madhusree mukerjee(maly wielki Nieznany

background image

P

odziemny tunel zakr´ca i wà-
skie rury do prowadzenia wiàzek
szybko znikajà z pola widzenia.

We wn´trzu przewa˝ajà delikatne od-
cienie szaroÊci – betonu, stali i b∏ysz-
czàcych materia∏ów izolacyjnych. W
ch∏odnym powietrzu unosi si´ woƒ me-
talowych wiórów, a z daleka dochodzi
st∏umiony turkot maszyny wykrywajà-
cej nieszczelnoÊci w rurach pró˝nio-
wych. Idàc wzd∏u˝ tunelu, widzimy, jak
si´ prostuje i dwie wàskie rury ∏àczà
w jednà – grubà. Przedar∏szy si´ przez
gmatwanin´ rurek, docieramy do prze-
pastnej komory, jarzàcej si´ ˝ó∏to w
Êwietle sodowych reflektorów. Na Êrod-
ku posadzki widaç namalowany czar-
ny kràg z napisem „Punkt zderzenia”.

Dok∏adnie nad nim ju˝ w czerwcu br.

fizycy wytworzà materi´ tak goràcà i g´-
stà jak w pierwszej mikrosekundzie po
Wielkim Wybuchu. Relatywistyczny
zderzacz ci´˝kich jonów (RHIC – Rela-
tivistic Heavy Ion Collider; czytaj: rik),
którego budowa zmierza ku koƒcowi
w Brookhaven National Laboratory na
Long Island, zosta∏ zaprojektowany do
przyspieszania jàder, poczàwszy od
wodoru (pojedynczy proton), a skoƒ-
czywszy na z∏ocie (197 protonów i
neutronów).

Nukleon, czyli proton lub neutron,

ma mas´ albo energi´ spoczynkowà
oko∏o 1 GeV, tj. miliarda elektronowol-
tów. Nadprzewodzàce wn´ki rezo-
nansowe RHIC b´dà tak przyspieszaç
jàdra, ˝e ka˝dy zawarty w nich nukleon
osiàgnie wybranà wartoÊç masy lub
energii w granicach 10–100 GeV. P´cz-
ki wystrzeliwanych jàder b´dà krà˝yç
w przeciwnych kierunkach w dwu ru-
rach do prowadzenia wiàzek a˝ do
chwili, gdy spotkajà si´ w czterech de-

tektorach rozmieszczonych na 3.8-kilo-
metrowym obwodzie tunelu. JeÊli dwa
jàdra si´ zderzà, to ka˝da para takich
nukleonów wyzwoli energi´ 200 GeV,
podnoszàc temperatur´ prawdopodob-
nie znacznie powy˝ej 10

12

K, czyli do

temperatury 100 milionów razy wy˝szej
ni˝ panujàca na powierzchni S∏oƒca.
Jednym s∏owem – jàdra eksplodujà.

Szczàtki tej ognistej kuli (fireball) nio-

sà w sobie zakodowanà odpowiedê na
pytanie, czy w potwornym goràcu zde-
rzenia protony i neutrony rozpad∏y si´,
wyzwalajàc kwarki oraz czàstki zwane
gluonami. (Proton sk∏ada si´ z trzech
kwarków, dwóch górnych i jednego dol-
nego, które utrzymywane sà razem
przez gluony. Neutron zawiera dwa
kwarki dolne i jeden górny.) Teoretycy
sà przekonani, ˝e gdy temperatura prze-
kroczy 10

12

K, to pojawi si´ plazma

kwarkowo-gluonowa, czyli rodzaj zu-
py z∏o˝onej z kwarków i gluonów. „Te-
go nie widziano we WszechÊwiecie od
kilku miliardów lat. Tyle na ten temat
wiemy” – stwierdza Frank Wilczek, fi-
zyk teoretyk z Institute for Advanced
Study w Princeton (New Jersey).

Plazma utrzymywaç si´ b´dzie zale-

dwie przez 10

–23

s (czyli tyle, ile potrze-

buje Êwiat∏o na przejÊcie przez jàdro)
i w ka˝dym kierunku zajmie obj´toÊç
oko∏o 10 fermich (fermi to charaktery-
styczna miara jàdrowa równa 10

–13

cm).

Przejdzie ona natychmiast w wielkà licz-
b´ innych czàstek, które nast´pnie prze-
b´dà bilion razy d∏u˝szà drog´, zanim
zarejestrujà je detektory. To, czy w zde-
rzeniu powstanie 15 tys. czàstek, czy je-
dynie tysiàc, dopiero si´ oka˝e. W kro-
ciach Êladów, które zostawià, fizycy
zacznà poszukiwaç dowodów istnienia
ulotnej plazmy. I nie b´dzie to poszuki-

wanie ig∏y w stogu siana. Raczej gapie-
nie si´ na stóg siana celem ustalenia, czy
w Êrodku jest ig∏a.

