ODKRYCIE HIPERJĄDER

Jednym z najdonioślejszych sukcesów polskich fizyków z ośrodka "na Hożej" było odkrycie hiperjąder. Zapoczątkowało ono w ośrodku warszawskim badania eksperymentalne w tej dziedzinie, rozwijające się z powodzeniem po dziś dzień.

Zapewne wszyscy pamiętają ze szkoły, że atom - podstawowy budulec materii - nie jest obiektem elementarnym, lecz ma strukturę złożoną. Składa się z ujemnie naładowanych elektronów na powłokach atomowych oraz dodatnio naładowanego jądra, które skupia prawie całą masę atomu i ma rozmiary około dziesięć tysięcy razy od niego mniejsze.

Jądro atomowe też ma jednak strukturę złożoną! "Normalne" jądro składa się z dodatnio naładowanych protonów i neutralnych elektrycznie neutronów, zwanych łącznie nukleonami, związanych siłami jądrowymi (silnymi). Być może niektórzy Czytelnicy wiedzą też, że i nukleony nie są "elementarne", lecz składają się z obiektów bez struktury wewnętrznej (jak się nam dziś wydaje), o rozmiarach około tysiąc razy mniejszych od nukleonów. Obiekty te nazywamy kwarkami. Znamy dziś sześć kwarków, należących do trzech rodzin. Nukleony zbudowane są z kwarków przypisanych - wraz z elektronem i neutrinem elektronowym - do pierwszej rodziny i oznaczonych literami u i d (od słów angielskich up i down). Na przykład proton składa się z dwóch kwarków u i jednego kwarka d (tak zwanych kwarków walencyjnych): [uud], a neutron z dwóch kwarków d i jednego u: [udd]. Kwarki wiążą się w struktury - nukleony i mezony - za pomocą fundamentalnego oddziaływania silnego przenoszonego przez tzw. gluony. Badanie struktury nukleonów jest dziś najważniejszym zadaniem, jakie starają się rozwiązać fizycy wielkich energii, również na Hożej. Mimo że jest to temat pasjonujący, nie będziemy się nim zajmować w dalszym ciągu artykułu, lecz wrócimy do zagadnienia budowy jądra atomowego.

Odkrywcy hiperjąder - Jerzy Pniewski (z lewej) i Marian Danysz; zdjęcie z 1963 roku

Przy rozważaniu jego budowy pojawia się naturalne pytanie, czy tylko nukleony mogą być jego składnikami? Wszak znamy wiele cząstek elementarnych: może niektóre z nich wchodzą w skład jąder atomowych? Pozytywnej odpowiedzi na to pytanie udzielili ponad 40 lat temu dwaj polscy uczeni z Instytutu Fizyki Doświadczalnej Uniwersytetu Warszawskiego, profesorowie Marian Danysz i Jerzy Pniewski (na zdjęciu u góry). Odkrycie, którego dokonali w 1952 roku na Hożej, stanowiło zasadnicze rozszerzenie pojęcia materii jądrowej i wpisało na zawsze ich nazwiska w historię fizyki, a stworzony przez nich nowy dział badań stał się na wiele lat specjalnością fizyków warszawskich.

Przypomnijmy jednak wpierw krajobraz fizyki na przełomie lat czterdziestych i pięćdziesiątych. Był to okres wielkich odkryć w nowo narodzonej dziedzinie badawczej - fizyce cząstek elementarnych. W 1947 roku fizyk brytyjski C. F. Powell odkrył w Bristolu, w Anglii, przy użyciu emulsji fotograficznych naświetlanych promieniowaniem kosmicznym, mezon pi - nośnik oddziaływań jądrowych, od dawna przewidziany teoretycznie przez fizyka japońskiego H. Yukawę (za co obaj otrzymali Nagrodę Nobla - Powell w 1950, a Yukawa - w 1949 roku). W tym samym 1947 roku G.D. Rochester i C. C. Butler zaobserwowali w oddziaływaniu promieniowania kosmicznego (przy użyciu komory Wilsona) nowe cząstki o tak niezwykłych własnościach, że nazwano je cząstkami dziwnymi. Powstawaly one zawsze łącznie - parami - w zderzeniach jądrowych (a więc w oddziaływaniu silnym), natomiast rozpadały się na nukleony i mezony pi w oddzialywaniu słabym, podobnym do dobrze znanego rozpadu beta. Te z nich, które rozpadały się na nukleon i mezon pi nazwano wkrótce hiperonami. I właśnie jedna z tych dziwnych cząstek - hiperon neutralny, oznaczony grecką literą Lambda, odegra kluczową rolę w odkryciu Danysza i Pniewskiego.

