Jan  Paweł NASSALSKI    

 

UDZIAŁ POLAKÓW W EKSPERYMENTACH MIONOWYCH W CERN

 

 

Wstęp

 

W połowie lat 70-tych zaproponowano przeprowadzenie w CERN kilku doświadczeń, których celem było badanie najmniejszych składników materii. Powodem tego zainteresowania była rewolucja w poglądach na budowę materii, którą wywołały odkrycia dokonane pod koniec lat 60-tych.

 

Do tego czasu sądzono, że elementarnym materiałem, z którego zbudowany jest cały świat są trzy cząstki: proton, neutron (obie te cząstki nazywane są również „nukleonami”) i elektron. Zarówno kamień jak i powietrze zbudowane są z różnych  związków chemicznych, te z kolei z różnych atomów, a atomy z identycznych protonów, neutronów i elektronów.  Taki pogląd opierał się na wynikach wielu doświadczeń i pozwalał w zwięzły sposób opisać różnorodność materii.

 

Te trzy cząstki elementarne mają tę samą wartość własnego moment pędu (tzw. „spinu”), którego wartość wynosi ½ħ, ale różnią się np. masą, ładunkiem elektrycznym i rozmiarami; proton i neutron mają  bardzo małe, ale skończone rozmiary (jednej trylionowej milimetra), natomiast elektron wydaje się być nieskończenie mały, ponieważ jego rozmiaru nie można dostrzec nawet przy największych „powiększeniach”. Pod koniec lat 60-tych skonstruowano w Stanach Zjednoczonych urządzenie, które pozwalało zajrzeć do wnętrza nukleonów.

 

W zwykłym mikroskopie badaną próbkę umieszcza się w strumieniu światła, a powiększony obraz powstaje w wyniku rejestracji światła rozproszonego. Przy badaniu najmniejszych składników materii, próbkę umieszcza się w strumieniu (tzw. „wiązce”) elektronów rozpędzonych do olbrzymich energii i rejestruje się rozproszone elektrony. „Obraz” odtwarza się na podstawie pomiarów ich energii i kątów rozproszenia. Taki „mikroskop” składa się z dwóch części: akceleratora, który wytwarza strumień rozpędzonych elektronów i urządzenia, w którym rejestruje się rozproszone elektrony, tzw. detektora. Przy użyciu takiego urządzenia ostrość widzenia poprawia się w miarę zwiększania energii  elektronów, co z kolei wymaga coraz większych akceleratorów.

 

Rewolucja nastąpiła w wyniku obserwacji przeprowadzonych w laboratorium Stanforda w Stanach Zjednoczonych (SLAC), przy użyciu nowego liniowego akceleratora elektronów o długości ponad 3km.

 

 

Kwarki i gluony

 

Okazało się, że nukleony są zbudowane  z dwóch rodzajów nieskończenie małych obiektów: „kwarków” (i ich antycząstek, „antykwarków”) oraz „gluonów”. Różnią się one m.in. spinem i ładunkiem elektrycznym: kwarki mają spin ½ħ i są obdarzone ładunkiem elektrycznym, podczas gdy spin gluonów wynosi 1ħ i są one elektrycznie obojętne.  W nukleonie są z dwa rodzaje kwarków, które oznacza się symbolami u i d. Większość z nich występuje jako tzw. „morze” utworzone z par kwark-antykwark:  i .  Każdy nukleon zawiera dodatkowo trzy tzw. „kwarki walencyjne”: proton - dwa u i jeden d, a neutron – jeden u i dwa d. Kwarki walencyjne określają własności nukleonów, takie jak  np. ładunek elektryczny - równy sumie  ładunków  kwarków.  

 

Zatem prawdziwie elementarnymi cząstkami są  kwarki, a nie proton i neutron. To odkrycie zrewolucjonizowało fizykę wysokich energii. Na nim opiera się tzw. Model Standardowy, który wiąże praktycznie wszystkie obserwacje doświadczalne z dziedziny cząstek w logiczną całość.

