Znajdź zawartość

Naukowcy z Brookhaven National Laboratory zbudowali i przetestowali spolaryzowane działo elektronowe pracujące przy najwyższym napięciu ze wszystkich tego typu urządzeń. Działo jest kluczowym elementem budowanego właśnie Zderzacza Elektron-Jon (EIC). W akceleratorze zderzane będą spolaryzowane elektrony ze spolaryzowanymi protonami i jonami, co pozwoli na badanie podstawowych cegiełek materii. Zadaniem wspomnianego na wstępie działa będzie dostarczanie strumienia cząstek do tunelu akceleratora o długości niemal 4 kilometrów. Przyspiesza ono elektrony od 0 do 80% prędkości światła na przestrzeni zaledwie 5 centymetrów. Oznacza to, że przyspieszenie od 0 do 863,4 milionów km/h następuje w ciągu 2 dziesięciomiliardowych części sekundy. Jednak nie prędkość tu jest najważniejsza, ta zostanie jeszcze zwiększona w tunelu akceleratora. Największym sukcesem jest możliwość wytwarzania w dziale strumieni cząstek o odpowiednich charakterystykach. Działo dostarcza niewielkich ściśle upakowanych pakietów elektronów, których spiny są w większości zwrócone w tym samym kierunku. To ta wielka gęstość upakowania powoduje, że zwiększa się prawdopodobieństwo doprowadzenia do zderzeń elektronów z protonami lub jonami, które w tunelu akceleratora pędzą w przeciwnym kierunku. Uzyskanie polaryzacji, czy uzgodnienia spinów cząstek, jest niezwykle ważne z punktu widzenia możliwości osiągnięcia celów naukowych akceleratora. Badanie pochodzenia zjawiska spinu to zresztą jeden z nich. Spin jest odpowiedzialny za strukturę i uporządkowanie materii. Wciąż jednak nie wiemy, jak on powstaje. EIC będzie pierwszym akceleratorem, w którym naukowcy mogą kontrolować spin zarówno elektronów, jak i jonów. To zaś powinno pozwolić na zmapowanie dystrybucji kwarków i gluonów w protonach i jądrach atomowych oraz zbadać strukturę protonu. Dzięki temu naukowcy mają nadzieję lepiej zrozumieć interakcje pomiędzy kwarkami a gluonami. Interakcje te zachodzą za pomocą oddziaływań silnych, które są najpotężniejszymi oddziaływaniami w naturze. Wysoce spolaryzowany strumień elektronów osiągnięto dzięki fotokatodzie z arsenku galu. Naukowcy ułożyli go w naprzemienne warstwy. To bardzo złożona wielowarstwowa struktura o grubości 100 nanometrów umieszczona na 0,4-milimetrowym podłożu, wyjaśnia fizyk Erdon Wang. Gdy światło lasera o odpowiednich proporcjach trafia w fotokatodę, opuszcza ją strumień elektronów o uzgodnionych spinach i odpowiednich właściwościach. Podczas testów nowe działo osiągnęło w ciągu 23 godzin napięcie 350 kV i pracowało bez przerwy przez kolejnych 6 miesięcy. Generowało pakiety składające się z 70 miliardów elektronów każdy. Badania jakości pokazały, że tak uzyskane elektrony mają wszystkie właściwości potrzebne do przeprowadzenia zderzeń. W ciągu dwóch lat testów napięcie zawsze było bardzo stabilne. Nasze działo elektronowe charakteryzuje się najwyższym napięciem i największą intensywnością spolaryzowanego strumienia elektronów, cieszy się Wang. Zderzacz Elektron-Jon powstaje w Brookhaven National Laboratory na bazie istniejącego tam Relativistic Heavy Ion Collider. Głównym elementem konstrukcji EIC będzie dodanie do RHIC dodatkowego pierścienia tak, by urządzenie składało się z dwóch krzyżujących się akceleratorów. W jednym z nich będą krążyły elektrony, w drugim protony lub jony. Koszt budowy nowego akceleratora ma wynieść 