Jerzy JASTRZĘBSKI

 

 

FIZYKA JĄDROWA Z WYKORZYSTANIEM WIĄZEK ANTYPROTONÓW
Z URZĄDZENIA LEAR (LOW ENERGY ANTIPROTON RING)

 

 

 

            Zapotrzebowanie na intensywną wiązkę antyprotonów do eksperymentów wysokoenergetycznych zderzeń antyproton-proton prowadzących do odkrycia, a później badania własności bozonów W i Z pozwoliło w roku 1980 na zaproponowanie [1], niejako „przy okazji”, nowego pierścienia akumulacyjnego dostarczającego wiązki niskoenergetycznych antyprotonów o doskonałych parametrach emitancji i małym rozmyciu energetycznym. LEAR – Low Energy Antiproton Ring został uruchomiony w roku 1982, pracował nieprzerwanie przez 14 lat i zakończył swą działalność pod koniec roku 1996, poświęcony na ołtarzu oszczędności wynikających nie tyle z przyczyn ekonomicznych co politycznych. LEAR dostarczał wiązki antyprotonów o energiach w przedziale od 20 MeV do 1200 MeV, doskonałej emitancji (£ 10p x mm x mrad), małym rozmyciu pędowym (£ 10-3) i ciągłej wiązce o natężeniu do 106 antyprotonów/s. Szeroki program badawczy wykorzystujący te wiązki obejmował m.in. badanie efektów łamania symetrii, badanie charakteru oddziaływań nukleon-antynukleon, pomiar masy i momentu magnetycznego antyprotonu, badania własności atomów antyprotonowych, testowanie chromodynamiki kwantowej w zakresie produkcji i spektroskopii mezonów.

 

Badania oddziaływania i anihilacji antyprotonów z jądrami [2] stanowiły, począwszy od pierwszych lat działalności LEAR istotną część jego programu eksperymentalnego. W większości tych badań uczestniczyli fizycy polscy, niektóre z nich były przez nas zaproponowane i prowadzone po akceptacji przez Komitet Eksperymentów. Wyniki tych badań zostały przedstawione w ponad 50 publikacjach, z których część umieszczona jest w bibliografii tego opracowania.

           

Pierwsza z kilku publikacji dotyczących produkcji i rozpadu ciężkich hiperjąder [3-7] ukazała się w roku 1986. Autorzy zaobserwowali zjawisko opóźnionego rozszczepienia jąder 238U i 209Bi po bombardowaniu tych tarcz wiązką antyprotonów. Jednym z kanałów anihilacji (» 5%) antyproton-nukleon jest kanał . Hiperon L może być wytworzony na drodze wtórnego oddziaływania kaonów z nukleonami. Inną drogą produkcji hiperonu L może być anihilacja antyprotonu na dwóch nukleonach. Większość oddziaływań antyproton-jądro prowadzi w przypadku jąder U i Bi do ich rozszczepienia natychmiastowego (t £ 10-18 s) lub do emisji nukleonów (proces spalacji). Obserwacja fragmentów rozszczepienia emitowanych ok. 10-10 s po oddziaływaniu antyprotonu z jądrami została zinterpretowana jako dowód wytwarzania ciężkich rozszczepialnych hiperjąder. Prawdopodobieństwo tego procesu wynosi ok. 10-2 na jeden zatrzymany w tarczy antyproton.

           

W pierwszych latach działalności LEAR-a oczekiwano, że oddziaływanie zatrzymanych, a zwłaszcza energetycznych antyprotonów z jądrami prowadzić może do zjawisk egzotycznych, nie obserwowalnych w przypadku reakcji wywołanych przez protony lub ciężkie jony. Przykładowo, przedstawiano przypuszczenia [8], że anihilacja energetycznego antyprotonu wewnątrz jąder, wydzielając ponad 2 GeV energii (masa spoczynkowa dwóch nukleonów i energia kinetyczna antyprotonu), prowadzić może do powstania plazmy kwarkowo-gluonowej. Choć sugestie te nigdy nie zostały potwierdzone doświadczalnie – badania przekazu energii do bombardowanych jąder tarczy, „ogrzewanie” tych jąder na drodze, w której prawie nie ma przekazu pędu i nie ma przekazu momentu pędu dały wiele nowych wyników.

