Jerzy BARTKE

 

 

EKSPERYMENTY Z RELATYWISTYCZNYMI CIĘŻKIMI JONAMI - I (NA35/NA49)

 

W latach 1970. w dwóch laboratoriach posiadających synchrotrony protonowe: laboratorium im. Lawrence'a LBL w Berkeley (USA) i Laboratorium Wysokich Energii Zjednoczonego Instytutu Badań Jądrowych w Dubnej (ZSRR, obecnie Federacja Rosyjska) wdrożono przyspieszanie w tych synchrotronach ciężkich jonów. U podstaw tych działań leżało poszukiwanie nowych możliwości wykorzystania tych akceleratorów w sytuacji kiedy w Europejskim Ośrodku Fizyki Cząstek CERN w Genewie (Szwajcaria) i w Laboratorium BNL w Brookhaven (USA) już z początkiem lat 1960. uruchomiono większe i nowocześniejsze synchrotrony protonowe, a w Instytucie Fizyki Wysokich Energii w Protwino (ZSRR, obecnie Federacja Rosyjska) i w CERN-ie jeszcze większe synchrotrony znajdowały się w zaawansowanym stadium budowy. W BNL wykorzystano jako  inżektor dla synchrotronu Bevatron istniejący tam akcelerator liniowy ciężkich jonów HILAC tworząc kompleks BEVALAC zdolny przyspieszać jony do energii ok. 2.1 AGeV dla lekkich pierwiastków i ok. 1.2 AGeV dla jonów uranu. W ZIBJ zbudowano dla synchrofazotronu specjalne źródło jonów i przyspieszono lekkie jony (do 12C, a później do 24Mg) do energii ok. 4 AGeV. Ze względu na konstrukcję akceleratorów, które były synchrotronami o słabym ogniskowaniu, uzyskanie wymaganej dla wiązek jonowych odpowiednio wysokiej próżni w komorach akceleracyjnych o ogromnych objętościach nastręczało w obu laboratoriach poważne trudności i wyprowadzone wiązki jonów miały niskie natężenia. Niemniej zapoczątkowana została nowa dziedzina fizyki: relatywistyczna fizyka jądrowa.

 

Zauważmy, że akcelerator protonów o nominalnej energii E może przyspieszać jony o ładunku Z i liczbie masowej A do całkowitej energii E'= Z E,  co oznacza energię na nukleon E'/A.  Lekkie jony o stosunku Z/A=1/2  mogą zatem uzyskać energię na nukleon równą połowie energii protonów, zaś ciężkie jony energię nieco mniejszą (dla ołowiu Z/A=0.39).

 

W tej sytuacji fizycy z kilku laboratoriów ( w tym także i Polacy) zgłosili do CERN-u propozycję przyspieszania jonów na synchrotronie PS. W tym synchrotronie przyspieszano protony do energii 28 GeV, można więc było oczekiwać uzyskania dla jonów lżejszych pierwiastków energii do 14 AGeV, czyli kilkakrotnie wyższych niż uzyskiwana w Dubnej. Można było także spodziewać się lepszych parametrów otrzymanych wiązek, ponieważ synchrotron PS był znacznie nowocześniejszym akceleratorem o tzw. silnym ogniskowaniu. Wśród inicjatorów tej propozycji był  nieżyjący już prof. Przemysław Zieliński.

 

Propozycja przyspieszania jonów na synchrotronie PS nie została przyjęta przez dyrekcję CERN-u. Przyczyną tego był prawdopodobnie brak atrakcyjnego programu fizycznego takich badań (chociaż wejście w zupełnie nową dziedzinę lub nowy zakres energii zawsze obiecuje coś interesującego...). Kilka lat później pojawiła się hipoteza plazmy kwarkowo-gluonowej jako nowej formy materii jądrowej, która mogłaby powstawać w zderzeniach ciężkich jonów o wielkich energiach. Spowodowało to uruchomienie w roku 1986 programu badania zderzeń ciężkich jonów w CERN-ie na synchrotronie SPS i w BNL na synchrotronie AGS, który w przyszłości miał przejąć funkcję inżektora dla dużego zderzacza ciężkich jonów RHIC (zderzacz ten uruchomiono w roku 2000).