"Dziwna" materia jądrowa Wiązanie hiperonu w jądrze atomowym pozwala mowić o materii hiperjądrowej, albo "dziwnej" materii jądrowej: wszak hiperon Lambda jest cząstką dziwną! W języku teorii kwarków "dziwność" hiperonów przypisuje się ich składnikowi, kwarkowi dziwnemu oznaczonemu literą s (od angielskiego słowa strangeness - dziwność), należącemu do drugiej ze wspomnianych w artykule rodzin (wraz z kwarkiem powabnym b oraz mionem i neutrinem mionowym). Na przykład hiperon Lambda sklada się z kwarków u, d i s [uds]. Można więc też powiedzieć, że hiperjądro jest jądrem "dziwnym": w jego skład wchodzi - oprócz kwarków niedziwnych u i d - jeden kwark dziwny s.

ODKRYCIE PIERWSZEGO HIPERJĄDRA

Mikrofotografia pierwszego hiperjądra

Pod koniec 1952 roku, przeglądając pod mikroskopem przywiezioną z Bristolu emulsję, Danysz zaobserwował zaskakujący przypadek: dwie "gwiazdy" połączone grubym torem ("gwiazdą" nazywano zarejestrowaną w emulsji fotograficznej eksplozję jądra). Wraz z Pniewskim przystąpili do analizy tego przypadku, proponując wkrótce interpretację, zgodnie z którą wytworzony w pierwszej gwieździe (A) hiperon ulega związaniu za pomocą silnego oddzialywania we fragmencie jądrowym znaczącym swój ślad w emulsji jako gruby tor (f). Fragment ten jest nietrwaly i rozpada się w oddziaływaniu słabym, co zostalo zarejestrowane w postaci drugiej gwiazdy (B). Nasza interpretacja czyniła wraściwie tę cząstkę trzecim składnikiem jądra atomowego, obok protonu i neutronu - napisal pózniej Pniewski w swoich "Wspomnieniach autobiograficznych". Bardzo szybko okazało się, że proponowana interpretacja istotnie jest poprawna - świadczyły o tym liczne obserwacje podobnych przypadków w emulsjach jądrowych.

Fragment jądrowy zawierający związany hiperon Lambda nazywa sią hiperfragmentem albo hiperjądrem. Najlżejszym hiperjądrem okazał się wkrótce hiperwodór 3, składający się z protonu, neutronu i hiperonu Lambda, rozpadający się w oddziaływaniu słabym z emisją mezonu pi ze średnim czasem życia porównywalnym do średniego czasu życia swobodnego hiperonu (około 0,26 ns). Rozpad mezonowy jest więc swoistym pionowym procesem promieniotwórczym (w rozpadzie niemezonowym, takim jak w Warszawie w przypadku pierwszego hiperjądra, proces zachodzi bez emisji mezonu pi).

Wkrótce po odkryciu pierwszego hiperjądra wokół Mariana Danysza zgromadzilo się grono młodszych współpracowników i studentów zafascynowanych nowym zjawiskiem oraz osobowościami jego odkrywców. Należeli do niego, między innymi, dzisiejsi profesorowie Uniwersytetu Warszawskiego: Ewa Skrzypczakowa, Andrzej K. Wróblewski (późniejszy rektor tej uczelni) i autor tego artykułu, a także - Instytutu Problemów Jądrowych: Ryszard Sosnowski i zmarły przed kilku laty Przemysław Zieliński. Chociaż większość z nas po kilku latach zajęla się inną tematyką (autor tych słów najpóźniej, bo dopiero z początkiem lat siedemdziesiątych), jednak badanie hiperjąder stanowiło ważny etap w naszym życiu naukowym. Tylko Jerzy Pniewski, który do aktywnej pracy naukowej powrócił w 1958 roku, po kilku latach intensywnej pracy organizacyjnej (kierował Instytutem po nagłej śmierci Stefana Pieńkowskiego w 1953 roku), fizyce hiperjądrowej pozostał wierny do końca swego życia.