           

Grupa z Uniwersytetu Warszawskiego dołączyła do tej tematyki, prowadzonej uprzednio bardzo prostymi metodami radiochemicznymi w ramach eksperymentu PS203 przez grupę niemiecką z Garching (Monachium). Nasze wieloletnie doświadczenie w zastosowaniu tych metod do badań reakcji wywołanych lekkimi i ciężkimi jonami pozwoliło nam, po kilku miesiącach współpracy wysłać do druku pierwszą publikację [9] dotyczącą przekazu energii antyproton-jądro w przypadku antyprotonów zatrzymanych w tarczy miedzianej.

           

Po tej pierwszej, wykonanej bardzo prostymi metodami pracy o przekazie energii w procesie oddziaływania antyproton-jądro do grupy warszawskiej i monachijskiej dołączył zespół berliński. Wspólnie wykonaliśmy kilka prac [10], w których rejestrowane były neutrony pochodzące z oddziaływań antyproton-jądro. Prace te zapoczątkowały następny duży program (PS208), zaproponowany przez grupę berlińską.

 

Celem eksperymentów PS208 zrealizowanych w CERN-ie (głównie w laboratorium LEAR) w latach 1994-1996 było systematyczne badanie gorących jąder powstałych w reakcjach wywołanych anytyprotonami. Po raz pierwszy w eksperymencie z użyciem wiązki antyprotonów zastosowano wysokowydajny, obejmujący pełny kąt bryłowy (4π), detektor krotności neutronów BNB (Berlin Neutron Ball) i detektor, także 4π, cząstek naładowanych BSiB (Berlin Silicon Ball) składający się ze 160 detektorów krzemowych. Wyniki projektu PS208 zostały opublikowane między innymi w pracach [11-15].

 

Zarówno proste rozważania, jak obliczenia modelowe wskazywały, że reakcje wywołane antyprotonami powinny prowadzić do powstania jąder o większych energiach wzbudzenia niż reakcje wywołane innymi lekkimi pociskami. Zderzenie energetycznego antyprotonu z jądrem może być porównane do reakcji, w której jądro jest jednocześnie bombardowane kilkoma hadronami (głównie pionami), powstałymi w procesie anihilacji antyprotonu i jednego z nukleonów jądra tarczy. Stosując inne pociski scenariusz „ogrzewania” jądra atomowego jednocześnie kilkoma lekkimi pociskami jest znacznie trudniejszy do zrealizowania.

 

Pomiar krotności neutronów i detekcja cząstek naładowanych z wydajnościami około 85% umożliwił przeprowadzenie z dobrą precyzją rekonstrukcji zdarzeń. Potwierdzono zasadność hipotezy mówiącej, że jądra osiągają stan zbliżony do równowagi w krótkim czasie po reakcji i odtworzono energię wzbudzenia jąder w momencie zbliżonym do równowagi termicznej [11]. Realizując projekt PS208 szczególną uwagę poświęcono badaniom rozpadu gorącego jądra na dwa ciężkie fragmenty [13]. Już wstępna analiza danych dla reakcji antyprotonów z jądrami miedzi sugerowała, że część jąder w momencie osiągnięcia stanu zbliżonego do równowagi może mieć energię wzbudzenia większą niż energia wiązania jądra. Fakt ten dostarczał dodatkowej motywacji do przeprowadzenia szczegółowej analizy, której wyniki opublikowano w pracy [14].

