Między Hożą a gwiazdami

Badania naukowe

Badanie jąder egzotycznych jest zbliżaniem się do poznania podstawowego oddziaływania składników jądra. Jeśli je bliżej poznamy, będziemy mogli dokładniej przewidywać 
własności i być może znajdzie się coś, co pozwoli na nowe zastosowania.

Rozmowa z prof. Jackiem Dobaczewskim, fizykiem, 
laureatem konkursu „Subsydia profesorskie FNP 2003”

 Czy miał Pan rodzinne tradycje w zainteresowaniach naukami ścisłymi?
– Raczej tradycje techniczne. Mój ojciec był informatykiem, całe życie pracował z komputerami, mama – geodetą-naukowcem i pracowała w politechnice. Tradycji humanistycznych też nie miałem, chyba że szukać u dziadka – adwokata... Jeśli miałbym jakoś określić klimat mojego domu, to powiem, że był nacechowany racjonalnością.

Zainteresowanie fizyką zaczęło się w gimnazjum im. Jana Zamoyskiego w Warszawie, gdzie był świetny poziom i ostra dyscyplina. Uczył nas pan Jerzy Danek, a robił to zupełnie niestandardowo. Odkładał na bok podręcznik i fascynująco opowiadał o fizyce. Mieliśmy Koło Miłośników Fizyki, po lekcjach robiło się bardzo wyszukane doświadczenia. Nie miałem żadnych wątpliwości, co będę studiował. Kiedy byłem na drugim roku, przyszedł do nas na ćwiczenia dr Julian Srebrny (teraz bardzo się przyjaźnimy i mamy wiele wspólnych prac) i zapytał, kto chciałby robić coś ciekawego. Zgłosiliśmy się z kolegą i tak się zaczęło trwające do dziś spotkanie z fizyką jądrową. Wtedy nie wiedziałem, oczywiście, że to będzie „moja” dziedzina.

Skończyłem studia w roku 1974, a że byłem jednym z lepszych studentów zatrzymano mnie na wydziale. Kto mógł, „szedł na teorię”, która była w Warszawie i mocna, i modna. Ja też poszedłem, a zorientowawszy się, jak bardzo trudne są doświadczenia – w Polsce prawie niemożliwe, współpracy z krajami zachodnimi nie było – upewniłem się co do tego wyboru.

– Jakie były relacje między teoretykami i doświadczalnikami?
– Były i są znakomite. Dzięki temu, nie będąc jeszcze zupełnie zdecydowany, co chcę robić, chodziłem do różnych grup, przyglądałem się i... postanowiłem zostać przy fizyce jądrowej, jako teoretyk.

– Laikom fizyka jądrowa kojarzy się raczej z doświadczeniem. Być może to fałszywy stereotyp?
– Sytuacja jest taka: bardzo wiele ośrodków rzeczywiście robi doświadczenia, zebrano mnóstwo danych, inaczej niż w fizyce cząstek elementarnych, grawitacji czy w kosmologii, gdzie doświadczenia są niesłychanie rzadkie, ponieważ są szalenie skomplikowane, pracochłonne i kosztowne. Bywa, że nad jednym pomiarem dokonanym w takim kluczowym, doskonale przygotowanym eksperymencie pracuje potem 2000 osób przez... dziesięć lat, rozwiązując jakiś ważny problem.

– Czy koncepcje teoretyczne poprzedzają eksperymenty, które potem pozwalają te koncepcje weryfikować?
– Tak.

– Jak jest w fizyce jądrowej?
– Trochę inaczej. Doświadczenia są tu możliwe, przeprowadza je bardzo wiele laboratoriów, a problem polega na tym, że trzeba zgromadzony materiał usystematyzować i wyciągać ogólniejsze wnioski.