 

Europejska Współpraca Mionowa (European Muon Collaboration, EMC)

 

CERN włączył się do tych badań w połowie lat 70-tych. Przedstawiono wtedy m.in. propozycje dwóch eksperymentów, w których strumień padających cząstek składał się nie z elektronów, ale z cząstek o większej masie, tzw. mionów. Intensywność strumienia była znacznie mniejsza niż w SLAC, ale energie cząstek znacznie wyższe, co zapewniało lepszą zdolność rozdzielczą w badaniach struktury nukleonu.

 

Oba eksperymenty zostały zatwierdzone w 1975 r. Zgodnie z nomenklaturą CERN-owską nadano im nazwy NA2 i NA4, gdzie cyfra oznacza kolejny numer eksperymentu, a NA oznacza „North Area” („Rejon Północny”). Znajduje się on we Francji, w miejscowości Prévessin, kilka kilometrów od głównego laboratorium na terenie Szwajcarii.

 

W eksperymencie NA2 początkowo uczestniczyło 55 fizyków z CERN oraz z 12 laboratoriów brytyjskich, francuskich, niemieckich i włoskich. W tym okresie była to duża grupa eksperymentalna.  Została ona nazwana „European Muon Collaboration” (EMC). Tej samej nazwy używał również zespół, który powiększył się wkrótce o inne laboratoria.

 

Wiązkę mionową wytwarza się w kilku etapach: najpierw protony o energiach kilkaset razy większych od ich masy spoczynkowej, pochodzące z akceleratora SPS w CERN, skierowuje się na cylinder z berylu (tzw. „tarczę”). W zderzeniach obficie produkują się nietrwałe, lżejsze cząstki zwane „mezonami π”. Cząstki te szybko rozpadają się na miony, które też są nietrwałe, ale ich czas życia wynosi „aż” jedną milionową sekundy. Ponieważ miony mają dużą energię, efekty relatywistyczne znacznie ten czas zwiększają i tylko ich znikoma część rozpada się na drodze od tarczy do układu doświadczalnego.  Ta droga ma długość około jednego kilometra. Znajdują się na niej urządzenia, które wybierają miony o określonym ładunku elektrycznym i energii oraz formują je w wiązkę, której średnica wynosi kilka milimetrów.

 

Wiązka ta jest skierowana na tarcze z wybranych materiałów w hali eksperymentalnej. Miony rozpraszają się na  kwarkach protonów i neutronów tarczy, a jednocześnie w wyniku zderzenia produkowane  są inne cząstki, głównie mezony π. W hali eksperymentalnej za tarczą ustawione są detektory, przy pomocy których mierzy się energie i pędy cząstek. Rysunek 1 pokazuje detektory używane do pomiarów w eksperymencie NA2.

 

Rys. 1. Widok w kierunku wiązki na detektory eksperymentu NA2 wykonanego przez zespół EMC.

 

 

Oba eksperymenty znajdowały się w tej samej hali i były ustawione jeden za drugim na tej samej wiązce mionów; oświetlała ona najpierw tarcze NA2, a następnie NA4. Miony odziaływują z materią znacznie słabiej niż np. protony i tylko ich niewielka część rozprasza się w tarczach. Dlatego wiązka, która trafiała do eksperymentu NA4 była praktycznie taka sama jak w NA2.

 

Ścieżki Polaków do EMC

 

W tym czasie Polska nie była jeszcze członkiem CERN, czyli polskie zespoły nie partycypowały w kosztach utrzymania laboratorium i nie miały prawa głosu w organach decyzyjnych. Miała jednak status „obserwatora”, co np. upoważniało do uczestniczenia polskich przedstawicieli w Radzie CERN-u. Podobna sytuacja była na poziomie eksperymentów: wielu polskich fizyków uczestniczyło w programach eksperymentalnych, ale bez wkładu finansowego w koszty budowy aparatury i koszty operacyjne doświadczeń, a tylko przy niewielkim wsparciu rodzimych laboratoriów poprzez krótkie delegacje służbowe. Udział w doświadczeniach wymagał jednak dłuższych pobytów przy eksperymencie. W CERN-ie można było wystąpić o pozycję „Scientific Associate” lub, dla najmłodszych fizyków, „Fellow”. Można było się również ubiegać o pozycje badawcze lub techniczne w innych laboratoriach współpracy. Przyznanie kontraktu wymagało dobrych referencji od fizyków o uznanej renomie.

