Osobliwe żelazo

Badania naukowe

Czy dzięki temu odkryciu dowiemy się czegoś istotnie nowego? Nie wiem. Przyznam, 
że troszkę się boję, żeby znaczenie nie okazało się mniejsze niż obecne zainteresowanie, związane także z nagrodą Fundacji, którą otrzymałem.

Rozmowa z dr. hab. Markiem Pf?tznerem, 
fizykiem jądrowym, laureatem Nagrody FNP 2003

 Jakie tradycje były w domu, przyrodnicze czy humanistyczne?
– Mój ojciec jest chemikiem w trzecim pokoleniu, po politechnice, a mama lekarzem. Rodzice skłaniali mnie też ku studiom politechnicznym, myśląc, że zapewnią mi dobry zawód. A ja myślałem o uniwersytecie.

– O fizyce?
– O fizyce albo astronomii.

– Czy wizerunek Hożej [mieści się tam Wydział Fizyki UW – M.B.], jako skupiska wybitnych fizyków, miał znaczenie?
– Z pewnością. O Hożej wiedziałem dość wcześnie – kiedyś do naszej szkoły przyszedł prof. Andrzej Kajetan Wróblewski z bardzo ciekawym wykładem o fizyce cząstek elementarnych. Potem chodziłem tam na wykłady dla młodzieży, podobnie jak na ćwiczenia przy ul. Banacha, gdzie w pewne dni zapraszano licealistów. Wiedziałem sporo o uniwersyteckiej fizyce i wybrałem ją, chociaż byłem finalistą Szkolnej Olimpiady Astronomicznej. Mimo tej wiedzy, większej niż wiedza przeciętnego maturzysty, zaraz na początku studiów przekonałem się, że to jest o wiele bardziej fascynujące niż sobie wyobrażałem. Także znacznie trudniejsze. Ale szło mi nieźle.

– Myślał Pan o przyszłej pracy naukowej?
– Nie sądziłem, żebym się do niej nadawał. Odkładałem myśl o pracy, cieszyłem się studiami. Na trzecim roku trzeba było wybrać specjalizację i wtedy przeżywałem rozterki, gdyż interesowały mnie różne rzeczy, a miałem na tyle dobre stopnie, że kilka zespołów proponowało mi specjalizację u siebie. Fizykę jądrową wybrałem troszkę przypadkowo, kierując się względami... ludzkimi. Osoba prof. Jana Żylicza i jego wykłady wywarły na mnie duże wrażenie. A poza tym jego młody asystent w Zakładzie Spektroskopii Jądrowej, Krzysztof Rykaczewski, był moim znajomym z klubu żeglarskiego.

– Czy fizyka jądrowa była wtedy „w pierwszej linii”?
– Nie. W pierwszej linii była na pewno fizyka cząstek elementarnych, ale miałem wątpliwości, czy byłbym do niej dość dobry. Do dzisiaj nie jestem gorącym patriotą fizyki jądrowej, nadal pociągają mnie także inne rzeczy, ale, niestety, trzeba się specjalizować bardzo wąsko.

– Wydaje się, że fizyka jądrowa ma rozległe pogranicza?
– Tak jest i staram się pracować na pograniczach. Fizyka jądrowa – to mi się może najbardziej podoba – daje bardzo dobre narzędzia do rozmaitych dziedzin. W medycynie Nagrodę Nobla przyznano ostatnio za wykorzystanie rezonansu magnetycznego, mówiąc najogólniej – rzecz z pogranicza fizyki jądrowej. Astrofizyka (to temat bliski mojej ulubionej astronomii) stara się wyjaśnić, skąd się wzięły pierwiastki chemiczne w kosmosie; fizyka jądrowa ma tu ważny udział. Wiele podobnych przykładów mógłbym podać.

– A czy w fizyce jądrowej jest dużo pytań, na które ambitny badacz chciałby odpowiedzieć?
– Sporo, z tym, że większość z nich, to takie, na które można próbować odpowiadać, po pierwsze, tylko we współpracy z innymi, w zespole, po drugie, badania, które mogą przynieść interesujące odpowiedzi, są możliwe tylko w kilku ośrodkach na świecie.