Eksperymentatorów czeka tak przy-

t∏aczajàce zadanie cz´Êciowo dlatego,
˝e od teoretyków mogà oczekiwaç je-
dynie bardzo niepewnych wskazówek.
„Mamy zaledwie przybli˝ony szkic te-
go, co dzieje si´ z materià przy takich
energiach” – podkreÊla Gordon Baym
z University of Illinois. Problemem sà
silne „kolorowe” oddzia∏ywania, które
wià˝à protony, neutrony i jàdra. Sà one
co najmniej sto razy silniejsze ni˝ elek-
tromagnetyzm. Ponadto przekazujà je
gluony, które w odró˝nieniu od innych
noÊników si∏y, na przyk∏ad fotonów, te˝
wzajemnie na siebie oddzia∏ujà. To le-
pienie si´ do siebie gluonów w po∏àcze-
niu z si∏à ich oddzia∏ywaƒ sprawia, ˝e
chromodynamika kwantowa, czyli QCD
– teoria silnych oddzia∏ywaƒ – jest cz´-
sto zbyt trudna dla obliczeƒ.

Zderzenie i rozprysk

W rezultacie teoretycy radzà sobie

z silnymi oddzia∏ywaniami tylko w spe-
cjalnych przypadkach, mianowicie kie-
dy stajà si´ one doÊç s∏abe. Paradoksal-
nie silne oddzia∏ywania s∏abnà, kiedy
kwarki i gluony zaczynajà si´ bardzo
do siebie zbli˝aç. Wyobraêmy sobie, ˝e
kwarki powiàzane sà z innymi kwarka-
mi i antykwarkami poprzez struny glu-
onowe. (Antykwark to alter ego kwarka,
gdy˝ ma t´ samà mas´, lecz przeciwny
∏adunek.) Struna dzia∏a tak jak guma.
Kiedy kwark i antykwark z pary – na-
zywanej mezonem – oddalajà si´ od sie-
bie, guma Êciàga je z powrotem ze sta-
∏à si∏à; potrzeba nieskoƒczonej energii
na rozdzielenie pary i dlatego swobod-

34 Â

WIAT

N

AUKI

Maj 1999

Ma∏y Wielki Wybuch

Madhusree Mukerjee, cz∏onek zespo∏u redakcyjnego Scientific American

CZAS = –9.80

0.18

0.99

3.54

18.48

Ju˝ wkrótce nowy akcelerator wiàzek przeciwbie˝nych wytworzy
materi´ tak g´stà i goràcà jak ta we wczesnym WszechÊwiecie

background image

nych kwarków si´ nie obserwuje. Gdy
natomiast kwark i antykwark znajdujà
si´ bardzo blisko, guma jest luêna i ele-
menty pary nie odczujà nawzajem swo-
jej obecnoÊci. Podobny stan rzeczy powi-
nien zaistnieç, aczkolwiek na krótko,
w plazmie kwarkowo-gluonowej.

Teoretycy wierzà te˝, ˝e pozornie pu-

sta przestrzeƒ – nies∏usznie nazwana
pró˝nià – w rzeczywistoÊci roi si´ od par
kwark–antykwark, które tylko poÊred-
nio dajà o sobie znaç. Sytuacja nie jest
ca∏kiem zadowalajàca. Z jakiejÊ przyczy-
ny przyroda w zwyk∏ej pró˝ni dopusz-
cza tylko sprz´˝enia prawoskr´tnych
kwarków z lewoskr´tnymi antykwarka-
mi, i na odwrót. (Skr´tnoÊç czàstki opisu-
je kierunek jej wewn´trznej rotacji obser-
wowany wzd∏u˝ kierunku jej ruchu.)
Takie zachowanie burzy poczucie este-
tyki fizyków, a ÊciÊlej mówiàc, matema-
tyczne pi´kno zwane symetrià chiralnà.
Zgodnie z tà symetrià lewoskr´tne kwar-
ki i antykwarki powinny istnieç nieza-
le˝nie od swoich prawoskr´tnych odpo-
wiedników. Lecz w odpowiednio wyso-
kiej temperaturze i g´stoÊci te êle dobra-
ne pary zape∏niajàce pró˝ni´ powinny
si´ rozdzieliç, objawiajàc w ten sposób
symetri´ chiralnà.

Najlepszym sposobem oszacowania,

jak silne oddzia∏ywania b´dà zachowy-
waç si´ w rzeczywistych sytuacjach, sà
po prostu ˝mudne obliczenia. Pos∏ugu-
jàc si´ superkomputerem, teoretycy mo-
delujà czasoprzestrzeƒ jako sieç punk-
tów. W tych ostatnich umieszczajà
kwarki i antykwarki po∏àczone struna-
mi gluonowymi, aby zbadaç ich oddzia-
∏ywania. Obliczenia, pospolicie zwane
„QCD na sieci”, przewidujà, ˝e kwarki
i gluony uwolnià si´ przy tej samej g´-
stoÊci energii, która przywraca symetri´
chiralnà. W takim przypadku podczas
zderzeƒ jàder w RHIC powinna powstaç
plazma kwarkowo-gluonowa z pe∏nà sy-
metrià chiralnà.

