze w nowym kontekście. Ośrodek powstały po kolizji – czyli nasz fireball – okazał się wpływać na właściwości wypadających z niego odłamków. Rozkład masy mezonów był szerszy, a czas życia nieco dłuższy niż zazwyczaj. Kwantowe piekiełko w niejaki sposób doprowadziło do rozmycia poszczególnych liczb i wartości.

Na marginesie: Cząstki zmieniają masę?
Portale informacyjne szeroko rozprawiały o powyższym doświadczeniu, rzecz jasna wyciągając niewłaściwe wnioski i zwracając uwagę nie na to, co trzeba. W notkach prasowych przeczytamy m.in. o tym, jakoby “udowodniono, że cząstki zmieniają masę”, czy też “zaobserwowano masywne fotony”. Wynika to z niezrozumienia subtelności kwantowych reguł. W skali subatomowej poważną rolę pełnią fluktuacje zwane cząstkami wirtualnymi. Pojawiają się spontanicznie, pożyczając energię z samej próżni, ale potrafią nieźle narozrabiać. Fizycy wiedzą o tym zjawisku od dawna, toteż ślady bytności wirtualnych fotonów czy wirtualnych mezonów, same w sobie nie są niczym zaskakującym. Z kolei pisanie o “masywnych fotonach” to nadinterpretacja faktu, że same kwanty światła posiadają potencjał umożliwiający wykreowanie cząstek takich jak para elektron-pozyton – rzeczywiście w masę wyposażonych. To również żadna sensacja.

Całą tę historię wyszeptały fizykom pary elektron-pozyton. Skąd się wzięły? Ginąc, mezony ρ pozostawiają po sobie ślad w formie drobnego błysku światła. W tym energetycznym oceanie fotonów dochodzi do spontanicznej kreacji par elektron-pozyton, o zdeterminowanych wcześniej właściwościach.

Wygląda to zawile, lecz skomplikowane rozpady stanowią dla fizyków wysokich energii chleb powszechni. Wartościowe informacje tkwią w szczegółach takich zdarzeń. W tym przypadku rozkład spektralny zarejestrowanych leptonów wykazał, iż podczas zderzenia jąder atomów osiągnięto stan materii o poziomie gęstości zbliżonym do tej jaka buduje… gwiazdy neutronowe. Jeśli nie pamiętacie – gwiazdy neutronowe to nietypowe ciała niebieskie, powstające w kolapsach masywnych gwiazd, choć nie na tyle masywnych aby zdołały uformować czarną dziurę. Przy relatywnie niewielkiej energii fireballa wynoszącej 70 MeV, badacze dostali pokaz tego co dzieje się, gdy protony i neutrony zaczynają włazić na siebie, zmieniając nawzajem swoje właściwości i tracąc tożsamość. Z przymrużeniem oka można powiedzieć, że badacze z Darmstadt jako pierwsi otrzymali szansę zbadania materii pulsara. I to nie ruszając się z Ziemi.

Teoria głosi, że przy odpowiednim ścisku i energii, kwarki oraz gluony mogą całkowicie uwolnić się ze swoich więzień i poznać całkowitą wolność, w ramach jednolitej zupy kwarkowo-gluonowej. Tego stanu jak dotąd nie udało nam się osiągnąć, ale krok po kroku…

Literatura uzupełniająca:
Probing dense baryon-rich matter with virtual photons, [online: www.nature.com/articles/s41567-019-0583-8];
C. Wood, Physicists Peer Inside a Fireball of Quantum Matter, [online: www.quantamagazine.org/physicists-peer-inside-a-fireball-of-quantum-matter-20190730/];
M. Wiśniowski, Pomiar produkcji mezonów π0/η w reakcji p+p przy energii 2.2GeV za pomocą spektrometru HADES, [online: https://hades.gsi.de/sites/default/files/web/media/documents/thesis/PhD/Phd_Marcin_Wisniowski.pdf];
A. Dzierba, Na tropie egzotycznych hadronów, “Postępy fizyki” tom 56, z. 1, rok 2005.

Teleskop Hubble’a – najlepszego staruszku! Nobel za czarne dziury – krótko i nawet przejrzyście Ogórkowe pytania (III): Czy różne atomy mają podobną wielkość?