– Doświadczenie poprzedza teorię?
– Dzisiaj już nie. Tak było wtedy, gdy zaczynałem pracę naukową. Teoretycy porządkowali dane, interpretowali, starali się pokazywać generalne właściwości, tworzyć proste modele do opisywania tych właściwości... Teraz teoria wydaje się – znowu – grać rolę wiodącą. W licznych, powiedziałbym – typowych doświadczeniach przebadano, co było do zbadania, sformułowano główne idee (to nie znaczy, że wszystkie wyniki zrozumiano) i pojawiło się pytanie, co jest poza tym, nieźle poznanym obszarem, co w fizyce jądrowej można zrobić nowego? Oczywista odpowiedź brzmi: Trzeba pójść w stronę „jąder egzotycznych”.

– Proszę jeszcze przez moment pozostać na obszarze poznanym i przybliżyć czytelnikom to, co tam jest.
– Znamy w przyrodzie 253 jądra atomowe stabilne, czyli trwałe lub żyjące tak długo, jak Ziemia, które można „wykopać” w różnych rudach. Są bardzo dobrze przebadane, niewiele pytań pozostało. Teoretycy pracują nad szczegółami i choć w nauce bywają niespodzianki, choć w tych szczegółach ciągle odszukujemy fascynujące efekty fizyczne, nie wydaje się, żeby można odkryć własności „rewolucyjne”, które zmieniłyby np. ideę zastosowania tych badań. Kiedyś prosta koncepcja rozszczepienia jądra doprowadziła do powstania reaktorów atomowych i bomb jądrowych, teraz nie spodziewamy się czegoś podobnego – w sferze jąder stabilnych, tych które znamy. Oprócz nich jest około 1500 jąder niestabilnych, takich, które rozpadają się bardzo szybko – ich czas życia wynosi od tysięcy lat do... mikrosekund. Powstają w laboratorium i na ogół w tym samym laboratorium są badane, gdyż większości z nich nie da się transportować, żyją za krótko. Między tymi dwoma „światami” jest przejście ciągłe – od jąder stabilnych, dobrze poznanych, do tych krótkożyciowych, mikrosekundowych, rzeczywiście dziwacznych.

– Egzotycznych, którymi Pan się zajmuje?
– Tak je nazywamy. I od nich oczekujemy różnych osobliwych zjawisk. Fizycy przewidują takie zjawiska, poszukują ich. Ja rzeczywiście tymi jądrami się zajmuję i na dalsze prace w tej dziedzinie dostałem subsydium.

– Na czym polega ich egzotyka?
– Jądra atomowe składają się, jak wiemy, z protonów i neutronów. W tych, z jakich my jesteśmy zbudowani – węgiel 12, tlen 16 – nic się nie dzieje. Są to trwałe izotopy pierwiastków, ich jądra atomowe niczego nie emitują, nie rozpadają się. Jeśli jednak dodać im albo ująć neutronów, czyli zakłócić równowagę między neutronami i protonami, powstają izotopy nietrwałe, których jądra się rozpadają. Dodając dużo neutronów otrzymujemy bardzo ciężki izotop danego pierwiastka, „odrywając” je – odpowiednio lekki izotop.

– Czy takie izotopy występują w przyrodzie?
– W przyrodzie... gwiezdnej. Na Ziemi można je wytwarzać wyłącznie w laboratorium.

– A jak daleko można iść w dodawaniu lub ujmowaniu neutronów czy też innych składników?
– Uzyskano tzw. jądra superciężkie – nie znamy nawet pierwiastków, które mogłyby mieć takie jądra – zawierające bardzo dużo neutronów i jednocześnie bardzo dużo protonów. Najcięższym dotąd zsyntetyzowanym jest pierwiastek o liczbie protonów 112, może 114, no może 116; co do dwu ostatnich trwają dyskusje. Ten pierwszy (podobnie jak izotop 111) nie ma jeszcze swojej nazwy, którą nadaje odkrywca po tym, jak inne laboratorium potwierdzi jego odkrycie. Takie potwierdzenia to dość niewdzięczna i żmudna praca, nieraz ciągnie się długo. Całkiem niedawno dla pierwiastka 110 zaproponowano nazwę „Darmstadtium”, gdyż w darmsztadzkim ośrodku został odkryty.