Niestety, QCD na sieci ma powa˝ne

ograniczenia: nie opisuje sytuacji dyna-
micznych, a jedynie statyczne. Oznacza
to m.in., ˝e radzi sobie tylko z uk∏adami
w stanie równowagi. Ponadto nie po-
zwala przedstawiç sytuacji, w której licz-
ba kwarków jest wi´ksza ni˝ antykwar-
ków. Poniewa˝ protony i neutrony
zawierajà wy∏àcznie kwarki, taki nad-
miar mo˝e powstaç prawdopodobnie
przy zderzeniu dwu jàder. Wobec tego
QCD na sieci nie stosuje si´ wprost do
sytuacji „zderzenia i rozprysku”, jak nie-

którzy fizycy nazywajà wysokoenerge-
tyczne zderzenie jàdrowe. Ka˝da rze-
telna teoria b´dzie musia∏a po∏àczyç „re-
latywistyk´, która jest trudna, z teorià
pola, która jest trudna, z dynamikà sta-
nu nierównowagi, która jest trudna, z fi-
zykà wielu cia∏, która jest trudna” –
podkreÊla Horst Stöcker z Johann Wolf-
gang Goethe-Universität we Frankfur-
cie. I dlatego teoretycy stosujà ró˝no-
rodne przybli˝enia.

Poszukiwanie sygna∏u plazmy

Jeden z modeli na przyk∏ad traktuje

kwarki jak odbijajàce si´ od siebie kule
bilardowe, ∏àczàc opis kwantowo-me-
chaniczny z eksperymentalnie mierzo-
nymi prawdopodobieƒstwami powsta-
nia z∏o˝onych czàstek. (Ta teoria, zwana
kaskadà partonowà, zapoczàtkowana
zosta∏a przez Klausa Kindera-Geigera
z Brookhaven, który w ub. r. zginà∏ tra-
gicznie w katastrofie samolotu linii Swis-
sair.) Inny model traktuje jàdra jak krople
cieczy i stosuje prawa hydrodynamiki
z parametrami obliczonymi przez QCD
na sieci. Poza tym „na rynku” funkcjo-
nuje wiele modeli b´dàcych po∏àczenia-
mi lub udoskonaleniami tych podstawo-

Â

WIAT

N

AUKI

Maj 1999 35

ZDERZENIE JÑDROWE odtworzone kompu-
terowo z zastosowaniem modelu „kaskady jà-
drowej” zachodzi mi´dzy dwoma jàdrami z∏ota,
które poczàtkowo sà relatywistycznie sp∏asz-
czone jak naleÊniki. Uderzenie sprawia, ˝e nie-
które kwarki (

) i gluony (

) ulegajà rozpro-

szeniu. Jàdra przenikajà si´ wzajemnie, po-
zostawiajàc za sobà napompowane energià
kwarki i gluony, które natychmiast zlewajà si´
w grudki (

). Te z kolei p´kajà, tworzàc pio-

ny (

), kaony (

) i inne czàstki, które mogà od-

dzia∏ywaç i si´ rozpadaç. Kula ognista powi´k-
szy si´ bilion razy, zanim trafi do detektorów.
(Jednostkà czasu jest okres, w którym Êwiat∏o
pokonuje odleg∏oÊç 10

–13

cm.)

Dane: KLAUS KINDER GEIGER i

RONALD LONGACRE; zobrazowanie: BALLARD ANDREWS, MICHAEL McGUIGAN i

GORDON SMITH

Brookhaven National Laboratory

35.96

89.91

background image

wych schematów. „Jest niemal tyle mo-
deli, ilu teoretyków pracujàcych w tej
dziedzinie” – ˝artuje Tim Hallman, eks-
perymentator z Brookhaven. Ka˝dy
z modeli prawdopodobnie bardzo do-
brze opisuje pewne aspekty zderzenia,
ale ˝aden nie obejmuje poprawnie ca∏o-
Êci. Skrzynka wina czeka na tego, kto za-
proponuje prawid∏owe przewidywanie
dla jakiejkolwiek z wielkoÊci, którà da
si´ mierzyç, gdy ruszy RHIC.