 

Fizycy polscy, mający wieloletnie doświadczenie w opracowywaniu danych z fotografowanych detektorów śladowych (komory pęcherzykowe i strimerowe) przystąpili do eksperymentu NA35 realizowanego przez międzynarodowy zespół, w którym wiodącą rolę odgrywały laboratoria niemieckie. Głównym organizatorem i wieloletnim kierownikiem tej współpracy był prof. Reinhard Stock z Uniwersytetu we Frankfurcie nad Menem. Aparatura eksperymentu NA35 rozmieszczona została w tzw. hali północnej (North Hall) we francuskiej części CERN-u. Zasadniczym detektorem aparatury NA35 była komora strimerowa o wymiarach 2 x 1.2 x 0.72 m3 zbudowana w Instytucie Maxa Plancka w Monachium pod kierunkiem dr. V. Eckardta. Komora umieszczona była w polu magnetycznym o indukcji 1.5 T. Za komorą umieszczony był cylindryczny, azymutalnie i radialnie segmentowany kalorymetr, używany już wcześniej w eksperymencie NA5.  Pierwszy seans naświetleń aparatury wiązką jonów 16O o energii 200 AGeV miał miejsce w roku 1986, kilka lat później  otrzymano jony 32S o takiej samej energii na nukleon.

 

Komora strimerowa jest detektorem napełnionym odpowiednią mieszanką gazów (np. 80% Ne, 20% He) pod ciśnieniem atmosferycznym. Na dwie przeciwległe ściany komory przykładany jest krótki impuls wysokiego napięcia, zsynchronizowany z przyjściem wiązki. W tych warunkach wzdłuż torów przechodzących przez komorę cząstek naładowanych rozpoczyna się wyładowanie elektryczne. Początkowe stadium wyładowania, tzw. strimery, emitują promieniowanie w zakresie nadfioletu, które można zarejestrować na błonie fotograficznej po  wzmocnieniu i przekształceniu w promieniowanie z zakresu widzialnego przez odpowiedni przetwarzacz optyczny. Usunięcie  napięcia zewnętrznego "gasi" wyładowanie.

 

Komora strimerowa eksperymentu NA35 była fotografowana trzema kamerami, na  filmie o szerokości 70 mm. Długość kadru na filmie wraz z zapisaną tam dodatkową informacją wynosiła ok. 100 mm. Oznaczało to, że na fabrycznej rolce filmu o długości 500m wykonywano 5000 zdjęć. Wszystkie czynności techniczne związane z filmami przypadły w udziale zespołom z Krakowa i Warszawy. Co kilka godzin należało wymieniać kasety z filmem.

 

             

 

      Rys. 1  Jerzy Bartke wymienia kasety z filmami              Rys.2.  Zdjęcie oddziaływania jądra tlenu o 
                                                                                                                             energii 200GeV/nukleon z tarczą ze złota
 

 

Z każdego filmu odcinano pasek testowy o długości ok.  1.5m i wywoływano w specjalnej maszynie, aby możliwie szybko sprawdzić funkcjonowanie komory i jakość zdjęć (pojawienie się śladów cząstek w komorze sprawdzano także na bieżąco przez specjalny wizjer optyczny). Czynności przeładowywania kaset, odcinania pasków testowych i ich wywołanie musiały być wykonywane w zupełnej ciemności ze względu na super-wysoką czułość stosowanego filmu. Manipulacje, które wydają się w normalnych warunkach niezbyt skomplikowane, w zupełnej ciemności okazują się nie takie łatwe i wymagające sporej koncentracji. Żadnej "wpadki" przy wykonywaniu tych procedur jednak nie było, chociaż pewnego razu 500-metrowa rolka filmu częściowo się w ciemni "rozsypała" i trzeba było ją pracowicie zwijać przed założeniem do kasety... Paski testowe z kolejnych rolek filmu były szczegółowo badane na projektorze skaningowym ustawionym w hali eksperymentalnej. Wywoływanie całości filmu odbywało się na specjalnej maszynie typu używanego w przemyśle kinematograficznym. Maszyna ta była zainstalowana w szwajcarskiej części CERN-u. Wynikała z tego konieczność kilkukrotnego przekraczania w ciągu doby granicy francusko-szwajcarskiej. Po wywołaniu filmy należało jeszcze przeciąć na połówki (po 2500 zdjęć), dokleić do każdego końca krótki kawałek pustego filmu i opatrzyć odpowiednimi etykietkami. Tak przygotowane filmy, nawinięte na standardowe szpule, można było już analizować na specjalnych projektorach optycznych.

 

Działalność tę rozpoczęto na miejscu w CERN-ie. Wiodącą rolę odegrał tu zespół warszawski, a w szczególności prof. E. Skrzypczak, która "ustawiła" tę pracę i czuwała nad jej prawidłowym przebiegiem oraz doc. H. Białkowska. Do pomocy fizykom sprowadzono także kilka doświadczonych laborantek z Berkeley i z Warszawy. Na podstawie przeglądu pierwszej partii zdjęć powstała praca zawierająca wyznaczenie przekroju czynnego oddziaływania jąder 16O z tarczami jądrowymi oraz rozkłady krotności naładowanych cząstek wtórnych ze zderzeń "bez wyboru" (minimum bias) oraz zderzeń centralnych dla dwóch różnych energii wiązki jonów 16O: 60 i 200 AGeV. Praca ta została opublikowana w Phys. Letters B 205 (1998) 583 i doczekała się wielu cytowań. Szczególną satysfakcję sprawiło nam to, że otrzymane prostą metodą liczenia oddziaływań w tarczy oraz nieoddziaływujących torów na zdjęciach oszacowanie przekrojów czynnych okazało się lepsze od wyników ogłoszonych przez inną grupę badawczą dysponującą detektorami elektronicznymi.....