W drugiej połowie lat pięćdziesiątych, znacznie obfitszym niż promieniowanie kosmiczne źródlem stały się oddziaływania w emulsji jądrowej ujemnych mezonów K wytwarzanych w akceleratorach. W odróżnieniu od mezonów pi, złożonych ze "zwykłych" kwarków i antykwarków u oraz d, mezony K były "dziwne" - zawierały jako składnik kwark dziwny s. W silnym oddziaływaniu z nukleonami jąder atomowych emulsji, ujemne mezony K przekazywały im dziwny kwark, tworząc hiperon Lambda, wiązany niekiedy (w kilku procentach przypadków) w lekkim fragmencie jądrowym. Częściej jednak hiperony Lambda - po wytworzeniu - uciekały z jądra i rozpadały się w emulsji na proton i ujemny mezon pi: Marian Danysz z gronem uczniów wyznaczył w 1959 roku (najdokładniej w tym czasie) masę hiperonu Lambda (około 16% wiekszą od masy nukleonu).

Pisał w swych "Wspomnieniach autobiograficznych" Jerzy Pniewski: Hiperjądra odkrywane w latach pięćdziesiątych należały do lekkich, podczas gdy ciężkich na razie nie można było obserwować bezpośrednio. Jednak Janusz Zakrzewski, w czasie pobytu w Bristolu wskazał właściwą drogę do ich wykrycia i wraz z kolegami z tamtego ośrodka istotnie je zaobserwował. W latach sześćdziesiątych cały cykl prac z tej dziedziny zostal podjęty w Warszawie w ramach Europejskiej Współpracy K.

Odkrycie ciężkich hiperjąder w 1962 roku pozwoliło wyznaczyć głębokość jamy potencjalnej hiperonu Lambda w materii jądrowej - podstawowy parametr w opisie teoretycznym hiperjąder. W tym samym roku Jerzy Pniewski i Marian Danysz wysunęli hipotezę izomerii hiperjądrowej, to jest istnienia długożyciowych stanów wzbudzonych hiperjąder, rozpadających się w oddziaływaniu słabym i dali pierwszy eksperymetalny przykład hiperizomeru (hiperhel 7). Odkrycie to stanowiło początek spektroskopii hiperjądrowej, to znaczy badania hiperjąder w stanach wzbudzonych. Dotychczasowe obserwacje dotyczyły bowiem tylko hiperjąder rozpadających się w stanach podstawowych.

Po powrocie autora tego artykułu w 1961 roku do Warszawy z dłuższego pobytu u Powella w Bristolu, ośrodek warszawski włączył się do prac prowadzonych przez wspomnianą Europejską Współpracę K obejmującą wiele ośrodków w Europie. W ich wyniku wyznaczono z dużą dokładnością i dla szeregu lekkich hiperjąder wielkość charakterystyczną dla hiperjądra, jaką jest energia wiązania w nim hiperonu Lambda.

Pod koniec lat sześćdziesiątych Pniewski rozpoczął, wraz z młodymi współpracownikami z Warszawy, serię eksperymentów ze spektroskopii hiperjądrowej prowadzonych techniką licznikową, poszukując przejść elektromagnetycznych we wzbudzonych hiperjądrach. Razem z Henrykiem Piekarzem i Jadwigą Piekarz przeprowadzili pierwszy eksperyment w Zjednoczonym Instytucie Badań Jądrowych w Dubnej, a następnie wraz z fizykami z Heidelbergu kontynuowali go w Europejskiej Organizacji Badań Jądrowych CERN w Genewie. Ten niezmiernie ważny eksperyment, zakończony w 1971 roku, doprowadził do zaobserwowania fotonów gamma powstających w przejściach elektromagnetycznych w hiperwodorze 4 i hiperhelu 4. Dalsze prace w tej dziedzinie Pniewski kontynuował wraz z warszawskim zespołem i we współpracy z fizykami z Lyonu. Ostateczne wyniki uzyskane w 1979 roku, dały nowe, istotne informacje o oddziaływaniu spinowym hiperonu z nukleonami.