 

Ja trafiłem do eksperymentu NA2 w 1981 roku. Wcześniej, po doktoracie, zajmowałem się przez kilka lat oddziaływaniami protonów o dużej energii z jądrami atomowymi. Znalazłem wtedy prace prof. Andrzeja Białasa  z Uniwersytetu Jagiellońskiego, w których interpretował on takie oddziaływania wykorzystując model kwarkowy. Nieco później wpadła mi w ręce nowa praca prof. Białasa, w której proponował on metodę zbadania w jaki sposób z pojedynczego kwarka wybitego z protonu powstają cząstki, które obserwuje się w doświadczeniach (proces ten nazywa się „hadronizacją” kwarka). Wydawało mi się to bardzo interesujące. Metoda ta wymagała „oświetlenia” jąder atomowych mionami o dużej energii.  Szczęśliwy zbieg okoliczności wskazał mi drogę do eksperymentu, w którym można było takie badania przeprowadzić.

 

Począwszy od 1977 roku Instytut Fizyki Teoretycznej Uniwersytetu Warszawskiego organizował w Polsce „Warszawskie Sympozjum Fizyki Cząstek Elementarnych”. Sympozja te odbywały się zazwyczaj w Kazimierzu Dolnym, w ostatnim tygodniu maja. Uczestniczyło w nich szereg znanych fizyków z całego świata, którzy przedstawiali najnowsze wyniki doświadczalne i teoretyczne. Sympozja te umożliwiały poznanie najnowszych osiągnięć fizyki cząstek elementarnych sporej liczbie fizyków i studentów z Polski i z innych krajów wschodniej Europy.

 

Trzecie z nich odbyło się w Jodłowym Dworze pod koniec maja 1980 roku. Uczestniczył w nim młody fizyk z Uniwersytetu w Heidelbergu, dr Klaus Rith (obecnie profesor Uniwersytetu Erlangen-Norymberga), który przedstawiał nowe wyniki eksperymentu NA2 otrzymane przy użyciu tarczy wodorowej i żelaznej. Po jego referacie opowiedziałem mu o pracy prof. Białasa i zapytałem o możliwość przeprowadzenia odpowiednich pomiarów w NA2. Powiedział mi wtedy, że tematyką tą interesuje się również fizyk z EMC, dr Guy Coignet z LAPP w Annecy we Francji, i doradził, żebym napisał w tej sprawie do prof. Erwina Gabathulera z CERN, który był wtedy koordynatorem EMC. Pracowałem wtedy w Polsce w Instytucie Badań Jądrowych (obecnie: Instytut Problemów Jądrowych im. Andrzeja Sołtana (IPJ)), w zespole kierowanym przez prof. Przemysława Iwo Zielińskiego. Profesor mocno poparł moją inicjatywę.

 

Odpowiedź od prof. Gabathulera przyszła szybko. Zaproponował mi złożenie aplikacji na stanowisko Scientific Associate w CERN w celu włączenia się do interesującego mnie projektu. W ten sposób w kwietniu 1981 roku znalazłem się w eksperymencie NA2.

 

W tym samym czasie, równolegle do pomiarów w NA2, budowano dodatkowe detektory, które umożliwiały pomiar większej liczby cząstek utworzonych w zderzeniach mionów z materią. Do tego nowego eksperymentu, nazwanego NA9, przystąpiło sześć nowych laboratoriów, a za ich pośrednictwem – kolejno kilku Polaków.