– Czy można sobie wyobrazić jeszcze cięższe izotopy?
– To pytanie jest przedmiotem bardzo gwałtownej debaty teoretyków. Jedni uważają, że można przewidywać jakieś własności do liczby 114, inni, że do 126 – to są „liczby magiczne”. Dalej też może się coś zdarzyć, ale coś zupełnie nieprzewidzianego.

– Czy poza motywem poznawczym, poza pragnieniem stworzenia czegoś, czego nie ma w ziemskiej przyrodzie, fizycy mają inne powody, żeby badać egzotyczne jądra atomowe?
– Chcielibyśmy się dowiedzieć, czy mają one szczególne własności i jakie. Wiemy od dawna, że jądro zbudowane jest z dwu cegiełek i dość dobrze znamy oddziaływania wzajemne tych cegiełek. Niestety, to jest niesłychanie skomplikowane. Nie da się „wziąć” cegiełek, poddać ich oddziaływaniu (nieźle, jak mówię, znanemu) i obliczyć własności jądra. Nie przewidujemy tego... w skali tysiąclecia! Inne jest oddziaływanie jednego neutronu z jednym neutronem w próżni, a inne, kiedy te dwa neutrony są w jądrze atomowym otoczone przez 300 różnych cząstek elementarnych wzajemnie oddziałujących. Pracując nad tym trudnym problemem stosujemy przybliżenia, starając się, żeby były coraz bardziej godne zaufania – to jest rola teoretyków. Próbujemy niejako „wydobywać” oddziaływania elementarne z całego gąszczu oddziaływań zachodzących w materii, nie w próżni.
Badanie jąder egzotycznych, najlżejszych czy najcięższych, jest właśnie takim przedzieraniem się przez gąszcz, zbliżaniem do poznania podstawowego oddziaływania składników jądra. Jeśli je bliżej poznamy, będziemy mogli dokładniej przewidywać własności i być może w tym gąszczu rzeczy jeszcze niepoznanych znajdzie się coś, co pozwoli na nowe zastosowania. Gdyby się np. okazało, że poza dziś przyjętą granicą jest „wyspa stabilności” – obszar, gdzie jeszcze cięższe jądra niż te, które znamy, żyją dni albo lata – byłoby to niesłychanie doniosłe odkrycie i miałoby zastosowanie natychmiastowe: tworzenie magazynu energii. Na razie jest to science fiction, dlatego że, jak mówiłem, oddziaływanie składników jądra atomowego – a tych składników jest w jądrach superciężkich bardzo wiele – to właśnie podstawowe oddziaływanie, od którego wszystko się zaczyna, nie da się dokładnie obliczyć.

Ale i w obrębie istniejących granic, po stronie neutrono-deficytowej (lekkie izotopy) i po stronie neutrono-nadmiarowej (ciężkie izotopy), teoretycy przewidują i badają bardzo dziwne zjawiska. Jednym z nich jest „skóra neutronowa”. Jeśli do jądra atomowego dodajemy neutrony, to mogą one umieścić się w środku, powodując większą gęstość, ale mogą utworzyć grubą warstwę zewnętrzną, „skórę” – zależy to od oddziaływań, od przyciągania z protonami. To fascynujące, bo oto w laboratorium mamy układ czystej materii neutronowej, jaka nie występuje na Ziemi, a nagminnie występuje w kosmosie, w gwiazdach neutronowych.

– Jądro z taką „skórą” jest troszkę podobne do gwiazdy neutronowej?
– Tak, z naciskiem na słowo „troszkę”. Spośród wszystkich układów, jakie możemy badać na Ziemi, jest najbardziej podobne i dlatego badanie takich jąder może nam sporo powiedzieć o układach gwiezdnych niedostępnych naszemu doświadczeniu.

