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 PAN 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. Bezpośrednia obserwacja przebiegu zjawiska nie jest obecnie możliwa. W takich sytuacjach trzeba opracowywać modele teoretyczne i konfrontować je potem z danymi zebranymi podczas doświadczeń.
W przypadku zderzeń jąder atomowych ogromnym utrudnieniem jest fakt powstawania plazmy kwarkowo-gluonowej, w której interakcje między cząstkami 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, wskutek efektów wynikających z teorii względności, spłaszczają się w kierunku ruchu. Gdy dwa takie „placki” nadlatują ku sobie, zderzenie na ogół nie jest centralne. Tylko część protonów i neutronów jednego jądra trafia w drugie, jednocześnie niektóre zewnętrzne fragmenty jądrowych „placków”, nie napotykając na swej drodze przeszkody, kontynuują niezakłócony lot. Fizycy nazywają 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, fizycy postanowili podzielić jądra wzdłuż kierunku ruchu na szereg pasów – „cegiełek”. Każde jądro wyglądało więc jak stos ułożonych jedna na drugiej cegieł. W ten sposób model redukował zagadnienie do kilkudziesięciu równoległych zderzeń, z których każde zachodziło między dwiema cegiełkami. Przewidywania modelu skonfrontowali z danymi zebranymi dla zderzeń masywnych jąder atomowych w trakcie eksperymentu NA49 na akceleratorze SPS.
– 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.
Po opracowaniu modelu zderzeń „ceglanych stosów”, badacze odkryli, że bardzo podobną konstrukcję teoretyczną, 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. – 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.
Polski 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.
Jk
(źródło: IFJ PAN)