W następnych latach prowadzono systematyczną analizę uzyskanego materiału doświadczalnego uzyskując wyniki dotyczące widm energetycznych cząstek wtórnych, produkcji cząstek dziwnych, interferometrii pionów i innych korelacji między cząstkami.

 

Po wykorzystaniu wiązek tlenu i siarki dyrekcja CERN-u zapowiedziała przyspieszenie jonów ołowiu. Ze względu na oczekiwane znacznie wyższe krotności produkowanych cząstek zamieniono komorę strimerową na zespół czterech komór projekcji czasowej, z których dwie o rozmiarach   2.5 x 2.0 x 0.98 m3 umieszczone były w polu magnetycznym o indukcji B=1.1T  i B=1.5 T, a pozostałe dwie o rozmiarach 3.9 x 3.9 x 1.8 m3 funkcjonowały bez pola magnetycznego. Detektory te mogą zarejestrować większe liczby cząstek, mają także znacznie krótszy czas martwy, co umożliwia szybsze uzyskiwanie statystyki badanych przypadków oddziaływań. Zmiana techniki rejestracji oznaczała koniec działalności "filmowej". Układ detekcyjny uzupełniono licznikami czasu przelotu w postaci segmentowanych płaszczyzn scyntylatorów odczytywanych indywidualnie przez fotopowielacze.

 

Komora projekcji czasowej (TPC) jest połączeniem dwóch detektorów gazowych: komory dryfowej o dużej objętości i komory proporcjonalnej, w której następuje wzmocnienie sygnału z komory dryfowej i odczyt pozycji w płaszczyźnie prostopadłej do kierunku dryfu. Rejestracja czasu przyjścia sygnału pozwala na pomiar długości dryfu i zatem wyznaczenie trzeciej współrzędnej punktu w komorze. W komorze proporcjonalnej mierzy się również amplitudę sygnału, co umożliwia identyfikację cząstek na podstawie strat energii na jonizację (dE/dx). Typowe parametry gazu roboczego to ciśnienie atmosferyczne i temperatura w przedziale 20-25º C. Zapis  informacji z komory TPC następuje wprost na taśmie magnetycznej.

 

Trzeba tu wspomnieć, że układy elektroniczne do tzw. zasilania niskonapięciowego komór TPC zostały zaprojektowane przez inż. Edwarda Górnickiego i wykonane w Krakowie pod jego kierunkiem. Układy te zadziałały natychmiast po przywiezieniu do CERN-u. E. Górnicki zyskał takie uznanie, że gdy kiedyś elektronika eksperymentu nie chciała zadziałać tuż przed rozpoczęciem seansu pracy akceleratora i miejscowi specjaliści nie mogli znaleźć przyczyny, wezwano go pilnie do CERN-u opłacając nawet koszt biletu lotniczego. Edward nie zawiódł i szybko znalazł przyczynę awarii. Potem był już regularnie zapraszany na koszt współpracy NA49 na wszystkie kolejne seanse naświetleń aparatury, aby miał pieczę nad elektroniką. I żadne awarie już się nie powtórzyły...

 

W Dziale Budowy Aparatury Instytutu Fizyki Jądrowej w Krakowie, kierowanym wówczas przez mgr inż. W. Janczura, powstał precyzyjny mechaniczny manipulator przeznaczony dla montażu dużych komór TPC. Przy jego pomocy umieszczono 50 komór odczytowych, każda o wymiarach 720 x 720 x 150 mm3 i wadze ok. 70 kg, w otworach ram głównych komór TPC. Montaż ten wymagał skomplikowanej procedury (sekwencja dziewięciu czynności!) i dużej dokładności.

 

W roku 1994 przebudowana aparatura detekcyjna, już pod nowym kryptonimem NA49, otrzymała po raz pierwszy wiązkę jonów 208Pb o energii 158 AGeV, a w następnych latach także jony ołowiu o niższych energiach oraz protony, piony, deuterony i lekkie jądra (C i Si).  Aby umożliwić badanie oddziaływań elementarnych, zainstalowano także tarczę ciekłowodorową. W ten sposób uzyskano możność porównywania oddziaływań jądro-jądro z oddziaływaniami protonów i pionów z protonami i jądrami, rejestrowanymi w tej samej aparaturze. Jest to unikalna cecha eksperymentu NA49.