 

W ramach projektu PS208 zmierzono również widma energii neutronów w reakcjach wywołanych antyprotonami. Program badawczy PS208 obejmował też pomiary rozkładów krotności neutronów w reakcjach protonów, pionów, kaonów i jąder deuteru o energiach od 1 do 5 GeV z cienkimi i grubymi tarczami ołowiowymi i uranowymi. Rezultaty przedstawione w publikacji [12] są istotne nie tylko w badaniach podstawowych, ale mają duże znacznie aplikacyjne dla projektowanych spalacyjnych źródeł neutronów, systemów transmutacji odpadów radioaktywnych, jak również dla planowanych w przyszłości elektrowni jądrowych z podkrytycznymi reaktorami, wspomaganymi wiązką protonów o energii około 1 GeV. Po zakończeniu projektu PS208 badania były kontynuowane w Juelich, będąc częścią programu budowy europejskiego spalacyjnego źródła neutronów (European Spallation Source, ESS).

           

Zespół polski we współpracy z zespołami niemieckimi prowadził równolegle, wymienione poprzednio badania metodami radiochemicznymi. Polegają one na identyfikacji produktów reakcji poprzez pomiary off-line charakterystycznego promieniowania gamma radioaktywnych izotopów wytworzonych w reakcji. (Nazwa „metody radiochemiczne” jest obecnie jedynie historyczna – współczesne detektory promieniowania gamma (HPGe) mają na tyle dobrą zdolność rozdzielczą, że metody chemiczne są już niepotrzebne do identyfikacji tych produktów). Badając tymi metodami tarcze z wielu pierwiastków zauważyliśmy, że w reakcjach wywołanych przez zatrzymane w tarczy antyprotony z dużą wydajnością (ok. 10% wszystkich produktów) wytwarzane są izotopy o liczbie masowej At-1, gdzie At jest liczbą masową tarczy. Izotopy te powstają w przypadku bardzo peryferyjnych oddziaływań antyproton-jądro, w których pięć pionów produkowanych w oddziaływaniu antyprotonu z nukleonem jądra tarczy nie trafia w jądro, pozostawiając produkt reakcji o zerowej lub bardzo niskiej (poniżej progu emisji cząstki) energii wzbudzenia. Jeżeli jako tarczę wybrać izotop, dla którego oba produkty At-1, tzn. Nt-1 i Zt-1 są radioaktywne (gdzie Nt i Zt są odpowiednio liczbą neutronów i protonów w jądrze tarczy) i dostatecznie długożyciowe – mierząc metodami spektroskopii gamma stosunek wytworzonych atomów tych dwóch produktów można wyznaczyć stosunek gęstości protonów i neutronów na powierzchni jądra.

           

Współczesne metody fizyki jądrowej pozwalają z ogromną dokładnością wyznaczyć rozkłady ładunku (protonów) w jądrach atomowych. Sytuacja jest zupełnie różna w przypadku rozkładów neutronów. Błędy wyznaczanych eksperymentalnie różnic średnich rozkładów neutronów i protonów dochodzą tu często do 20-40%. Dlatego zaproponowana przez nas metoda [16] pomiaru stosunku neutronów do protonów na peryferiach jądrowych wzbudziła duże zainteresowanie. Pozwoliła ona m.in. odpowiedzieć na pytanie, jak ze wzrostem odległości od środka jądra zmienia się stosunek neutronów do protonów: czy jest on stały czy też wzrasta z odległością. Rysunek 1 pokazuje to dla trzech wybranych izotopów. Wzrost gęstości neutronów w stosunku do gęstości protonów wraz z odległością jest wyraźnie preferowany przez nasze wyniki eksperymentalne. Wyniki te [17-21, 26], podsumowane na Rys.2, zachęciły do współpracy z nami również zespoły zajmujące się aspektami teoretycznymi oddziaływań antyproton-jądro [22, 23].