Mimo wszystko spodziewamy si´, ˝e

zderzenie b´dzie wyglàdaç mniej wi´cej
nast´pujàco: Na poczàtku dwa jàdra po
prostu przeniknà si´ nawzajem. „To jest
tak jak z uderzeniem o coÊ – wyjaÊnia

Baym. – Dopiero po u∏amku sekundy
czujemy ból.” Kwarki i gluony z jednego
jàdra schwytajà kwarki i gluony z dru-
giego za pomocà „kleju”, jak na lep. Kie-
dy jàdra zacznà si´ rozdzielaç, te ener-
getyczne struny b´dà p´kaç, zap´tlaç si´
i mieszaç, doprowadzajàc – mamy na-
dziej´ – do powstania plazmy.

Ta zaÊ zacznie gwa∏townie stygnàç,

wypromieniowujàc niekiedy elektrony,
pozytony i ich ci´˝szych kuzynów –
miony i antymiony. W procesach przy-
pominajàcych te z Wielkiego Wybuchu,
ale bardzo trudnych do obliczeƒ, wi´k-
szoÊç kwarków i gluonów przeobrazi
si´ w obiekty z∏o˝one z dwu lub trzech

kwarków albo antykwarków. Niektóre
z tych „hadronów” rozpadnà si´ na in-
ne czàstki, które z kolei te˝ mogà ulec
rozpadowi. Wszelkie ewentualne do-
wody na zaistnienie plazmy kryç si´ b´-
dà w tych „popio∏ach”.

S´k w tym, ˝e „nie ma niezbitego do-

wodu – jak to ujmuje Hallman. – Braku-
je jakiegoÊ okreÊlonego zjawiska, po któ-
rego znalezieniu mo˝na by powiedzieç:
to jest to!” Teoretycy przedstawili d∏ugà
list´ zjawisk, z których ka˝de jest postu-
lowanym dowodem na pojawienie si´
znikajàcej póêniej plazmy. Niestety, sze-
reg zwyk∏ych procesów jàdrowych mo-
˝e daç wi´kszoÊç tego rodzaju sygna∏ów,
co eliminuje je jako argumenty przema-
wiajàce za istnieniem plazmy.

Pierwsze zadanie b´dzie polega∏o

na wybraniu czàstek lecàcych prosto-
padle do kierunku wiàzki, poniewa˝

36 Â

WIAT

N

AUKI

Maj 1999

W ZAKRZYWIONYCH RURACH PROWADZENIA WIÑZEK relatywistycznego zderzacza ci´˝kich jonów (RHIC) jàdra przyspie-
szane b´dà za pomocà energii dostarczanej przez nadprzewodzàce wn´ki. Zewn´trzne pow∏oki rury zawierajà kriostaty, wewnàtrz
których krà˝y zimny spr´˝ony hel. Podwójne linie przyspieszajà p´czki jàder w przeciwnych kierunkach a˝ do ich spotkania w punktach
zderzenia wewnàtrz detektorów.

TABLICA FOTOPOWIELACZY zbudowana przez fizyków japoƒskich pos∏u˝y do iden-
tyfikacji elektronów dzi´ki wykorzystaniu ich charakterystycznego promieniowania
Czerenkowa. Urzàdzenie umieszczone zostanie wewnàtrz detektora PHENIX, który
mierzyç b´dzie g∏ównie lekkie czàstki pochodzàce ze zderzenia.

BROOKHAVEN NATIONAL LABORATORY

BROOKHAVEN NATIONAL LABORATORY

background image

muszà one wychodziç z obszaru zderze-
nia. „Ich energia mówi nam, czy zaist-
nia∏y warunki do powstania plazmy. To
jest warunek wst´pny” – mówi Miklos
Gyulassy z Columbia University. Anali-
za mog∏aby te˝ wykazaç, czy choçby
przez krótkà chwil´ utrzymywa∏a si´ sta-
∏a temperatura (wyznaczana na podsta-
wie rozk∏adu p´dów czàstek). Wskazy-
wa∏oby to na przejÊcie fazowe, tak jak
dowodem na wrzenie wody jest tem-
peratura w czajniku – utrzymujàce si´
100°C. Gyulassy sàdzi jednak, ˝e ten
efekt b´dzie za s∏aby na wyciàgni´cie
wià˝àcych wniosków. „Nie postawi∏bym
na to du˝ych pieni´dzy” – stwierdza.

Z kolei dok∏adne badania pionów

(mezonów zawierajàcych górny lub dol-
ny kwark oraz odpowiadajàcy mu an-
tykwark) i ich wzajemnych korelacji
przyniosà informacje o rozmiarach ogni-
stej kuli poprzez kwantowo-mecha-
niczny efekt, który pierwotnie by∏ wyko-
rzystywany do pomiaru rozmiarów
gwiazd. Ta analiza mo˝e dostarczyç na-
wet danych o szybkoÊci powi´kszania
si´ ognistej kuli. Uwa˝ajàc materi´ jà-
drowà za ciecz, Gyulassy i inni wnio-
skujà, ˝e ognista kula powinna w pew-
nej chwili zwolniç ekspansj´, poniewa˝
kiedy plazma zacznie przechodziç w ha-
drony, pr´dkoÊç dêwi´ku stanie si´ ano-
malnie ma∏a. „To z pewnoÊcià by∏by nie-
zbity dowód” – utrzymujà. Zaobserwo-
wanie tego efektu wymagaç jednak b´-
dzie ca∏ych lat skrupulatnego groma-
dzenia danych.

