Badania

Ogniste smugi zderzeń jąder atomów

Opublikowano: 2017-06-09

forum akademickie

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)


PARTNERZY

forum akademickie
forum akademickie
forum akademickie
forum akademickie
forum akademickie
forum akademickie
forum akademickie
forum akademickie
forum akademickie
forum akademickie
forum akademickie
forum akademickie
forum akademickie
forum akademickie
forum akademickie