W zderzeniach jąder atomowych tworzą się „ogniste smugi”

10 maja 2017

EurekAlert!: [https://eurekalert.org/pub_releases/2017-05/thni-ac051117.php]

Fragmenty skrajnie gorącej materii, wytworzonej w zderzeniu ciężkich jąder atomowych w akceleratorze SPS w europejskim ośrodku CERN, oddalają się od siebie z dużymi prędkościami formując smugi wzdłuż kierunku zderzenia. (Źródło: IFJ PAN, Iwona Sputowska)

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.

[PDF]

Kontakt:

dr hab. Andrzej Rybicki
Instytut Fizyki Jądrowej Polskiej Akademii Nauk
tel. +48 12 6628447
email: andrzej.rybicki@ifj.edu.pl

prof. dr hab. Antoni Szczurek
Instytut Fizyki Jądrowej Polskiej Akademii Nauk
tel. +48 12 6628212
email: antoni.szczurek@ifj.edu.pl

Prace naukowe:

„Implications of energy and momentum conservation for particle emission in A+A collisions at energies available at the CERN Super Proton Synchrotron”
A. Szczurek, M. Kiełbowicz, A. Rybicki; Physical Review C 95, 024908;
DOI: http://doi.org/10.1103/PhysRevC.95.024908

Materiały graficzne:

Fragmenty skrajnie gorącej materii, wytworzonej w zderzeniu ciężkich jąder atomowych w akceleratorze SPS w europejskim ośrodku CERN, oddalają się od siebie z dużymi prędkościami formując smugi wzdłuż kierunku zderzenia. (Źródło: IFJ PAN, Iwona Sputowska)