Informacj´ niosà te˝ nie podlegajàce

silnym oddzia∏ywaniom elektrony, mio-

ny i ich antyczàstki. „JeÊli powstanie pa-
ra, to wydostanie si´ bez przeszkód na
zewnàtrz – mówi Baym. – One sà mia-
rà tego, co dzieje si´ we wn´trzu.” Ma-
jàc dane dotyczàce energii i p´dów tych
czàstek, fizycy mogà stwierdziç, czy pa-
ra – mion i antymion lub elektron i po-
zyton – pochodzi∏a z rozpadu okreÊlo-
nego mezonu, takiego jak

j czy r.

Ka˝dy z tych mezonów mo˝e mieç ma-
s´ mniejszà ni˝ zwykle, jeÊli powsta∏

w fazie materii jàdrowej z zachowanà
symetrià chiralnà; i ten sygna∏ jednak
uchodzi za sporny.

Widomà oznakà pojawienia si´ pla-

zmy kwarkowo-gluonowej jest spadek
liczby wyprodukowanych egzemplarzy
innego mezonu, zwanego J/

y. Mezon

ów, b´dàcy stanem zwiàzanym powab-
nego kwarka i powabnego antykwarka,
rzadko b´dzie produkowany w zderze-
niu jàdrowym. Argumentuje si´, ˝e J/

y

nie mo˝e powstaç w plazmie kwarko-
wo-gluonowej, gdy˝ zostanie rozbity na
skutek bombardowaƒ otaczajàcych czà-
stek. Tak wi´c ten mezon (poprzez jego
produkty rozpadu) powinno si´ obser-
wowaç rzadziej, ni˝ wynika∏oby z prze-
widywaƒ dla zwyk∏ej materii jàdrowej.
Naukowcy z Europejskiego Laborato-
rium Fizyki Czàstek CERN pod Gene-
wà zaobserwowali taki efekt w zderze-
niach jàder o∏owiu o efektywnej energii
17 GeV dla zderzenia nukleon–nukle-
on. Stöcker twierdzi jednak, ˝e i ten sy-
gna∏ da si´ wyjaÊniç w inny sposób.

Najbardziej intrygujàce zdaje si´ istnie-

nie „dziwade∏ka” (strangelet – kropelki
kwarkowej o wielu kwarkach dziwnych).
Kwarki dziwne powinny wyst´powaç
w plazmie kwarkowo-gluonowej obficie
i przypuszczalnie ∏àczyç si´ w taki obiekt
razem z kwarkami dolnymi i górnymi.
Aczkolwiek znalezienie dziwade∏ka –
tworu co najmniej tak egzotycznego jak
plazma kwarkowo-gluonowa – by∏oby
sensacjà, to jednak pozostaje pytanie, czy
okaza∏oby si´ ono dostatecznie trwa∏e,
aby dotrzeç do detektorów.

Â

WIAT

N

AUKI

Maj 1999 37

TEMPERATURA (KELWINY)

STOSUNEK DO NORMALNEJ G¢STOÂCI

10

0

1

SWOBODNE KWARKI
I GLUONY

JÑDRA

Z

D

E

R

Z

E

N

IE

W

R

H

IC

O

B

S

ZA

R

P

R

Z

E

C

IO

W

Y

10

12

0

DIAGRAM PRZEJÂCIA FAZOWEGO pokazuje obliczone przejÊcie od zwyk∏ych jàder do
swobodnych kwarków i gluonów. W bardzo wysokiej temperaturze lub g´stoÊci protony
i neutrony wewnàtrz jàder rozpadajà si´, wyzwalajàc kwarki i gluony. W zderzeniach jàder
zachodzàcych w RHIC oczekuje si´ osiàgni´cia tego stanu, aczkolwiek na bardzo krótko.

DETEKTOR PHENIX, widoczny tu przed monta˝em, zawiera sto˝kowate „skrzy-
d∏a” zaprojektowane w celu rejestracji mionów pochodzàcych z jàdrowego zderzenia. Nie-
które stalowe p∏yty w skrzyd∏ach, przywiezione z Sankt Petersburga w Rosji, nale˝à do
najwi´kszych, jakie kiedykolwiek odlano.