           

Metoda, zaproponowana w Ref. [16] wyznacza stosunki gęstości neutronów do protonów w obszarze [22] około Rch+2.5 fm (gdzie Rch jest promieniem połówkowym ładunku jądra). W tym zakresie gęstość materii jest rzędu kilku procent gęstości centralnej. Metoda ta określa więc rozkłady neutronów (przy założeniu znajomości rozkładu protonów uzyskanego innymi metodami) w jednym punkcie peryferii jądrowych. Chcieliśmy otrzymać więcej informacji o tych rozkładach, stosując inną, zupełnie niezależną metodę. Złożyliśmy propozycję eksperymentu (polski koordynator i 70% uczestników eksperymentu z Polski), badającego  rozkłady peryferii jądrowych poprzez analizę własności antyprotonowego promieniowania X. Zatrzymany w tarczy antyproton wychwytywany jest przez jądro na orbity o bardzo dużej głównej liczbie kwantowej n, i kaskaduje następnie na orbity o mniejszym n. W procesie tym zbliża się do powierzchni jądrowej i napotykając peryferyjny neutron lub proton ulega anihilacji. Szerokości i energie ostatnich osiągalnych przez antyproton poziomów zależą od gęstości materii w miejscu anihilacji. Tym razem zależą one od sumy (a nie, jak w metodzie poprzedniej stosunku) peryferyjnej gęstości protonów i neutronów. Zaproponowany eksperyment (PS209) uzyskał sumarycznie sześć tygodni czasu wiązki antyprotonów w latach 1995 i 1996. Zaowocował on licznymi publikacjami [25-36], które cytowane są nie tylko w pracach z fizyki jądrowej, lecz również w pracach z astrofizyki, cząstek elementarnych oraz dotyczących niezachowania parzystości w procesach atomowych. Rysunek 3, będący podsumowaniem eksperymentu PS209, pokazuje różnice promieni rozkładu neutronów i protonów Drnp w badanych jądrach w funkcji asymetrii liczby neutronów i protonów, . Eksperymentalna zależność Drnp = f(d) jest w doskonałej zgodności z przewidywaniami nierelatywistycznego modelu średniego pola z zastosowaniem metody Hartree-Focka-Bogoliubova i w wyraźnej sprzeczności z opublikowanymi przewidywaniami teorii relatywistycznych.

           

Opisany tu program badawczy, wykonany w ramach eksperymentów PS203, PS208 i PS209, zaowocował sześcioma doktoratami, trzema w Niemczech i trzema w Polsce. Jedna z doktorantek została uhonorowana nagrodą im. Grzegorza Białkowskiego za najlepszą polską pracę doktorską z dziedziny fizyki i astronomii w latach 2001-2003.

           

W przygotowaniu tego opracowania nieocenionej pomocy udzielili mi współpracownicy: Ludwik Pieńkowski i Agnieszka Trzcińska, którym za to serdecznie dziękuję.

 

Rysunki

 

 

 

 

Rys. 1  Znormalizowany stosunek gęstości neutronów do gęstości protonów w funkcji odległości od środka jądra 48Ca, 124Sn i 208Pb. Stosunek ten został obliczony na podstawie literaturowych danych Drnp – różnicy średnich promieni rozkładu neutronów i rozkładu protonów. Założono dwuparametryczne rozkłady Fermiego dla obu typów nukleonów. Krzywa kreskowana – stosunek peryferyjnej gęstości neutronów do gęstości protonów stały przy wzroście odległości, krzywa ciągła – gęstość neutronów wzrasta w stosunku do gęstości protonów z odległością. Krzyżyki pokazują wyniki naszych pomiarów.

 

 

Rys. 2  Stosunek gęstości neutronów do gęstości protonów (odpowiednio znormalizowany) w odległości Rch +2.5 fm (gdzie Rch jest promieniem rozkładu ładunku) w funkcji energii wiązania neutronu. Wyniki te uzyskano stosując metodę, zaproponowaną w pracy [16].

