Czytaj dalej

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 (e-e+). 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.

Autor
Adam Adamczyk

Adam Adamczyk

Naukowy totalitarysta. Jeśli nie chcesz aby wpadli do Ciebie naukowi bojówkarze, zostaw komentarz.