 

Czterech polskich fizyków weszło do NA9 poprzez Uniwersytet w Hamburgu: najpierw w 1981 r. Jan Figiel z Instytutu Fizyki Jądrowej (IFJ) w Krakowie, a następnie kolejno trzy osoby z Uniwersytetu Warszawskiego (UW): w tym samym roku Ewa Rondio, później Jacek Gajewski i Jacek Ciborowski.  Udział w eksperymencie fizyków z UW był wynikiem zabiegów prof. Janusza Zakrzewskiego o nawiązanie współpracy pomiędzy obu uczelniami. Natomiast Barbara Badełek, również z UW, weszła do eksperymentu poprzez Uniwersytet w Uppsali.  Z kolei Piotr Malecki i Bohdan Pawlik z IFJ – poprzez Instytut Maksa Plancka w Monachium. Andrzej Sandacz (IPJ) dołaczył do zespołu już w czasie, gdy IPJ i UW zostały oficjalnie przyjęte do EMC. Do NA9 weszły też dwie osoby z Warszawy, które po stanie wojennym zatrudniły się we Francji: Agnieszka Jachołkowska z LAL w Orsay oraz Bolesław Pietrzyk z CPP w Marsylii.

 

Większość z nas prowadziła analizę fizyczną w CERN-ie i wkrótce zaczęła w niej odgrywać znaczącą rolę oraz  była postrzegana jako zespół. Dlatego podjęta została inicjatywa oficjalnego włączenia warszawskich fizyków z  IPJ i UW do EMC,  bez zobowiązań finansowych. Miało to na celu ułatwienie kontaktu z eksperymentem po powrocie do Polski i jednocześnie wzbogacało publikacyjny dorobek polskich instytucji. Instytut Problemów Jądrowych został oficjalnie przyjęty do EMC 1 marca 1984 roku, a następnie IPJ i UW wymieniane były łącznie jako laboratoria współpracy. Pobyty w CERN osób przyjeżdżających z Polski były finansowane nadal ze środków EMC, CERN lub innych laboratorów, podczas gdy strona polska pokrywała tylko koszty podróży. Ta zasada obowiązywała do czasu wstąpienia Polski do CERN.

 

 

Efekt EMC

 

Na początku lat osiemdziesiątych w eksperymencie NA2 zaawansowana była analiza tzw. „funkcji struktury” nukleonów w jądrach deuteru i  żelaza. Funkcje struktury pokazują w jaki sposób pęd protonu rozdziela się pomiędzy kwarki; pęd kwarków może zmieniać się od zera do wartości pędu protonu (wtedy wszystkie inne kwarki mają pęd równy zero). Spodziewano się, że te rozkłady będą różne dla nukleonów w deuteronie i żelazie, ponieważ nukleony poruszają się w jądrach i ten tzw. „ruch Fermiego” jest inny w deuteronie i żelazie. Różnicę tę można dokładnie obliczyć. Powinna ona być widoczna dla kwarków o największych pędach. Innych efektów jądrowych nie przewidywano.

 

Tymczasem zaobserwowano nieoczekiwane różnice dla kwarków o małych pędach. Czy jest to efekt fizyczny, czy też efekt spowodowany  błędnym opracowaniem danych doświadczalnych? Nie uczestniczyłem w tych pracach, ale po przyjeździe do CERN byłem świadkiem rozterki kolegów, dyskusji i skrupulatnego, wielokrotnego sprawdzania kolejnych kroków w analizie danych. Zaobserwowany efekt przeszedł przez wszystkie testy i został opublikowany w 1983 roku [1]. Wzbudził on olbrzymie zainteresowanie teoretyków i zainspirował kilka nowych eksperymentów. Wszedł do historii fizyki pod nazwą „efekt EMC”. Wspomniana publikacja ma obecnie ponad 700 cytowań.

 

W EMC natychmiast zaproponowano rozszerzenie programu doświadczalnego o dokładne pomiary zaobserwowanego efektu przy użyciu innych jąder. Najpierw, jeszcze w ramach eksperymentu NA2, na miejscu tarczy zawierającej ciekły wodór lub deuter zainstalowano tarcze jądrowe. Potem przeprowadzono eksperyment NA28, dedykowany pomiarom kwarków o najmniejszych pędach. Następnie pomiary z tarczami jądrowymi kontynuowano  „pasożytując” na wiązce mionów przeznaczonej na użytek eksperymentu NA2’ (który będzie opisany poniżej), jako tzw. „chariot experiment”, a na koniec przeprowadzono tzw. „addendum experiment”. 