 

 

Rys. 3  Różnica średnich promieni rozkładu neutronów i rozkładu protonów w funkcji parametru asymetrii jądra  wyznaczona na podstawie szerokości i przesunięć energetycznych poziomów atomów antyprotonowych oraz literaturowych danych rozkładu ładunku.

 

 

 

Fot. 1.  Po zakończeniu eksperymentu PS209. Od lewej stoją: Krzysztof Gulda, Paweł Napiorkowski, Rolf Schmidt, Agnieszka Trzcińska, Jerzy Jastrzębski, Ludwik Pieńkowski, Wiktor Kurcewicz, Piotr Lubiński, Joachim F. Hartmann, Till von Egidy.

 

 

Bibliografia

 

  1. LEAR Design Study Team, Design Study of a Facility for Experiments with Low Energy Antiprotons (LEAR), CERN Report CERN/PS/DL80-7 (1980).
  2. T. von Egidy, Interaction and annihilation of antiprotons and nuclei, Nature 328 (1987) 773.
  3. J.P. Bocquet, …, T. Krogulski, et al.,
    Phys. Lett. 182B (1986) 146.
  4. J.P. Bocquet, …, T. Krogulski, et al., Phys. Lett. 192B (1987) 312.
  5. J.P. Bocquet, …, T. Krogulski et al., Z. Phys. A342 (1992) 183.
  6. B. Chen, …, T. Krogulski, et al., Phys. Rev. C45 (1992) 2332.
  7. T.A. Armstrong, …, T. Krogulski, et al., Phys. Rev. C47 (1993) 1957.

8.   J. Rafelski,  Phys. Lett. B207 (1988) 371.

9.   J. Jastrzębski, W. Kurcewicz, P. Lubiński, A. Grabowska,  A. Stolarz, et al.,
 Phys. Rev. C 47 (1993) 216.

10.     D. Polster, ..., A. Grochulska, J. Jastrzębski, W. Kurcewicz, P. Lubiński, et al., Phys. Rev. C51 (1995) 1167.

11.    F. Goldenbaum, ..., J. Jastrzębski, W. Kurcewicz, L. Pieńkowski, et al.,Phys. Rev. Lett. 77 (1996) 1230.

12.    L. Pieńkowski, et al., Phys. Rev. C 56, (1997) 1909.

13.        U. Jahnke, ...,J. Jastrzębski, L. Pieńkowski, et al., Phys. Rev. Lett. 83 (1999) 4959.

14.    L. Pieńkowski, ..., J. Jastrzębski, et al., Phys. Lett. B472 (2000) 15.

15.     B. Lott, F..., J. Jastrzębski, L. Pieńkowski, et al., Phys. Rev. C63 (2001) 034616.

16.        J. Jastrzębski, ..., A. Grabowska, W. Kurcewicz, P. Lubiński, et al., Nucl. Phys. A558 (1993) 405c.

17.    P. Lubiński, J. Jastrzębski, A. Grochulska, A. Stolarz, A. Trzcińska, W. Kurcewicz, ..., J. Skalski, R. Smolańczuk, S. Wycech, et al.,Phys. Rev. Lett. 73 (1994) 3199.

18. J. Jastrzębski, P. Lubiński, A. Trzcińska , Acta Phys. Pol. B26 (1995) 527.

19.        J. Jastrzębski, T.Czosnyka, …, K. Gulda, J. Iwanicki, M. Kisieliński, B. Kłos, J. Kulpa, W. Kurcewicz, P. Lubiński, P. Napiorkowski, L. Pieńkowski, J. Skalski, R. Smolańczuk, A. Stolarz, A.Trzcińska,  S. Wycech; et al.,
Nucl.
Phys. B (Proc. Suppl.) 56A (1997) 108.

20.        P. Lubiński, J. Jastrzębski, A. Trzcińska, W. Kurcewicz,..., R. Smolańczuk, S. Wycech, 
Phys. Rev. C 57 (1998) 2962.

