W zderzeniach jąder atomowych tworzą się „ogniste smugi”

[KopalniaWiedzy.pl 358]

Przy wielkich energiach zderzenie masywnych jąder atomowych w akceleratorze generuje setki, a nawet tysiące cząstek, wchodzących między sobą w liczne interakcje. W Instytucie Fizyki Jądrowej PAN w Krakowie wykazano, że przebieg tego złożonego procesu można przedstawić za pomocą zaskakująco prostego modelu: ekstremalnie gorąca materia oddala się od miejsca kolizji rozciągając się wzdłuż pierwotnego toru lotu w smugi, przy czym im smuga bardziej odległa od osi zderzenia, tym większa jej prędkość.

Gdy dwa masywne jądra atomowe zderzają się przy wielkich energiach, powstaje najbardziej egzotyczna forma materii: zachowująca się jak płyn doskonały plazma kwarkowo-gluonowa. Z teoretycznych rozważań fizyków z Instytutu Fizyki Jądrowej Polskiej Akademii Nauk (IFJ PAN) w Krakowie wynika, że po zderzeniu plazma ta rozmywa się w smugi wzdłuż kierunku zderzenia, poruszające się tym szybciej, im bardziej są odległe od osi zderzenia. Model, jego przewidywania oraz efekty ich konfrontacji z dotychczasowymi danymi eksperymentalnymi przedstawiono w czasopiśmie „Physical Review C”.

Zderzenia jąder atomowych zachodzą ekstremalnie szybko i na odległościach liczonych w zaledwie setkach femtometrów (czyli w setkach milionowych części jednej miliardowej metra). Warunki fizyczne są wyjątkowo wyrafinowane i bezpośrednia obserwacja przebiegu zjawiska nie jest obecnie możliwa. W takich sytuacjach nauka radzi sobie konstruując modele teoretyczne i konfrontując ich przewidywania z danymi zebranymi w doświadczeniach. W przypadku omawianych zderzeń ogromnym utrudnieniem jest jednak fakt, że powstający w ich wyniku konglomerat cząstek to plazma kwarkowo-gluonowa. Interakcje między cząstkami plazmy są zdominowane przez oddziaływania silne i tak skomplikowane, że współczesna fizyka nie radzi sobie z ich ścisłym opisem.

Nasza grupa postanowiła skoncentrować się na zjawiskach elektromagnetycznych zachodzących w trakcie zderzeń, ponieważ są one znacznie łatwiejsze do wyrażenia w języku matematyki. W efekcie nasz model okazał się dostatecznie prosty, byśmy bez większych kłopotów mogli skorzystać w nim z zasad zachowania energii i pędu. Później przekonaliśmy się, że mimo przyjętych uproszczeń przewidywania modelu pozostają w co najmniej 90% zgodne z danymi eksperymentalnymi, mówi dr hab. Andrzej Rybicki (IFJ PAN).

Rozpędzone do dużych prędkości masywne jądra atomowe, obserwowane w laboratorium, wskutek efektów wynikających z teorii względności spłaszczają się w kierunku ruchu. Gdy dwa takie protonowo-neutronowe „placki” nadlatują ku sobie, zderzenie na ogół nie jest centralne: tylko część protonów i neutronów jednego jądra trafia w drugie, wchodząc w gwałtowne interakcje i formując plazmę kwarkowo-gluonową. Jednocześnie niektóre zewnętrzne fragmenty jądrowych „placków” nie napotykają na swej drodze żadnej przeszkody i kontynuują niezakłócony lot; w żargonie fizyków nazywa się je obserwatorami.

Nasza praca została zainspirowana danymi zebranymi we wcześniejszych doświadczeniach ze zderzaniem jąder atomowych, m.in. w akceleratorze SPS. Ze zbadanych przez nas efektów elektromagnetycznych pojawiających się w tych zderzeniach wynikało, że plazma kwarkowo-gluonowa porusza się z tym większą prędkością, im bliżej obserwatorów się znajduje, mówi dr Rybicki.

Aby odwzorować taki przebieg zjawiska, krakowscy fizycy postanowili podzielić jądra wzdłuż kierunku ruchu na szereg pasów – „cegiełek”. Każde jądro w przekroju wyglądało więc jak stos ułożonych jedna na drugiej cegieł (w modelu ich wysokość wynosiła jeden femtometr). Zamiast rozważać skomplikowane interakcje z użyciem oddziaływań silnych oraz zawiłe przepływy pędów i energii między setkami i tysiącami cząstek pochodnych, model redukował zagadnienie do kilkudziesięciu równoległych zderzeń, z których każde zachodziło między dwiema protonowo-neutronowymi cegiełkami.

Przewidywania modelu naukowcy z IFJ PAN skonfrontowali z danymi zebranymi dla zderzeń masywnych jąder atomowych w trakcie eksperymentu NA49 na akceleratorze SPS (Super Proton Synchrotron). Zderzacz ten znajduje się w ośrodku Europejskiej Organizacji Badań Jądrowych CERN pod Genewą, gdzie do jego najważniejszych zadań należy obecnie rozpędzanie cząstek wstrzeliwanych do wnętrza akceleratora LHC.

Z uwagi na skalę trudności technicznych, wyniki eksperymentu NA49 są obarczone trudnymi do zredukowania czy wyeliminowania błędami pomiarowymi. W rzeczywistości dokładność naszego modelu może być więc nawet większa niż wspomniane 90%. To uprawnia nas do stwierdzenia, że nawet jeśli w zderzeniach działają jakieś dodatkowe, jeszcze nieuwzględnione mechanizmy fizyczne, nie powinny już w istotny sposób wpływać na teoretyczny szkielet modelu, komentuje doktorant Mirosław Kiełbowicz (IFJ PAN).

Po opracowaniu modelu zderzeń „ceglanych stosów”, badacze z IFJ PAN odkryli, że bardzo podobną konstrukcję teoretyczną, określaną jako model smug ogniowych, zaproponowała grupa fizyków z Lawrence Berkeley Laboratory (USA) i Centre d'Etudes Nucléaires de Saclay (Francja) – i to już w 1978 roku.

Dawny model smug ogniowych, o którym zresztą wspominamy w naszej publikacji, zbudowano pod kątem opisu innych zderzeń, zachodzących przy niższych energiach. My stworzyliśmy naszą konstrukcję niezależnie i dla innego przedziału energetycznego, mówi prof. dr hab. Antoni Szczurek (IFJ PAN, Uniwersytet Rzeszowski) i podkreśla: Istnienie dwóch niezależnych modeli, bazujących na podobnej idei fizycznej i dających dobrą zgodność z pomiarami w różnych zakresach energii zderzeń, zwiększa prawdopodobieństwo, że podstawy fizyczne, na których te modele zbudowano, są poprawne.

Krakowski model smug ogniowych dostarcza nowych informacji o ekspansji plazmy kwarkowo-gluonowej w wysokoenergetycznych zderzeniach masywnych jąder atomowych. Opis przebiegu tych zjawisk będzie dalej rozwijany w ramach kolejnego międzynarodowego eksperymentu, SHINE, który już się rozpoczął na akceleratorze SPS.

Badania grupy z IFJ PAN zostały sfinansowane z grantu SONATA BIS Narodowego Centrum Nauki.

« powrót do artykułu