BRYAN CHRISTIE

BROOKHAVEN NATIONAL LABORATORY

background image

T´ list´ mo˝na niemal dowolnie wy-

d∏u˝aç. Teoretycy namawiajà doÊwiad-
czalników, aby poszukiwali nie zorien-
towanych kondensatów chiralnych (po-
chodzàcych z niewielkiego obszaru w
centrum zderzenia, gdzie brakuje jedno-
litego przepisu na budowanie par kwar-
ków i antykwarków), ∏amania parzysto-
Êci ∏adunkowej (symetrii zwykle za-
chowywanej w silnych oddzia∏ywaniach)
i niezliczonych innych hipotetycznych
zjawisk. I jakby tego nie by∏o dosyç,
Stöcker utrzymuje, ˝e plazma kwarko-
wo-gluonowa nie jest prostym „gazem
swobodnym”, jak si´ zwykle sàdzi, lecz
z∏o˝onym oddzia∏ujàcym uk∏adem, któ-
ry pod wieloma wzgl´dami przypomina
nast´pujàcà po nim faz´ hadronowà.

W takim przypadku poszukiwanie do-
wodu na istnienie plazmy by∏oby od po-
czàtku skazane na niepowodzenie.

Liczenie anio∏ów

Te trudnoÊci zdajà si´ nie przera˝aç

eksperymentatorów. „Teoretykom po-
zostawiam rozwa˝ania w rodzaju, ile
anio∏ów mo˝e taƒczyç na ostrzu szpilki”
– wzrusza ramionami Barbara Jacak, do-
Êwiadczalnik ze State University of New
York w Stony Brook. Ju˝ wkrótce ruszà
detektory i doczekamy si´ pierwszych
danych, których waga zapewne zmniej-
szy liczb´ dopuszczalnych mo˝liwoÊci.

Trasa z tunelu nurkuje pod szeregiem

stojaków z kablami do ogromnego de-

tektora STAR – zespo∏u
koncentrycznych walców z
osià na linii wiàzki. G∏ówny
instrument – wielkie sre-
brzyste urzàdzenie z opada-
jàcymi wstà˝kami drutów –
b´dzie mierzyç tor ka˝dej

wchodzàcej czàstki na∏adowanej w
trzech wymiarach i dostatecznie szyb-
ko czyÊciç swojà pami´ç, by zarejestro-
waç szczegó∏y ka˝dego z tysiàca zde-
rzeƒ na sekund´. Walec ten otaczajà
inne uk∏ady, m.in. kalorymetr do po-
miaru energii ka˝dej czàstki.

Charakterystycznà cechà detektora

STAR jest uniwersalnoÊç. Mo˝e mierzyç
p´d, energi´ i inne w∏asnoÊci 6 tys. spo-
Êród 10 tys. wyprodukowanych czàstek,
na ogó∏ pionów. (Pozosta∏e wytworzo-
ne czàstki b´dà poruszaç si´ bardzo bli-
sko linii wiàzki.) Pozwoli to naukow-
com zmierzyç takie w∏asnoÊci, jak tem-
peratura i g´stoÊç energii ognistej kuli.
Wpatrujàc si´ w komputerowy model,
przedstawiajàcy gmatwanin´ torów –
lub „skrzyp”, jak woli Hallman – przy-
znaj´, ˝e mo˝liwoÊci tego urzàdzenia sà
wprost niewiarygodne.

Jeszcze pot´˝niejszym detektorem jest

PHENIX, nazwany tak, gdy˝ powsta∏
z „popio∏ów” trzech innych urzàdzeƒ,
które nigdy nie ujrza∏y Êwiat∏a dzien-
nego z braku pieni´dzy i pracowników.
PHENIX ma ciemny kad∏ub, si´gajàcy
na 12.2 m, i jeÊli przypomina jakiegoÊ
ptaka, to raczej s´pa (naukowcy z RHIC
opowiadajà si´ za kondorem). Jego
„skrzyd∏a”, rozpostarte w kierunku linii
wiàzek, zosta∏y zaprojektowane w celu
rejestrowania mionów.

Rozmiary PHENIX-a wynikajà z jego

zadania, które polega na wyszukiwaniu
i identyfikacji lekkich czàstek. Na przy-
k∏ad p´d elektronu wyznaczany jest na
podstawie zakrzywienia jego toru w sil-
nym polu magnetycznym. Identyfikuje
si´ elektron dzi´ki charakterystycznemu
pierÊcieniowi emitowanych przez niego
fotonów, tzw. promieniowaniu Czeren-
kowa. Dok∏adnoÊci pomiaru p´du i iden-
tyfikacji zale˝à od d∏ugoÊci drogi, na któ-
rej prowadzi si´ pomiar. Oczekuje si´, ˝e
PHENIX pozwoli przede wszystkim
ustaliç, czy wytwarzane elektrony i mio-
ny pochodzà z mezonów o masach ni˝-
szych ni˝ nominalne.