– Pan pracował właśnie w tych ośrodkach?
– Pracę doktorską robiłem u prof. Żylicza, który zaproponował mi ciekawy problem, dający się rozwiązać w naszym laboratorium, raczej skromnie wyposażonym. Po doktoracie z reguły wyjeżdża się na staż i wtedy miałem wybór. Chciałem pojechać do Darmstadt, wiedząc, że GSI (Ośrodek Badań Ciężkojonowych) to pierwszorzędne laboratorium w dziedzinie, którą się zająłem. Pojechałem na dwa lata i trafiłem akurat na okres rozbudowywania aparatury badawczej, do czego musiałem się włączyć. Nie zachwycało mnie to, ale dzisiaj widzę, że było bardzo dobre, ponieważ opanowałem techniki doświadczalne, których inni jeszcze nie znali. Uczestniczyłem w uruchamianiu, testowaniu, potem w pierwszych eksperymentach na urządzeniach zupełnie nowej klasy. W Darmstadt zbudowano wówczas akcelerator przyśpieszający ciężkie jony do dużych energii oraz urządzenie, które się nazywa separator fragmentów, a służy, mówiąc najprościej, do wybierania spośród produktów reakcji jądrowej tych, które nas interesują. Posługujemy się nim przy badaniu bardzo egzotycznych nuklidów (jądra atomowe pierwiastków), bardzo nietrwałych i rzadkich, jakie się uzyskuje w pojedynczych atomach. Uczestnicząc w budowaniu tego urządzenia – sam zbudowałem pewien detektor – dobrze się nauczyłem nowej techniki i kiedy drugi raz pojechałem do Darmstadt, miałem już własny projekt badawczy, własne pytania, mogłem kierować pracą zespołu.

– Czy to już były badania nad promieniotwórczością dwuprotonową, za której odkrycie dostał Pan nagrodę FNP?
– Projekt badania nuklidów „podejrzanych” o promieniotwórczość dwuprotonową istniał już wcześniej. Stawiałem sobie pytania, które z nich można wyprodukować, a także ile takich atomów dałoby się uzyskać...

– A kiedy pojawiły się podejrzenia?
– Samo zjawisko promieniotwórczości dwuprotonowej przewidziano w 1960 roku i już wtedy było wiadomo, że trzeba go szukać w pewnym określonym obszarze świata nuklidów, pośród takich, które mają średnią masę i duży niedobór neutronów. Za najbardziej prawdopodobnych kandydatów uznano żelazo45 (Fe45) i nikiel48 (Ni48) – izotopy, których jądra atomowe zawierają, odpowiednio, 45 i 48 nukleonów (protonów i neutronów).

– Przewidywanie nie zostało potwierdzone doświadczalnie aż do momentu, kiedy Panu się to udało?
– Dopóki nie mieliśmy separatora fragmentów, o którym wspomniałem, po prostu nie było to możliwe. Po raz pierwszy zaobserwowaliśmy Fe45 w GSI, a później we francuskim laboratorium GANIL, przy użyciu podobnej techniki. Rozwinął się z tego program naukowy prowadzony równolegle. W obu przedsięwzięciach braliśmy udział. W niemieckim był to udział bardzo istotny, a w ostatnim eksperymencie nie waham się powiedzieć – wiodący.

– Na czym polegał?
– Pomysł pierwszego eksperymentu zgłosili Francuzi z instytutu w Bordeaux. Chodziło o to, żeby zbadać w ogóle możliwość produkcji tych „podejrzanych” nuklidów. Było to w roku 1982. Wtedy (już po pierwszym pobycie w Darmstadt) umiałem robić takie eksperymenty, ale jeszcze nie miałem własnych projektów. Zaproszono mnie do udziału. W 1995 udało się, po raz pierwszy, wytworzyć kilka atomów Fe45. Stało się więc tak, że odkrycie tego „osobliwego” żelaza nastąpiło w eksperymencie zaproponowanym przez Francuzów, w którym jednak mój udział był już bardzo znaczący. Byłem odpowiedzialny za przygotowanie eksperymentu, sterowanie separatorem fragmentów i cały elektroniczny układ zbierania oraz analizy danych. Jestem oczywiście współautorem publikacji tego odkrycia. Gdy w GSI pojawiła się szansa na kolejny krok, miałem pomysł jak to trzeba zrobić i udało mi się go zrealizować.
Opowiadam skrótowo, sytuacja była, oczywiście, bardziej skomplikowana. Żeby kierować eksperymentem, trzeba zaproponować jego ideę komitetowi, wygrać konkurs, a zanim do tego dojdzie, trzeba być liczącym się partnerem we współpracy międzynarodowej.