1,7–2,8 miliardów dolarów i jest to jedyny akcelerator zderzeniowy, jakiego budowa jest rozważana w USA w ciągu kolejnych 50 lat. W EIC ma dać odpowiedź na pytanie, skąd bierze się spin protonu oraz wyjaśnić właściwości gluonów. Obecnie bardzo słabo rozumiemy wewnętrzną strukturę protonów. Wiemy, że proton składa się z trzech kwarków połączonych oddziaływaniami silnymi. Jednak, jako że wkraczamy tutaj na pole fizyki kwantowej, pozostaje wiele niepewności. Wewnątrz protonu pojawiają się i znikają pary kwark-antykwark, ważną rolę odgrywają też gluony, łączące wszystko w całość. Jednak pozostaje jeszcze do wyjaśnienia wiele tajemnic. Na przykład trzy kwarki tworzące proton stanowią mniej niż 5% jego masy. Reszta masy pojawia się w jakiś sposób z energii wirtualnych kwarków i gluonów. Nie wiemy też, skąd się bierze spin protonu. Nie jest on prostą sumą spinów trzech kwarków. Znaczenie mają również gluony oraz orbitujące wokół siebie kwarki. Niewiele wiemy o samych gluonach. Zgodnie z niektórymi teoriami, łączą się one w pojedynczą falę kwantową. EIC znacznie bardziej nadaje się do tego typu badań, niż Wielki Zderzacz Hadronów, w którym protony zderzane są z protonami. W EIC wykorzystywane będą znacznie mniejsze od protonów elektrony, co da łatwiejsze do interpretacji wyniki. W pracach nad EIC biorą udział naukowcy z 8 polskich instytucji: Akademia Górniczo-Hutnicza, Instytut Fizyki Jądrowej PAN, Narodowe Centrum Badań Jądrowych, Politechnika Krakowska, Politechnika Warszawska, Uniwersytet Jagielloński, Uniwersytet Rzeszowski i Uniwersytet Warszawski, które utworzyły Konsorcjum „The Polish Electron-Ion Collider Group". W NCBJ od dawna prowadzone są badania teoretyczne nad oddziaływaniami silnymi, a Polacy należą do światowej czołówki ekspertów w tej dziedzinie. Przed trzema laty fizycy z Zakładu Fizyki Teoretycznej NCBJ – prof. dr hab. Lech Szymanowski, dr hab. Jakub Wagner i dr Paweł Sznajder pomogli stworzyć tzw. żółty raport EIC, w którym opisano oczekiwania dotyczące akceleratora i wskazano, jak należy go budować, by osiągnąć zakładane cele naukowe. « powrót do artykułu

W połowie marca został opublikowany tzw. żółty raport nowego Zderzacza Elektron-Jon (EIC), który ma powstać w USA. Stworzyli go naukowcy z ponad 150 instytucji na świecie, w tym z NCBJ. Raport formułuje oczekiwania dotyczące badań prowadzonych w przyszłym urządzeniu i wskazuje sposoby stworzenia najlepszej służącej temu celowi konstrukcji. To już kolejny niezwykle ważny krok w kierunku powstania EIC. Nieco ponad 2 lata temu informowaliśmy o zaakceptowaniu celów naukowych dla akceleratora, a w ubiegłym roku dowiedzieliśmy się, że wskazano lokalizację EIC. Tak zwany żółty raport (ang. yellow report) jest podsumowaniem przeszło rocznej pracy nad przygotowaniem projektu Zderzacza Elektron-Jon (ang. electron-ion collider, EIC), który powstanie w amerykańskim Narodowym Laboratorium w Brookhaven. Fizycy z Zakładu Fizyki Teoretycznej NCBJ – prof. dr hab. Lech Szymanowski, dr hab. Jakub Wagner i dr Paweł Sznajder są współautorami tego opracowania. We współpracy z eksperymentalistami, badali oni na jego potrzeby możliwość pomiaru procesów czułych na tzw. uogólnione rozkłady partonów (ang. generalised parton distributions, GPDs). Uogólnione rozkłady partonów opisują strukturę materii w języku kwarków i gluonów, czyli na możliwie najbardziej elementarnym