– Czy astrofizyka jest tu punktem odniesienia dla fizyki jądrowej czy też odwrotnie?
– To jest droga w dwóch kierunkach. Jestem fizykiem, więc powiem, że mój kierunek wydaje mi się ważniejszy czy bardziej obiecujący. Astrofizycy myślą to samo o swojej dziedzinie... Podam przykład, jak przydajemy się astrofizykom. Otóż, struktura gwiazdy neutronowej zależy od oddziaływań jądrowych, zatem ich zbadanie pozwoli zdefiniować, czym w istocie jest gwiazda neutronowa. Bez tak zwanego „równania stanu”, które jest czystym problemem fizyki jądrowej, nie można przewidywać własności takiej gwiazdy, np. jej profilu gęstości, tego o ile gęstość jest większa w środku niż na powierzchni. Nie da się nic o tym powiedzieć, jeśli się nie zbada w laboratorium tego, jak zależy gęstość od ciśnienia.

– A co mówią astrofizycy fizykom jądrowym?
– Mówią rzeczy może mniej oczywiste, ale istotne. Wiadomo np., że gwiazdy neutronowe obracając się wytwarzają pulsy promieniowania (stąd pulsary) i w tych regularnych pulsach następują gwałtowne zmiany częstości. Przyczyną tego jest, mówiąc w największym uproszczeniu, zmiana promienia gwiazdy, jej lekkie zapadanie się. Zależy to od struktury zewnętrznej gwiazdy, tę zaś tworzy materia neutronowa, w której zanurzone są jądra... bardzo podobne do tych, jakie wytwarzamy w laboratorium, tych otoczonych „skórą neutronową”. Wobec tego wiadomości uzyskane w badaniu gwiazd mogą przydać się nam na Ziemi do poznawania własności jąder atomowych.

– Czy istnieje współpraca?
– Oczywiście. Sam robiłem wspólne prace z prof. Pawłem Haenslem z Centrum Astronomicznego im. Mikołaja Kopernika. Ostatnio zajmujemy się tzw. zagadnieniem nukleosyntezy. Jest to proces zachodzący w eksplozjach gwiezdnych – astrofizycy dyskutują, czy są to eksplozje supernowych, czy też zderzenia gwiazd neutronowych – podczas którego, i tylko wtedy, mogą powstawać niektóre ciężkie pierwiastki.

– Czy taki proces można naśladować w laboratorium?
– Bezpośrednio nie, ponieważ zachodzi on w gazie neutronowym o wysokiej temperaturze i ogromnej gęstości, jakich na Ziemi w żaden sposób uzyskać nie potrafimy. Natomiast nie jest zbyt trudno modelować go matematycznie. Trzeba założyć odpowiednią temperaturę oraz gęstość neutronów, a potem modelować, jak jądra atomowe pochłaniają te neutrony, zatem jak powstają izotopy pierwiastków ciężkich. Najtrudniejszą kwestię teoretyczną stanowią własności jąder pochłaniających i tym właśnie się zajmujemy. Nasze wyniki mają bezpośredni wpływ na obliczenia astrofizyczne dotyczące rozpowszechnienia pierwiastków w przyrodzie (ile jest danego pierwiastka na Słońcu, na innych gwiazdach...). Porównując jedne z drugimi wnioskuje się nie tylko o procesie powstawania pierwiastków, ale i o własnościach jąder neutrono-nadmiarowych. To jest dokładnie przedmiot naszej współpracy oraz odpowiedź na pytanie o relacje astrofizyki i fizyki jądrowej.

– Na co przeznaczy Pan subsydium?
– Na kontynuację badań, które przedstawiłem, a największą część na stypendia naukowe dla młodych współpracowników. Teoria tych układów z jądrami egzotycznymi jest jeszcze w powijakach. Teorie stosowane do jąder stabilnych tutaj „pracują” albo niepoprawnie, albo w bardzo „gruby sposób”. Stoimy przed koniecznym przełomem, musimy doskonalić sam opis jąder egzotycznych i badać oddziaływania w nich zachodzące, żeby jak najlepiej przewidzieć własności. I potem sprawdzać nasze wyniki w doświadczeniu.