 

Otrzymane wyniki pozwoliły dokładniej zbadać modyfikacje pędu kwarków w kilku  jądrach. W szczególności zaobserwowano duży deficyt kwarków o bardzo małych pędach, dotychczas nie badanych w innych eksperymentach [2]. Ten program doświadczalny był następnie kontynuowany przez NMC.

 

Spinowy efekt EMC

 

Celem wymienionego powyżej eksperymentu NA2’ było zbadanie dotychczas najmniej znanego aspektu struktury protonu, a mianowicie jego tzw. „struktury spinowej”. Jak wspomniane było we Wstępie, zarówno proton jak i kwarki mają spin o wartości ½ħ. Spodziewano się więc, że w przyrodzie jest realizowany najprostszy scenariusz, w którym spin protonu (a także neutronu) powstaje przez proste, wektorowe dodanie spinu trzech kwarków walencyjnych[1]. Eksperyment NA2’ miał to sprawdzić przy użyciu danych zbieranych w 1984 i 1985 roku. W tym czasie  oba warszawskie laboratoria warszawskie były już członkami EMC.

 

Pomiary wymagały użycia spolaryzowanych mionów oraz spolaryzowanej tarczy protonowej o dużej masie. Wiązka mionów była już spolaryzowana[2]. Natomiast dużym wyzwaniem technicznym było skonstruowanie odpowiednio dużej tarczy ze spolaryzowanymi protonami. Sam pomiar był również bardzo trudny, ponieważ mierzone efekty były bardzo małe i trzeba było je żmudnie oddzielić od efektów związanych z działaniem aparatury. Pomiary i analiza danych prowadzone były głównie przez fizyków z laboratoriów brytyjskich oraz z Uniwesytetu w Yale, pod kierunkiem prof. Vernona W. Hughes’a, który był pionierem badań spinowej struktury nukleonu w SLAC.

 

Pierwsze wyniki analizy opublikowano w 1988 roku [3]. Wniosek był zaskakujący: kwarki w niewielkim stopniu są odpowiedzialne za spin protonu. Ta obserwacja również weszła do historii fizyki pod nazwą „spinowego efektu EMC” lub „kryzysu spinowego”. Zainteresowanie tymi wynikami było i jest nadal bardzo duże. Praca ta ma obecnie prawie 1200 cytowań, co stawia ją na trzeciej pozycji wśród najbardziej cytowanych prac doświadczalnych[3]. Zaproponowano szereg nowych doświadczeń dla przeprowadzenia dalszych badań spinowej struktury nukleonu. Dwa z nich, wykonywane na wiązce mionowej, będą opisane poniżej. Eksperymenty z tej dziedziny są nadal prowadzone w CERN, DESY, BNL i Jefferson Lab.

 

 

Nowa Współpraca Mionowa (New Muon Collaboration, NMC)

 

Badania struktury kwarkowej nukleonów i jąder atomowych były kontynuowane przez NMC (eksperyment NA37), do której należało 18 laboratoriów. Program badań, zatwierdzony w czerwcu 1985 r., przewidywał dokładne wyznaczenie funkcji struktury protonów i neutronów oraz systematyczne badania „efektu EMC”. Rysunek 2 pokazuje tarcze, które były używane w eksperymencie. W nowej współpracy uczestniczyło szereg laboratoriów z EMC (w tym polskie), natomiast nie przystąpiły do niej laboratoria brytyjskie. Jednocześnie pojawiło się szereg nowych zespołów, w szczególności niemieckich i francuskich, które do tej pory zajmowały się fizyką jądrową niskich energii.

 

 

Rys. 2. Platforma z tarczami używanymi w eksperymencie NA37 wykonanym przez zespół NMC.

