Fizyka ciężkich jonów

Na samym początku, ...

... jak sądzą naukowcy, był Wielki Wybuch, z którego rozwinęło się wszystko, co istnieje we Wszechświecie. Piętnaście miliardów lat póżniej Wszechświat stał się tak olbrzymi, że przebycie go zajęłoby miliony lat świetlnych. Jednak na początku wszystko było ściśnięte do niewielkiej objętości nie większej niż pchła. Wszystkie cząstki, które tworzą dzisiejszą materię i z których zbudowane jest wszystko dookoła nas, miały być dopiero uformowane. Kwarki i gluony, w dzisiejszym Wszechświecie uwięzione wewnątrz protonów i neutronów, były zbyt gorące, by skleić się ze sobą. Taki stan materii nazywany jest plazmą kwarkowo-gluonową (QGP - Quark Gluon Plazma) i eksperymenty w CERN-ie próbują go odtworzyć.

Naukowcy sądzą, że QGP może istnieć dzisiaj w sercach gwiazd neutronowych, które są tak gęste, że kawałek wielkości główki od szpilki ważyłby tyle co tysiąc jumbo-jetów. Ale jeśli nawet istnieje tam plazma kwarkowo-gluonowa, to i tak nie może być wykorzystana w celach badawczych. Aby móc zrozumieć, co działo się w pierwszych chwilach istnienia Wszechświata, naukowcy muszą wytwarzać QGP w laboratoriach. W tym celu przy bardzo dużych energiach rozbijają jedne jony (atomy odarte z elektronów) o inne, ściskając w ten sposób protony i neutrony razem tak, aby mogły się stopić. W latach osiemdziesiątych i dziewiędziesiątych eksperymenty CERN-owskie zderzały jony tlenu, siarki i ołowiu ze stałymi tarczami. Wyniki są bardzo zachęcające, gdyż wskazują, że plazma kwarkowo-gluonowa może być kreowana na krótką chwilę przed schłodzeniem na powrót do zwykłej materii.

Detektor NA45 Detektor WA97

Program z wiązkami ołowiu rozpoczął się w 1994 r., gdy akceleratory CERN-u zostały zmodernizowane w wyniku współpracy CERN-u z instytutami z Czech, Francji, Indii, Niemiec, Szwajcarii, Szwecji i Włoch. Do istniejącego układu połączonych CERN-owskich akceleratorów, synchrotronu protonowego (PS) i SPS, podłączono nowe źródło jonów ołowiu. W siedmiu dużych eksperymentach: NA44, NA45, NA49, NA50, NA52, WA97/NA57 i WA98 rozpoczęto pomiary różnych aspektów zderzeń ołów-ołów i ołów-złoto. Niektóre z tych eksperymentów wykorzystywały uniwersalne detektory do pomiaru i korelacji kilku dobrze widocznych zjawisk. Inne eksperymenty były specjalnie przygotowane do odkrycia rzadkich sygnałów przy dużej statystyce. Ten skoordynowany wysiłek grupy wzajemnie uzupełniających się eksperymentów przyniósł wielki sukces.

Detektor NA50

Na specjalnym seminarium 10 lutego 2000 r. przedstawiciele eksperymentów realizujących Program Fizyki Ciężkich Jonów w CERN-ie przedstawili przekonujące dowody istnienia nowego stanu materii , w którym kwarki, zamiast być związanymi w bardziej złożonych cząstkach takich jak protony i neutrony, uwalniają się i mogą poruszać się swobodnie.

W następnym akceleratorze CERN-owskim - LHC - jony ołowiu będą zderzane czołowo przy energiach 300 razy większych od dotychczas osiąganych w eksperymentach CERN-owskich. Fizycy wierzą, że przy tak wysokich energiach produkcja QGP będzie czymś całkiem naturalnym, co pozwoli szczegółowo badać jej właściwości.

Co faktycznie dzieje się, gdy tworzy się plazma kwarkowo-gluonowa (QGP)? Zobaczmy!