– Czy dobrze rozumiem, że na tym polu teoria jest teraz w tyle za doświadczeniem?
– Zdecydowanie tak, jeśli chodzi o stopień jej zaawansowania. Ale musimy robić, co możemy. Mamy mnóstwo do zrobienia, zwłaszcza że doświadczenie pójdzie niesłychanie do przodu w najbliższym czasie. Jest kilka bardzo poważnych projektów, które najprawdopodobniej do półtora tysiąca znanych jąder dodadzą... około tysiąca nowych.

– A i tamte nie są do końca zbadane?
– To jest tak: do porządnego zbadania trzeba mieć wiele egzemplarzy. Jeśli wytworzy się trochę tych nowych, dopiero przewidywanych jąder, to „starych” powstanie przy tym tyle, że będzie można bardzo dokładnie je zbadać.

W tej chwili są na ukończeniu trzy wielkie eksperymenty. W Japonii buduje się tzw. fabryki jąder egzotycznych, gdzie będą wytwarzane w ogromnej ilości. W Darmstadt powstaje nowy akcelerator, który również do tego posłuży. Najważniejszy projekt to Rare Isotopes Accelerator (przyspieszacz rzadkich izotopów), koncepcyjnie już gotowy, nad którym dyskutuje Kongres amerykański, jako że koszt wynosi około 900 milionów dolarów. Fizycy z całego świata bardzo ten projekt popierają, zwracając uwagę, że jest tańszy niż inwestycje w fizyce cząstek elementarnych, sięgające miliardów dolarów.

– Polska ma czy też będzie miała dostęp do wszystkich tych ośrodków?
– Jak najbardziej. To są ośrodki otwarte. Nie możemy w obecnej sytuacji przyłożyć się nawet jednym dolarem do budowy, natomiast niemało wnosimy myśli teoretycznej.

– Jakie jest nasze miejsce w światowym spektrum badań, o których rozmawiamy?
– Zarówno w teorii, jak doświadczeniu jesteśmy w czołówce. Mamy znakomite grupy doświadczalne fizyków jądrowych – w Warszawie i Krakowie. Badania jąder egzotycznych, szczególnie neutrono-deficytowych, są w Warszawie na najwyższym poziomie. Koledzy (dr Marek Pfutzner) odkryli ostatnio izotop żelaza 48 – najlżejszy, jaki znamy. Zaprojektowali doświadczenie od początku do końca i mieli wiodący udział w jego wykonaniu za granicą. W teorii również, moim zdaniem, jesteśmy na pierwszej linii, jako jedna z nielicznych grup, które potrafią nie tylko pracować nad jądrami egzotycznymi, ale pomóc doświadczalnikom w projektowaniu gigantycznych urządzeń. To, jak one mają być zbudowane, zależy od rodzaju badań, jakie trzeba przeprowadzić, a te przewidują teoretycy.

– Czy do fizyki jądrowej przychodzą dzisiaj młodzi?
– Staramy się o to, ale gros młodych przyciąga fizyka cząstek elementarnych, znakomicie w Warszawie reprezentowana. Bardzo intensywnie prowadzimy tzw. zaciąg pozawarszawski i nasi młodzi adepci pochodzą głównie z innych uczelni. Mamy dobrą współpracę z Politechniką Warszawską, z Uniwersytetem Marii Curie-Skłodowskiej... Cierpimy, jak w ogóle wydziały nauk ścisłych, z powodu tego, że młodzi ludzie, którzy je kończą (ostatnio w ogóle mniej), bardzo często trafiają do... banków. Jest to nasz wielki problem.

Rozmawiała Magdalena Bajer 

Komentarze