RZECZ O ... dodatek do gazety Rzeczpospolita z 19 października 2004 r.

Big Bang w laboratorium

Obraz oddziaływania jądra siarki z jądrem złota w komorze strimerowej

(C) CERN

W latach 80. pojawiła się hipoteza plazmy kwarkowo-gluonowej jako nowej formy materii jądrowej. Według współczesnej teorii budowy materii - chromodynamiki kwantowej - nukleony złożone są z jeszcze bardziej elementarnych "cegiełek": kwarków. Kwarki są silnie związane za pośrednictwem gluonów i warunkiem ich "uwolnienia" jest wytworzenie odpowiednio wysokiej gęstości i temperatury. Powstałby wtedy nowy stan materii zwany plazmą kwarkowo-gluonową, w której kwarki i gluony nie będą związane w nukleonach, lecz poruszałyby się swobodnie w pewnej objętości.

Takie warunki istniały w pierwszych ułamkach sekundy po Wielkim Wybuchu, a w warunkach laboratoryjnych mogą być wytworzone w zderzeniach ciężkich jonów o wielkich energiach. Eksperymenty mające na celu wykrycie przejścia fazowego do plazmy kwarkowo-gluonowej rozpoczęły się w CERN i w Brookhaven w roku 1986. W synchrotronie SPS w CERN przyspieszono jądra tlenu, i niedługo potem jądra siarki, do energii 200 GeV/nukleon, a w roku 1994 jądra ołowiu do energii 158 GeV/n. Fizycy polscy przystąpili do zespołów badawczych realizujących dwie serie eksperymentów o kryptonimach NA35-NA49 i WA80-WA93-WA98.

Eksperyment NA35 kierowany przez prof. Reinharda Stocka z Uniwersytetu we Frankfurcie nad Menem, stawiał sobie za cel rejestrację wszystkich cząstek naładowanych produkowanych w zderzeniu jądro-jądro i ich możliwie dobrą identyfikację. Zasadniczym detektorem była tzw. komora strimerowa - detektor gazowy, w którym przechodzące cząstki naładowane pozostawiają ślady dające się rejestrować na błonie fotograficznej. W detektorze tym widać także rozpady cząstek neutralnych, w szczególności tzw. cząstek dziwnych, na naładowane cząstki wtórne. Dla badania oddziaływań jąder ołowiu, gdzie oczekiwano znacznie wyższych krotności cząstek wtórnych, zastąpiono komorę strimerową zespołem czterech komór projekcji czasowej (eksperyment NA49). W tych detektorach stosuje się całkowicie elektroniczną rejestrację torów cząstek naładowanych. Komory były wspomagane przez kilka kalorymetrów do0 pomiaru strumienia energii w różnych przedziałach kątowych i liczniki czasu przelotu, dostarczające dodatkowej informacji pożytecznej w identyfikacji cząstek. Inną technikę detekcji zastosowano w eksperymentach WA80-WA93-WA98. W początkowej fazie badań wykorzystano sferyczny detektor o nazwie Plastic Ball, złożony z 655 elementów zdolnych rejestrować i identyfikować cząstki naładowane o stosunkowo niskich energiach. Detektor ten pracował uprzednio w Laboratorium im. Lawrence'a w Berkeley. Główny akcent położono jednak na detekcję fotonów za pomocą segmentowanego spektrometru ze szkła ołowiowego. Spektrometr ten stopniowo rozbudowywano, aż do osiągnięcia liczby 10 000 modułów w eksperymencie WA98. Jednocześnie rejestrowano naładowane cząstki wtórne przy użyciu detektorów krotności i również stopniowo rozbudowywanego spektrometru, mierzono także rozkład kątowy strumienia energii za pomocą kalorymetru. Fizycy polscy uczestniczyli w tych eksperymentach zarówno w seansach rejestracji danych w CERN, jak i późniejszej analizie danych i przygotowywaniu publikacji.

W eksperymentach tych m.in. wyznaczono rozkłady liczby produkowanych cząstek naładowanych i fotonów i zmierzono ich widma energetyczne; oszacowano gęstość energii, która okazała się o rząd wielkości przekraczająca gęstość normalnej materii jądrowej; określono rozmiary i ewolucję obszaru emisji cząstek; zaobserwowano znaczne wzbogacenie produkcji cząstek dziwnych.

Wszystkie te obserwacje wskazują na możliwość wytworzenia w zderzeniach jąder ołowiu na akceleratorze SPS w CERN nowej fazy materii jądrowej: plazmy kwarkowo-gluonowej. Oprócz tego wymienić należy dwa bardzo interesujące wyniki uzyskane ostatnio w tych eksperymentach: - w eksperymencie NA49 zaobserwowano ciężki dziwny barion, który mógłby należeć do nowej rodziny barionów pięciokwarkowych (dotychczas sądzono, że wszystkie bariony złożone są z trzech kwarków); w eksperymencie WA98 zaobserwowano znaczącą produkcję tzw. fotonów bezpośrednich (przeważająca część fotonów pochodzi z rozpadu neutralnych mezonów).

JERZY BARTKE, INSTYTUT FIZYKI JĄDROWEJ IM. H. NIEWODNICZAŃSKIEGO PAN W KRAKOWIE
TEODOR SIEMIARCZUK, INSTYTUT PROBLEMÓW JĄDROWYCH IM. A. SOŁTANA W WARSZAWIE