 

 

Do polskiego zespołu przystąpił  Krzysztof Kurek z UW (obecnie IPJ) oraz doktoranci: Leszek Ropelewski (UW) i Michał Szleper (IPJ). Istotną nowością było przejęcie przez nasz zespół odpowiedzialności za działanie małych komór proporcjonalnych ustawionych w obszarze wiązki. Zadanie to było realizowane w oparciu o inżynierów elektroników: początkowo Andrzeja Derlickiego z Uniwersytetu Warszawskiego, a następnie, do końca eksperymentu, Wiesława Tłaczałę i Krzysztofa Zarembę z Politechniki Warszawskiej (PW). Wkrótce ich ekspertyza była wykorzystywana  przy innych detektorach, cieszyła się dużym uznaniem i była postrzegana jako istotna dla działania eksperymentu. Z tego powodu inżynierowie z PW byli współautorami publikacji NMC. W tym okresie czasu znaczna część pobytów w CERN była finansowana przez MPI w Heidelbergu.

 

Polski zespół wszedł do nowej współpracy z doświadczeniem w opracowaniu danych doświadczalnych nabytym w eksperymentach EMC i odegrał istotną rolę w przygotowaniu szeregu publikacji. W szczególności dotyczy to odkrycia odstępstwa od tzw. „reguły sum Gottfrieda” [4]. Oznacza to, że w morzu kwarkowym liczba par  i  nie jest taka sama. Zaobserwowany efekt był następnie potwierdzony w innych eksperymentach i jest obecnie uwzględniany przy parametryzacjach funkcji struktury. Publikacja [4] była cytowana ponad 300 razy.

 

W odkryciu tym ważną rolę odegrało precyzyjne wyznaczenie stosunku funkcji struktury neutronu i protonu [5] (ponad 100 cytowań). Pomiar ten był również wykorzystany do dokładnego wyznaczenia funkcji struktury protonu i deuteronu [6] (ponad 200 cytowań). Szczególnie istotne były pomiary kwarków o najmniejszych pędach, nie dostępnych w innych eksperymentach. Zaobserwowano, że w nukleonie „oglądanym” z coraz większą zdolnością rozdzielczą pojawia się coraz więcej kwarków morza. Pokazano również, że ten efekt jest zgodny z przewidywaniami fundamentalnej teorii opisującej oddziaływania elementarnych składników protonu, tzw. „chromodynamiki kwantowej”.

 

Ponad 100 cytowań mają również wyniki dotyczące jądrowych funkcji struktury [7] oraz ekskluzywnej produkcji mezonów ρ0 [8].

 

 

Spinowa Współpraca Mionowa (Spin Muon Collaboration, SMC)

 

Następny eksperyment na wiązce mionów w CERN (NA47) prowadzony był przez SMC, w skład której weszło 25 laboratoriów. Do eksperymentu przystąpiło szereg nowych zespołów, m.in. amerykańskich, zmobilizowanych przez charyzmatycznego koordynatora SMC, Vernona Hughes’a. Program badawczy, zatwierdzony w kwietniu 1989, był inspirowany odkryciem „kryzysu spinowego” przez EMC; celem eksperymentu był dokładny pomiar wypadkowego spinu kwarków i ewentualnie identyfikacja źródła jego deficytu. W tym czasie podobne badania zainicjwano w SLAC w Stanach Zjednoczonych oraz w DESY, w Niemczech.  Rysunek 3 pokazuje układ spolaryzowanej tarczy.

 

Rys. 3. Instalacja detektorów eksperymentu NA47 wykonanym przez zespół SMC.  Na pierwszym planie za platformą jest układ tarczy spolaryzowanej. Za tarczą widać jedną z komór proporcjonalnych (w różowej ramie),

za którą odpowiedzialny był polski zespół.

 

Do polskiego zespołu wszedł Wojciech Wiślicki z IPJ oraz doktorantka, Joanna Kiryluk z UW. Początkowo zespół miał ten sam zakres odpowiedzialności aparaturowej co w eksperymencie NMC.

Następnie w ramach polskiej grupy powstała inicjatywa rozszerzenia pomiarów do bardzo małych pędów kwarków, rzędu 10-5 pędu protonu.  Te pomiary wymagały opracowania nowego systemu wyzwalania, który polegał na jednoczesnej rejestracji mionu rozproszonego pod bardzo małymi kątami i hadronów utworzonych w oddziaływaniu. Zespół uczestniczył we wszystkich pracach związanych z opracowaniem tego systemu i jego implementacją. Opracowanie danych doświadczalnych było przedmiotem rozprawy doktorskiej Joanny Kiryluk oraz publikacji [9].