– Oba eksperymenty przyniosły ten sam rezultat, tj. potwierdziły dwuprotonową promieniotwórczość podejrzanych o nią nuklidów?
– We Francji odkrycie przez rok leżało w szafie, zarejestrowane na taśmach magnetycznych. Ci, którzy przeprowadzali eksperyment, nie przyłożyli się chyba do analizy tych taśm, wobec tego nie zobaczyli rewelacji, jakie się tam kryły.

– Trudno to zrozumieć.
– W czasie eksperymentu wytwarzamy nietrwałe jądra atomowe, które spontanicznie ulegają rozpadowi. Cząstki „wybiegające” wtedy z jądra są wyłapywane przez detektory, a sygnały elektroniczne z detektorów komputer rejestruje na taśmie. W czasie, kiedy się to dzieje, niewiele wiadomo. Wtedy, we Francji, wiedzieliśmy, że udało się wyprodukować około 20 atomów Fe45. Żeby zobaczyć, co się z nimi stało wystarczyło zanalizować zapisy na taśmach. Zwątpiłem w sens powtarzania eksperymentu w Niemczech, zwłaszcza że tam nie dałoby się uzyskać tylu atomów, co w GANIL. Mijały miesiące i z Francji nie napływały żadne wyniki...

– Pan sam nie badał tych taśm?
– Nie, ponieważ Francuzi byli inicjatorami i to oni brali odpowiedzialność za rezultaty. Pytałem siebie i innych, zwłaszcza ludzi z GANIL, czy warto robić eksperyment w Darmstadt. Słyszałem, że tak, bo „nam nic nie wyszło”, a hipoteza promieniotwórczości dwuprotonowej przecież istnieje. Nie wiem do dzisiaj, czy oni w ogóle nie popatrzyli na te taśmy, czy zrobili to niedbale... I przyznam, że też tego nie rozumiem.

– A czy dla fizyka zobaczenie śladów takiego promieniowania na taśmie magnetycznej jest trudne?
– Nie, jest tylko pracochłonne, wymaga cierpliwości. No i uwagi.

– Laikowi wydaje się niepojęte, żeby badaczom zabrakło cierpliwości, kiedy spodziewają się ważnego odkrycia.
– Jedna rzecz może tłumaczyć tę sytuację. Nie było wiadomo, jaki jest średni czas życia izotopu Fe45. Według przewidywań teoretycznych, mógł być bardzo krótki, rzędu mikrosekund (milionowych części sekundy), i wtedy w eksperymencie francuskim nie byłoby szans na wykrycie tego rozpadu. Po prostu komputer nie zdążyłby tak krótkotrwałego zdarzenia zarejestrować. Być może, nie stwierdziwszy niczego ciekawego w pobieżnej obserwacji, Francuzi zasugerowali się tym przypuszczeniem. Dowiedziawszy się, że im „nie wyszło”, również sądziłem, że to świadczy właśnie o mikrosekundowym czasie życia. Wobec tego eksperyment w Niemczech zaprojektowaliśmy tak, by również te krótkie czasy zarejestrować, co było technicznie możliwe.

– Co się okazało?
– Podczas eksperymentu zaobserwowaliśmy tylko cztery atomy. potem okazało się, że jest ich sześć. Od razu zanalizowałem tę część danych, która dotyczyła krótkich czasów życia, silnie zasugerowany niepowodzeniem Francuzów. Niczego nie znalazłem, więc uznałem, że znów się nie udało. Mając inne rzeczy na głowie, zostawiłem to wszystko na kilka miesięcy, po czym, dopiero wczesną wiosną 2002 roku, kiedy wypadał termin przedstawienia planów na przyszłość, na podstawie uzyskanych wyników zacząłem jeszcze raz analizować te dane. Dopiero wtedy znalazłem na taśmach sygnały odpowiadające rozpadowi dwuprotonowemu. Jak pani widzi, droga do tego odkrycia była kręta i z przeszkodami.