HIPERJĄDRA PODWÓJNE

Pierwsze hiperjądro podwójne (szkic)

Hiperony przyciągają się Zakrzewski, pierwszy zwrócił uwagę na jeden z przypadków znalezionych przez nasz personel techniczny, sugerując, że może on być kandydatem na hiperjądro podwójne - pisał Jerzy Pniewski w swoich "Wspomnieniach autobiograficznych". Szczegółowa analiza, przeprowadzona przez zespół warszawski z udziałem Danysza i Pniewskiego, doprowadziła do wniosku, że mamy tu do czynienia z wytworzeniem (B) podwójnego hiperberylu 10, rozpadającego się (C) z emisją mezonu pi na pojedynczy hiperberyl 9, który następnie rozpada się (D) - ponownie z emisją mezonu pi - na dwie cząstki alfa i proton (szkic powyżej). Dzięki temu, że rozpady obu hiperjąder mają charakter mezonowy, można je jednoznacznie zidentyfikować oraz wyznaczyć energię wiązania obu hiperonów Lambda w dwulambdowym hiperberylu 10. Znając energię wiązania jednolambdowego hiperberylu 9 można dalej obliczyć przyczynek do energii wiązania pochodzący od wzajemnego oddziaływania dwóch hiperonów Lambda, którego nie da się wyznaczyć w inny sposób. Wartość tego przyczynku świadczy, ze oddziaływanie między dwoma hiperonami Lambda ma charakter przyciągający. Jest to ważny parametr dla teorii wiązania hiperonów Lambda w jądrach atomowych.

Intensywne, niezmiernie czasochłonne poszukiwania dalszych przypadków hiperjąder podwójnych rozpadających się mezonowo (tylko takie można identyfikować jednoznacznie), prowadzone przez Europejską Współpracę K z udziałem ośrodka warszawskiego, nie zostały uwieńczone powodzeniem. Dopiero po kilku latach, w 1966 roku, opublikowano informację o obserwacji w ośrodku amerykańskim drugiego przypadku hiperjadra podwójnego (podwójny hiperhel 6), wytworzonego w emulsji przez ujemne mezony K z akceleratora w Brookhaven.

Przez prawie trzydzieści następnych lat były to jedyne jednoznacznie zidentyfikowane przypadki produkcji i rozpadu hiperjąder podwójnych. W tej sytuacji jedyną nadzieją na znalezienie dalszych przypadków hiperjąder podwójnych stały się eksperymenty hybrydowe, łączące technikę emulsji fotograficznych z techniką liczników elektronicznych, umożliwiającą wybór rzadkich przypadków o określonej charakterystyce.

Pierwszy, uwieńczony sukcesem, emulsyjno-licznikowy eksperyment hybrydowy przeprowadzono w 1991 roku w Tokio, przy akceleratorze KEK. Najważniejszym wynikiem była wtedy obserwacja (po trzydziestu latach od odkrycia!) następnego, jednoznacznie zidentyfikowanego hiperjądra podwójnego: podwójnego hiperboru 13. Wartości uzyskanych z analizy parametrów charakterystycznych są w pełni zgodne z wartościami dla poprzednich dwóch hiperjąder podwójnych. Badania hiperjąder "podwójnie dziwnych", o dwóch związanych hiperonach Lambda, a więc zawierających dwa kwarki dziwne s, są więc kontynuowane, choć już bez udziału ośrodka warszawskiego.

Pisał Andrzej K. Wróblewski w artykule "Fizyka wielkich energii w Polsce: pierwsze 50 lat": Chociaż bardzo trudno jest porównywać znaczenie różnych odkryć i to w różnych działach fizyki, to jednak można twierdzić, że odkrycie Danysza i Pniewskiego było najważniejszym w fizyce wysokich energii w Polsce, a może nawet w całej powojennej historii fizyki. Za tę pierwszą i dalsze prace na temat hiperjąder obaj odkrywcy byli wielokrotnie wysuwani do Nagrody Nobla z fizyki, niestety bez skutku.

Badania hiperjąder na Hożej przestano prowadzić wraz ze śmiercią Jerzego Pniewskiego w 1989 roku. Marian Danysz zmarł wcześniej, w 1983 roku. Fizyka hiperjądrowa jest jednak kontynuowana w Polsce przez ośrodek krakowski, gdzie Adam Strzałkowski ze współpracownikami zajmuje się własnościami ciężkich hiperjąder w eksperymencie licznikowym przy akceleratorze COSY w Jülich. Tak więc pozostaje ona nadal specjalnością fizyków polskich!

(Zdjęcia: archiwum autora)