poziomie – wyjaśnia dr Paweł Sznajder. Wypracowane wnioski dotyczą m. in. optymalizacji projektu detektorów, czyli ich geometrii i podzespołów, tak aby w możliwie jak najlepszy sposób zrealizować postawione cele badawcze. Jednym z obiecujących procesów, które naszym zdaniem warto badać w zderzeniach elektronów z jonami jest tzw. rozpraszanie do tyłu – uzupełnia profesor Lech Szymanowski. W procesie tym wirtualny foton wymieniany pomiędzy zderzanym elektronem, a jednym z kwarków nukleonu prowadzi do wytworzenia w stanie końcowym mezonu o pędzie przeciwnym do pędu fotonu, co uzasadnia nazwę takiego procesu jako produkcji mezonu do tylu (backward meson production). Od pewnego czasu przekonywaliśmy eksperymentatorów, że te procesy poddające się częściowo analizie perturbacyjnej mogą być cennym uzupełniającym źródłem informacji o strukturze partonowej nukleonów, którą typowo bada się w procesach z mezonem w stanie końcowym z pędem zbliżonym do pędu zderzającego się fotonu (forward meson production). Początkowo podejście kolegów do naszej propozycji było sceptyczne, gdyż proces produkcji mezonu do tyłu jest silnie tłumiony przez wyższą potęgę małej stałej sprzężenia oddziaływań silnych występujace w części amplitudy rozpraszania opisywanej teorią zaburzeń. Jednak nasze obliczenia pokazały, że należy także w tym przypadku oczekiwać obserwowalnych doświadczalnie sygnałów. W efekcie wskazanymi przez nas procesami zainteresowali się zarówno fizycy z działającego zderzacza w Jefferson LAB, jak i zostały one uwzględnione w programie badawczym EIC. Praca nad raportem pozwoliła także na zainicjowanie szeregu aktywności związanych z rozwojem metod obliczeniowych – dodaje dr Sznajder. Pracujemy m. in. nad metodami Monte Carlo, będącymi ważną częścią symulacji pracy detektorów. Ponadto jesteśmy zaangażowani w rozwój platformy obliczeniowej PARTONS, z której korzystają teoretycy i doświadczalnicy badający rozkłady GPD. Dążymy do stworzenia trójwymiarowego obrazu protonu – wyjaśnia szczegóły dr hab. Jakub Wagner. Wykonaliśmy obliczenia teoretyczne i skorzystaliśmy z platformy PARTONS, aby uzyskać przewidywania przekrojów czynnych, czyli prawdopodobieństw zajść interesujących nas procesów fizycznych. Wszystko to po to, by eksperymentatorzy wiedzieli gdzie i jakie detektory umieścić wokół miejsca zderzeń, aby uzyskać najwięcej interesujących informacji. Tworzenie tzw. żółtych raportów dla projektowanych wielkich urządzeń badawczych to typowa praktyka w świecie nauki w obszarze fizyki wysokich energii. Na podstawie tego typu raportów są następnie organizowane współprace eksperymentalne i projektowane są detektory. Publikacja żółtego raportu EIC zbiegła się w czasie z publikacją tzw. białego, bardziej podstawowego raportu dla chińskiego zderzacza elektron-jon (ang. Electron-Ion Collider in China, EIcC). Raport ten jest podsumowaniem celów badawczych, które można by zrealizować w EIcC. W jego przygotowaniu byli również zaangażowani nasi fizycy. Projekt EIcC nie jest jeszcze zaakceptowany do realizacji. Jeżeli powstanie, będzie posiadał inne parametry pracy zderzacza w stosunku do projektu amerykańskiego, przez co uzupełni światowy program badawczy fizyki wielkich energii, szczególnie ten związany z chromodynamiką kwantową (ang. quantum chromodynamics, QCD). Budowę zderzacza elektronów i jonów rozważa także CERN. « powrót do artykułu