– Rozumiem, że te sygnały mówiły o dłuższym czasie rozpadu?
– Tak jest, o rozpadzie milisekundowym (tysięczne części sekundy). Cztery zdarzenia pasowały do naszego obrazu, tzn. cztery atomy zdawały się potwierdzać hipotezę rozpadu dwuprotonowego. Trzeba się było jednak liczyć z tym, że to może być przypadek, jakiś efekt tła itp. Około dwóch miesięcy zajęło mi sprawdzanie, czy to na pewno są ślady rozpadu nuklidów Fe45. Powiadomiłem Francuzów, oni wtedy rzucili się do badania swoich taśm i niemal w tym samym momencie, gdy przygotowałem publikację, ogłosili wyniki, opisujące dwanaście zdarzeń rozpadu dwuprotonowego Fe45. Moja publikacja została kilka dni wcześniej wysłana do druku. My mamy pierwszeństwo, a oni w ostatniej chwili zdążyli.

– Pan uczestniczył w jednym i drugim eksperymencie.
– Tak. Oczywiście, cieszę się z tego potwierdzenia w GANIL, bo przy czterech atomach uzyskanych w Darmstadt mogłyby być wątpliwości.

– Zadam pytanie trywialne, jak dużym krokiem „w głąb materii” jest odkrycie promieniotwórczości dwuprotonowej?
– Myślę, że ma znaczenie dwojakie. Po pierwsze, historyczne, polegające na pokazaniu, że można badać rozpady nuklidów bardzo egzotycznych, których tylko pojedyncze atomy uzyskujemy. Włączamy zatem w obszar fizyki jądrowej całą rzeszę takich nuklidów. Po drugie, pokazuje zupełnie nowe zjawisko. Znaliśmy kilka rodzajów promieniowania – ten jest inny i dalsze jego badanie może przynieść niespodzianki. Czy dzięki temu odkryciu dowiemy się czegoś istotnie nowego? Nie wiem. Przyznam, że troszkę się boję, żeby znaczenie nie okazało się mniejsze niż obecne zainteresowanie, związane także z nagrodą Fundacji, którą otrzymałem.

– Gdyby niespodzianek nie było, tj. gdyby to odkrycie nie otwierało nowej drogi, pozostanie ważnym faktem z zakresu wiedzy o rozpadzie jąder atomowych, mówiąc najprościej?
– Moim zdaniem, tak. Może się jednak okazać, że tylko jeden nuklid ulega rozpadowi, któremu towarzyszy promieniowanie dwuprotonowe.

– Proszę przypomnieć, na czym polega „normalny” rozpad jąder atomowych, żeby czytelnicy zdali sobie sprawę z osobliwości żelaza45.
– Jest to nuklid z grupy neutronodeficytowych, tzn. takich, gdzie mamy mniej neutronów niż protonów, czyli mniej niż potrzeba, żeby były trwałe. Ta grupa, bardzo liczna (tysiące), stanowi mniej więcej połowę świata nuklidów. I wszystkie one mają możliwość rozpadu poprzez dobrze znany proces Beta plus. Druga połowa ulega rozpadowi Beta minus, a istnieją jeszcze inne rodzaje promieniowania, które pominę. Fe45 też może się rozpadać na drodze Beta plus, ale okazuje się, że częściej wybiera inną drogę, właśnie owo odkryte przez nas promieniowanie dwuprotonowe. Wiąże się to z relacjami energetycznymi. Gdyby energia dwóch protonów emitowanych była tylko troszkę mniejsza, dominowałby rozpad Beta plus.

– Czy da się przewidzieć, jaka ta energia będzie, zatem jaki rozpad nastąpi?
– Nie, tego się nie da przewidzieć. Nie znamy dokładnie mas nuklidów i nie ma nadziei na to, żeby dało się obliczyć je teoretycznie tak dokładnie, byśmy mogli powiedzieć, że ten rozpadnie się tak, a tamten inaczej. Musimy powtarzać eksperymenty. Na pięć przypadków rozpadu Fe45, jakie widziałem, cztery odpowiadają promieniotwórczości dwuprotonowej, a jeden wygląda tak, jakby to był rozpad Beta plus.

– Czy Pańskie odkrycie przyniosło coś nowego metodologicznie?
– Właściwie nie. Wystarczyły tradycyjne metody spektroskopii jądrowej, jakkolwiek przygotowaliśmy się do zbadania tego rozpadu krótkożyciowego, mikrosekundowego, o którym mówiłem i zaproponowaliśmy wykorzystanie specjalnych układów elektronicznych. Było to nowatorskie zastosowanie elektroniki cyfrowej w fizyce jądrowej (w fizyce wysokich energii jest stosowana od dawna).