 

Jak już wspomniano powyżej, opracowywanie danych z eksperymentu NA49 odbywa się już wyłącznie na komputerach. W CERN-ie dokonywane jest wstępne przetwarzanie danych: rekonstrukcja geometryczna torów cząstek i parametry wszystkich zrekonstruowanych torów zapisywane są na tzw. Data Summary Tape (DST), z której mogą następnie korzystać współpracujące laboratoria dla prowadzenia analizy fizycznej.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Rys. 3. Wizualizacja oddziaływania jądra ołowiu o energii 158 GeV/nukleon z tarczą z ołowiu

 

Współpraca NA49 opublikowała już kilkadziesiąt prac, wyniki przedstawiano też na wielu międzynarodowych konferencjach (kilka referatów wygłosili w imieniu współpracy fizycy polscy: Jerzy Bartke, Helena Białkowska, Andrzej Rybicki). Prowadzone badania dotyczyły rozkładów krotności wyprodukowanych cząstek, ich widm pędowych i korelacji, w szczególności tzw. interferometrii pionów, pozwalającej określić charakterystyki czaso-przestrzenne (rozmiary i ewolucję) obszaru emitującego piony. Badano także efekty kolektywne, w szczególności tzw. wypływ (flow). Prowadzi się analizę porównawczą reakcji od elementarnych do hadron-jądro i jądro-jądro. Pozwala to uwidocznić pojawianie się pewnych nowych mechanizmów przy przechodzeniu do zderzeń coraz cięższych obiektów i przy podwyższaniu energii zderzenia. 

 

Ale najciekawsze rezultaty otrzymano badając produkcję tzw. cząstek dziwnych: mezonów K i hiperonów. Okazało się, że w zderzeniach jąder ołowiu przekrój czynny czyli prawdopodobieństwo produkcji tych cząstek badane w funkcji energii zderzenia wykazuje maksimum dla energii wiązki pierwotnej ok. 30 AGeV. Dla dokładniejszego zbadania tego zjawiska przeprowadzono dodatkowe naświetlenia aparatury detekcyjnej jądrami ołowiu o różnych energiach. Zasadniczą rolę w tych badaniach odgrywa polski fizyk, dr hab. Marek Gaździcki, obecnie profesor Akademii Świętokrzyskiej w Kielcach, pracujący od lat we Frankfurcie nad Menem.

 

Drugą niezmiernie ciekawą obserwacją jest odkrycie ciężkiego dziwnego barionu, który mógłby należeć do nowej rodziny barionów pięciokwarkowych (ewidencję istnienia lżejszego barionu pięciokwarkowego uzyskano w kilku niezależnych eksperymentach w roku 2003, wcześniej uważano, że wszystkie bariony dają się zbudować z trzech kwarków).

 

W roku 2003 odbyło się ostatnie naświetlenie aparatury wiązką z synchrotronu SPS, ale analiza zgromadzonego bogatego materiału doświadczalnego będzie jeszcze kontynuowana przez kilka lat.

Eksperyment NA49 zaowocował także kilkoma doktoratami i habilitacjami w Polsce (doktoraty: B. Boimska, A. Rybicki, habilitacje: H. Białkowska, M. Gaździcki, M. Kowalski). Kierownicy zespołów polskich prof. E. Skrzypczak i prof. J. Bartke są członkami Rady Eksperymentu (NA49 Council), a doc. H. Białkowska jest od roku 2002 zastępcą koordynatora współpracy.

 

Eksperyment NA35

Wiązki 16O   60 i 200 AGeV,  32S  200 AGeV, różne tarcze (S, Cu, Au)

 

Uczestnicy z Krakowa:  J. Bartke, E. Gładysz-Dziaduś, M. Kowalski  (IFJ),

Uczestnicy z Warszawy: H. Białkowska, M. Gaździcki, J. Kosiec, W. Retyk, E. Skrzypczak

 

Eksperyment NA49

Wiązki  208Pb  20, 30, 40, 80 i 158 AGeV

            protony 40, 100, 158 i 250 GeV

            piony 158 GeV

            deuterony 40 i 158 AGeV

            12C  40 i 158 AGeV

            28Si  40 i 158 AGeV

różne tarcze (H, C, Al, Si,  Pb)

 

Uczestnicy z Krakowa:  J. Bartke, E. Gładysz-Dziaduś, E. Górnicki, (do 2003 r.), E. Kornaś (od 2002 r.), M. Kowalski, A. Rybicki, P. Stefański (do 1999 r.). 

Uczestnicy z Warszawy: H. Białkowska, B. Boimska, J. Grebieszkow, K. Perl, W. Retyk, E. Skrzypczak