21.        A. Trzcińska, J. Jastrzębski, P. Lubiński,..., B. Kłos,
 Acta Phys. Pol. B 32 (2001) 917.

22.        S. Wycech, J. Skalski, R. Smolańczuk, J. Dobaczewski, et al.,
Phys. Rev. C54 (1996) 1832.

23.        A. Baran, K. Pomorski, M. Warda, Z. Phys. A357 (1997) 33.

24.    S. Schmid, …, K. Gulda, J. Jastrzębski, W. Kurcewicz, L. Pieńkowski, et al.,
 Z. Phys.
A 359 (1997) 27.

25.    R. Schmidt, ..., T. Czosnyka, J. Iwanicki, J. Jastrzębski, M. Kisieliński, P. Lubiński, P. Napiorkowski, L. Pienkowski, A. Trzcińska, J. Kulpa, R. Smolańczuk, S. Wycech, B. Kłos, K. Gulda, W. Kurcewicz, et al.,
 Phys. Rev. C 58 (1998) 3195.

26.    R. Schmidt, ..., T. Czosnyka, J. Jastrzębski, M. Kisieliński, P. Lubiński, P. Napiorkowski, L. Pienkowski, A. Trzcińska, B. Kłos, R. Smolańczuk, S. Wycech, ..., K. Gulda, W. Kurcewicz, et al.,
Phys. Rev. C 60 (1999) 054309.

27.        S. Wycech, T. Czosnyka, ..., J. Jastrzębski, B. Kłos, J. Kulpa, P. Lubiński, L. Pienkowski, R. Smolańczuk, A. Trzcińska,
et al., Nucl. Phys. A655 (1999) 257c.

28.        A. Trzcińska, J. Jastrzębski, T. Czosnyka, ..., K. Gulda, J. Iwanicki, M. Kisieliński, B. Kłos, W. Kurcewicz, P. Lubiński, P.J. Napiorkowski, L. Pieńkowski, et al.,
Nucl. Phys. A692 (2001) 176c.

29.    A. Trzcińska, J. Jastrzębski, P. Lubiński, …, B. Kłos, et al.,
Phys. Rev. Lett. 87 (2001) 082501.

30.        J. Cugnon, S. Wycech, J. Jastrzębski, P. Lubiński;,
Phys. Rev. C 63 (2001) 027301.

31.    F.J. Hartmann, ..., S. Wycech, R. Smolańczuk, T. Czosnyka, J. Jastrzębski, M. Kisieliński, P. Lubiński, P. Napiorkowski, L. Pieńkowski, A. Trzcińska, B. Kłos, K. Gulda, W. Kurcewicz, et al.,
Phys. Rev. C 65 (2001) 014306.

32.    P. Lubiński, A. Grochulska, ...,  K. Gulda, J. Jastrzębski, W. Kurcewicz, L. Pieńkowski, A. Stolarz, A. Trzcińska,
 Phys. Rev. C 66 (2002) 044616.

33.    R. Schmidt, A. Trzcińska, T. Czosnyka, ..., K. Gulda, J. Jastrzębski, M. Kisieliński, B. Kłos, W. Kurcewicz, P. Lubiński, P. Napiorkowski, L. Pieńkowski, R. Smolańczuk, ..., S. Wycech;
Phys. Rev. C 67 (2003) 44308.

34.        A. Trzcińska, J. Jastrzębski, P. Lubiński,..., B. Kłos, et al.,
Nucl. Instrument and Methods B 214 (2004) 157.

35.    J. Jastrzębski, A. Trzcińska, P. Lubiński, B. Kłos, …, S. Wycech ,
 International Journal of Modern Physics 13 (2004) 343.

36.    B. Kłos, S. Wycech, A. Trzcińska, J. Jastrzębski, T. Czosnyka, M. Kisieliński, P. Lubiński, P. Napiorkowski, L. Pieńkowski, ..., K.Gulda, W. Kurcewicz, et al.,. Phys. Rev. C 69 (2004) 044311.