 

Eksperyment SMC opublikował wyniki dotyczące spinowych funkcji struktury protonu [10] i deuteronu [11]. W porównaniu z wynikami innych eksperymentów, wyróżniają się one tym, że pokrywają obszar najmniejszych pędów kwarków. Wszystkie wymienione publikacje mają ponad 100 cytowań, a pierwsze z nich około 500. Potwierdzono tym samym z większą precyzją obserwację EMC, że kwarki niosą tylko część (około 30%) spinu protonu.

 

Z inicjatywy polskiego zespołu, po raz pierwszy przeprowadzono analizę i opublikowano wyniki dotyczące polaryzacji kwarków walencyjnych (osobno u i d) oraz kwarków morza [12]. Również i te prace są szeroko cytowane.

 

Zbadano również spójność  wszystkich dostępnych danych o spinowych funkcjach struktury [13] oraz przeprowadzono analizę danych w oparciu  o chromodynamikę kwantową [14]. Otrzymane wyniki sugerowały, że w bilansie spinu składników protonu  istotną rolę odgrywają gluony. Podobny wniosek otrzymano niezależnie w szeregu innych analiz.

 

Wyznaczenie polaryzacji gluonów jest przedmiotem zapewne ostatniej, tegorocznej publikacji SMC [15].  W tej pracy wybrano takie oddziaływania, w których bezpośrednio uczestniczą gluony. Otrzymany wynik wyklucza dużą polaryzację, aczkolwiek otrzymana wartość jest obarczona znacznym błędem statystycznym. Praca ta została w całości wykonana w ramach polskiego zespołu i była przedmiotem rozprawy doktorskiej Katarzyny Kowalik (IPJ). Jej współautorem jest również Robert Sulej, doktorant z PW.

 

Bezpośredni i dokładniejszy pomiar polaryzacji gluonów jest zatem konieczny do wyjaśnienia zagadki spinu protonu. W połowie lat 90-tych kilka ośrodków badawczych zaproponowało wykonanie odpowiednich eksperymentów. Należy do nich eksperyment COMPASS, wykonywany na wiązce mionowej w CERN.

 

COMPASS

 

Głównym celem eksperymentu COMPASS (NA58) jest bezpośredni pomiar polaryzacji gluonów w nukleonie. Eksperyment był zatwierdzony w lutym 1997 roku, zbieranie danych rozpoczęło się w 2002 r. i zakończy prawdopodobnie w roku 2010. Uczestniczy w nim obecnie około 30 instytucji. Podczas gdy NMC i SMC wykorzystywały detektory zbudowane przez EMC, to obecny eksperyment używa wielu detektorów o nowej technologii (np. komory GEM i MicroMega). Układ doświadczalny jest bardziej złożony i zawiera m.in. dwa magnesy do pomiaru pędu cząstek i detektory do ich identyfikacji. Rysunek 4. przedstawia komory pomiedzy detektorem RICH używanym do identyfikacji cząstek  i pierwszym magnesem spektrometru.

 

 

Rys. 4. Montaż detektorów pozycyjnych eksperymentu NA58 wykonywanego przez zespół  COMPASS.

Z lewej strony widoczny jest pojemnik detektora RICH, a z prawej strony jeden z dwóch magnesów spektrometru.

 

 

Eksperyment rozpoczął się po oficjalnym przystąpieniu Polski do CERN, co spowodowało istotne zmiany w warunkach działania polskich zespołów.  Obecnie uczestniczą one na równi z innymi w decyzjach dotyczących eksperymentu, ale jednocześnie muszą partycypować w jego kosztach operacyjnych i finansować inwestycje aparaturowe. Zespół z PW uczestniczył w budowie elektroniki do części detektorów pozycyjnych, tzw. „komór słomkowych”. W ramach dalszej rozbudowy eksperymentu zespoły z IPJ i PW konstruują  jedną płaszczyznę detekcyjną z włókien scyntylacyjnych, która ma być umieszczona w obszarze wiązki, wyposażą ją w elektronikę odczytu i elementy systemu akwizycji danych.