Trwajà te˝ prace nad dwoma mniej-

szymi detektorami. BRAHMS sprawdzi,
ile nukleonów pozostaje prawie nie
wzbudzonych przez zderzenie. W od-
ró˝nieniu od niego PHOBOS b´dzie ∏a-
pa∏ czàstki wyemitowane we wszystkich
kierunkach, a w szczególnoÊci te o ener-
gii zbyt niskiej, by zdo∏a∏y dotrzeç do
wielkich detektorów. Projekt zderzacza
przewiduje miejsce dla jeszcze dwu de-
tektorów. „Plan jednego z nich ju˝ ma-
my – mówi Thomas Ludlam, wicedy-
rektor projektu RHIC. – Z drugà loka-
lizacjà czekamy na dobry pomys∏.”

Wst´pny cykl pracy RHIC przewi-

dziano na czerwiec, po czym akcelerator
przeciwbie˝nych wiàzek zostanie za-

38 Â

WIAT

N

AUKI

Maj 1999

DETEKTOR STAR

(poni˝ej) w

centralnej cz´Êci b´dzie mierzy∏
tory tysi´cy czàstek wytwarza-
nych w zderzeniu i wyzna-
cza∏ ich energi´ oraz p´d. (We-
wn´trzna elektronika nie zo-
sta∏a uwidoczniona na tej fo-
tografii.) Modelowanie

(z le-

wej) torów zarejestrowanych w
centralnej komorze „projekcji
czasowej” ukazuje z∏o˝onoÊç
zagadnienia.

MATT BLOOMER

STAR Collaboration

BROOKHAVEN NATIONAL LABORATORY

background image

trzymany w celu dopracowania detek-
torów i usuni´cia wszelkich usterek, któ-
re mog∏yby si´ wtedy ujawniç. W listo-
padzie eksperymenty rozpocznà si´ na
dobre. WszechstronnoÊç RHIC zapew-
ne pozwoli rozwik∏aç wiele aspektów
zderzenia, nawet jeÊli nie wyeliminuje
wszystkich niepewnoÊci teoretycznych.
Na przyk∏ad operatorzy mogà stopnio-
wo zwi´kszaç energi´ wiàzki z∏ota i po-
szukiwaç charakterystycznej zmiany.
JeÊli, powiedzmy, liczba produkowa-
nych czàstek si´ podwoi, poczàwszy od
jakiejÊ progowej wartoÊci energii, b´-
dzie to sygna∏ gwa∏townej zmiany za-
chowania kwarków i gluonów. W naj-
lepszym z mo˝liwych scenariuszy je-
dnoczeÊnie pojawi si´ wiele sygna∏ów
wskazujàcych na powstanie plazmy
kwarkowo-gluonowej.

Naukowcy b´dà te˝ mogli zmieniaç

rozmiar jàder tworzàcych wiàzk´, na
przyk∏ad zast´pujàc z∏oto siarkà. JeÊli
zaobserwowany próg nie pojawi∏by si´
w zderzeniach jàder siarki, Êwiadczy∏o-
by to o istnieniu jakichÊ nowych zjawisk
fizycznych w zderzeniach jàder z∏ota;
siarka nie jest wystarczajàco ci´˝ka, by
powsta∏a plazma. Dodatkowych wska-
zówek dostarczà przypadki peryferyj-
nych, a nie czo∏owych, zderzeƒ jàder.

„G∏´boko wierz´ w pomys∏owoÊç do-

Êwiadczalników” – podkreÊla Wilczek.
Pracowicie zmieniajàc parametry, na

pewno zdo∏ajà wypracowaç obraz ogni-
stych kul z ca∏ego zakresu, a nie tylko
tej jednej wymagajàcej istnienia plazmy
kwarkowo-gluonowej. W ka˝dym razie
do tego powinni dà˝yç. „Istota ludzka
ma wiele charakterystycznych cech:
oczy, usta, stopy. JeÊli sprowadzimy
wszystko do kuli o masie 100 kg, z pew-
noÊcià nie b´dzie to wierny opis” – twier-
dzi Stöcker. Kto wie, jakie mnóstwo fa-
scynujàcych zjawisk mo˝emy odkryç,
nawet niewyobra˝alnych dla teorety-
ków. Z pewnoÊcià niektóre z nich przy-
bli˝à goràce narodziny WszechÊwiata
troch´ bardziej do ludzkiego zasi´gu.

Na powierzchni dzieƒ jest pochmur-

ny i zimny, a nieprzyjemny wiatr zapo-
wiada burz´ Ênie˝nà. Zwa∏y piasku
i ziemi wznoszà si´ w oddali w for-
mie ∏uku, ukazujàc zarys wijàcego
si´ pod spodem tunelu. Wszystko,
co widaç, zbudowane jest z kwar-
ków i gluonów, znajdujàcych si´
w ich zwyk∏ych miejscach, czyli
bezpiecznie schowanych w pro-
tonach i neutronach.

