Zejdźmy do HADESU – dlaczego polujemy na elektrony i pozytony?

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.

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 osobliwych 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…