– Jakie będą dalsze kroki w poznawaniu nowej promieniotwórczości? Czy są tu jeszcze istotne pytania?
– O, tak. Nie wiemy najważniejszego: jak te dwa protony wybiegają z jądra atomowego. Wiadomo, że wybiegają jednocześnie. Znamy całkowitą energię rozpadu, a chcielibyśmy wiedzieć, jak one się tą energią dzielą – równo czy któryś bierze więcej? Chcielibyśmy zmierzyć oddzielnie energię i kierunek emisji każdego protonu. Odpowiedzi na te i jeszcze inne pytania dadzą nam lepszą wiedzę o tym, co dzieje się wewnątrz jądra atomowego, co te protony tam „porabiają”. Wrócę jednak do wątpliwości. Gdyby się okazało, że promieniotwórczość dwuprotonowa jest właściwością tylko Fe45 (kandydatów do tego jest kilku pośród nuklidów), będzie to wiedza dosyć ograniczona...

– Rozumiem, że to można stwierdzić eksperymentalnie, ale czy nastąpi taki moment, kiedy będzie wiadomo na pewno, że tylko te, a nie inne nuklidy mogą emitować dwa protony w procesie rozpadu?
– Trzeba przeprowadzić pewną skończoną serię eksperymentów, żeby to ustalić. W grę wchodzą nuklidy, będące, jak mówimy, na granicy stabilności. Mają one skrajny niedobór neutronów i gdyby zabrać im jeszcze jeden, po prostu przestaną istnieć w czasie tak krótkim, że nie da się tego zaobserwować.

– Czy spodziewa się Pan promieniowania dwuprotonowego poza „osobliwym” żelazem45?
– Mam taką nadzieję, ale tylko tyle. Przewidywania teoretyczne w tej kwestii różnią się między sobą i nie można powiedzieć, że jedne są bardziej prawdopodobne niż inne. To trzeba zobaczyć.

– Gdyby nadzieja się spełniła, to przed nauką o promieniotwórczości otworzą się nowe horyzonty?
– Jeśli okazałoby się, że dwa protony emitowane przez Fe45 i (oby!) przez inne jeszcze nuklidy, zachowują się zupełnie inaczej niż się spodziewamy, to być może otworzą się nowe horyzonty. Ale... niespodzianek się nie przewiduje.

– Żelazo45 nie występuje w naturze?
– Nie. Na Ziemi można je uzyskać tylko w laboratorium. Prawdopodobnie w kosmosie, w pewnych gwałtownych, eksplozywnych procesach astrofizycznych, pojawiają się te nuklidy i natychmiast ulegają przemianie, tak że i tam, zapewne, nie odgrywają znaczniejszej roli.

– Pana odkrycie wywołało, jak wiem, duże zainteresowanie w świecie.
– W tym roku trzykrotnie zapraszano mnie na konferencje z wykładem na ten temat. Nie ruszy jednak lawina prac o promieniotwórczości dwuprotonowej, dlatego że badania nad nią można prowadzić tylko w trzech laboratoriach na świecie. Grupa francuska planuje kolejny eksperyment w GANIL, z naszym udziałem. W GSI uzyskuje się za mało atomów, więc tam nie planujemy prac. Zamierzamy przeprowadzić eksperyment w Stanach Zjednoczonych, gdzie warunki są chyba obecnie najlepsze.

– Czy to będzie powtórzenie tego samego eksperymentu, dla potwierdzenia wyników?
– Chcemy powtórzyć eksperyment z większą dokładnością. Dalej, chcemy szukać następnych kandydatów do rozpadu z emisją dwu protonów i wreszcie, jak wspomniałem, zbadać oddzielnie te protony. To ostatnie może nam coś powiedzieć o niezwykle skomplikowanej strukturze jądra atomowego. Fe45, które jest „bohaterem” tych wydarzeń i naszej rozmowy, ma jądro złożone z 45 cząstek (26 protonów i 19 neutronów), powiązanych ze sobą tzw. silnymi oddziaływaniami. Silne oddziaływania – bardzo to z konieczności upraszczam – kojarzą w pary cząstki, które poza strukturą jądra odpychają się. Otóż, zastanawiające jest, czy dwa protony emitowane podczas rozpadu są taką właśnie parą i czy niosą one ślady tego oddziaływania. Wszystkie te zagadnienia bardzo trudno opisać teoretycznie i eksperymenty mogą tu sporo wyjaśnić.

Rozmawiała 
Magdalena Bajer

Komentarze