T∏umaczy∏a

Agnieszka Zalewska

OD T¸UMACZKI:

Pragn´ poinformowaç polskich czytelników,
˝e badania wysokoenergetycznych zderzeƒ
jàder majà w Polsce pi´knà tradycj´, si´ga-
jàcà lat szeÊçdziesiàtych, kiedy to profe-
sor Marian Mi´sowicz i jego grupa

z Instytutu Fizyki Jàdrowej w Krakowie po-
szukiwali takich przypadków w oddzia∏y-
waniach promieni kosmicznych. Obecnie
dwie grupy polskich fizyków: warszawska
z Instytutu Fizyki DoÊwiadczalnej UW i z In-
stytutu Problemów Jàdrowych oraz krakow-
ska z Instytutu Fizyki Jàdrowej biorà udzia∏
w eksperymencie NA49 prowadzonym
w Europejskim Laboratorium Fizyki Czàstek
CERN pod Genewà, a tak˝e (w nieco zmie-
nionym sk∏adzie) w przygotowaniach do eks-
perymentu ALICE na budowanym tam akce-
leratorze LHC. Polscy naukowcy uczestniczà
równie˝ w pracach nad opisanymi w tym ar-
tykule projektami RHIC: grupa z Instytutu
Fizyki Jàdrowej w eksperymencie PHOBOS,
a grupa z Instytutu Fizyki UJ – w ekspery-
mencie BRAHMS.

BRAHMS

PHOBOS

PHENIX

STAR

SYNCHROTRON

O PRZEMIENNYM

GRADIENCIE

èRÓD¸O
JONÓW

AKCELERATOR

WST¢PNEGO PRZYSPIESZANIA

LINIE WIÑZEK

Relatywistyczny zderzacz

ci´˝kich jonów

R

HIC pozwoli zderzaç ze sobà jàdra poruszajàce si´ niemal
z pr´dkoÊcià Êwiat∏a, dzi´ki czemu mo˝na b´dzie zbadaç, jak

zachowuje si´ subjàdrowa materia w wysokiej temperaturze i g´-
stoÊci. Atomy, cz´Êciowo odarte ze swoich elektronów w êródle jo-
nów, pow´drujà do akceleratora wst´pnego przyspieszania
(boostera), gdzie uzyskajà niewielkà energi´. Na wyjÊciu z niego
b´dà ju˝ zupe∏nie pozbawione elektronów; otrzymane w ten spo-
sób jàdra przyspieszy si´ nast´pnie do energii 10.8 GeV na pro-
ton lub neutron w synchrotronie o przemiennym gradiencie i z ko-
lei wstrzyknie do zderzacza. P´czki jàder krà˝àce w przeciwnych
kierunkach w dwóch rurach do prowadzenia wiàzek b´dà przy-
spieszane do maksymalnej energii 100 GeV na proton lub neutron,
po czym zderzà si´ w miejscach, gdzie umieszczone zosta∏y de-
tektory – obecnie sà to PHENIX, STAR, BRAHMS i PHOBOS.

Biuro Nauki amerykaƒskiego Departa-

mentu Energii wy∏o˝y∏o 365 mln dolarów
na budow´ zderzacza. Detektory, których
∏àczny koszt przekracza 200 mln dolarów,
powstajà mi´dzynarodowym sumptem. Sà
finansowane przez USA, Japoni´, Rosj´
i wiele innych paƒstw. Japonia uczestni-
czy te˝ w oddzielnym programie RHIC,
poÊwi´conym badaniu pochodzenia spi-
nu protonu, wspó∏finansuje równie˝ insty-
tut teorii oraz budow´ superkomputera
w Brookhaven.

„NARODZINAMI” nazwa-

li naukowcy z RHIC przy-

lot komory projekcji cza-

sowej detektora STAR

z Lawrence Berkeley

National Laboratory

w Kalifornii.

BROOKHAVEN NATIONAL LABORATORY

BRYAN CHRISTIE


Wyszukiwarka

Podobne podstrony:
madhusree mukerjee(zmierzyc gwi Nieznany
laczenie liter malych i wielkic Nieznany
1 11h ZGRZEWANIE PRADAMI WIELKI Nieznany
fiat 126p maly wielki samochod
Kraszewski Wielki nieznajomy
200309 Świat Nauki wrzesien 2003 Maly Wielki Mózg
Mały wielki świat Helena Saniewska
fiat 126p maly wielki samochod
Mały słownik wielkich idei
17 Wielki prorokid 17363 Nieznany (2)
(pierwotny deuter a wielki wybu Nieznany (2)
Mały słownik wielkich idei, WOS - matura, Inne materiały
23 opowiesc wielkiego cwiczenie Nieznany
kult ludzi wielkich w poezji c Nieznany
Banasiak, Mały, biedny, chory, czy wielki, bogaty geniusz
panstwo kazimierza wielkiego id Nieznany
maly terrorysta 01 04 11 id 275 Nieznany

więcej podobnych podstron