 

Zespół z Instytutu Radioelektroniki PW powiększył się o inżyniera elektronika, Janusza Marca, oraz o doktoranta, Adama Padée. Obecnie ta grupa składa się z 4 osób, w tym dwóch doktorantów. Instytut Radiotechniki występuje teraz w COMPASS-ie jako osobne laboratorium. Zespół fizyków z IPJ i UW liczy obecnie 11 osób, w tym 4 doktorantów: Oleg Grajek i Adam Mielech z IPJ oraz Grzegorz Brona i Marcin Stolarski z UW. 

 

Bogaty program doświadczalny i skala czasowa eksperymentu  stwarzają dobre perspektywy

dalszego rozwoju polskiego zespołu i jego wkładu w badania struktury nukleonu.

 

Podsumowanie

 

Polscy fizycy z Warszawy (IPJ i UW) i Krakowa (IFJ) uczestniczyli w programie badań struktury materii w CERN od początku lat 80-tych, w kolejnych doświadczeniach prowadzonych przez zespoły EMC, NMC, SMC i COMPASS. Wiele otrzymanych wyników jest szeroko cytowanych, a kilka z nich ma rangę odkryć: „efekt EMC”, „spinowy efekt EMC” i „łamanie reguły sum Gottfrieda”.

 

Zespół polskich fizyków i studentów odegrał istotną rolę w opracowaniu wielu szeroko cytowanych wyników. Udział w tych eksperymentach był podstawą trzech doktoratów[4] i pięciu habilitacji[5] z fizyki i jednej habilitacji[6] z elektroniki. W tym okresie czasu pięć osób otrzymało również nominacje profesorskie[7], w znacznym stopniu w oparciu o zdobyty w nich dorobek naukowy.

 

Począwszy od eksperymentu NMC polski zespół był również odpowiedzialny za działanie elementów aparatury. To zadanie było wykonywane przy nieodzownym wsparciu inżynierów elektroników, początkowo z UW, a następnie z PW.

 

Obecnie program badań struktury materii jest kontynuowany w eksperymencie COMPASS, w którym uczestniczy 15 polskich fizyków i inżynierów z IPJ, UW i PW, a wśród nich 6 doktorantów.

 

 

 

 

 

Bibliografia

 

[1]  EMC: J.J. Aubert et al., „The ratio of the nucleon structure functions F2N for iron and

deuterium”, Phys. Lett. B 123 (1983) 275.

[2]  EMC:  J. Ashman et al., “Measurements of the ratios of muon-nucleus cross-sections on 

       various nuclei compared to deuterium”, Phys. Lett. B 202 (1988) 603;

       EMC: M. Arneodo et al., “Shadowing in deep inelastic muon scattering from nuclear targets”,

       Phys. Lett. B 211 (1988) 493;

       EMC: M. Arneodo et al., “Measurements of the nucleon structure function in the range

       0.002<x<0.17 and 0.2 GeV2<Q2<8 GeV2 in deuterium carbon and calcium”,

       Nucl.Phys. B 333 (1990) 1.

[3]  EMC: J. Ashman et al., A measurement of the spin asymmetry and determination of the

       structure  function g1 in deep inelastic muon-proton scattering”, Phys. Lett. B 206 (1988) 364.

[4]  NMC: P. Amaudruz et al, “The Gottfried sum from the ratio F2n/F2p”, Phys.Rev.Lett. 66 (1991)  

       2712;

       NMC: M. Arneodo et al., “A reevaluation of the Gottfried sum”, Phys.Rev D 50 (1994) 1.

[5]  NMC: P. Amauderuz et al., The ratio F2n/F2p in deep inelastic muon scattering”, Nucl.Phys. B

      371 (1992) 3.

[6]  NMC: P. Amauderuz et al., “Proton and deuteron F2 structure functions in deep inelastic muon

       scattering”, Phys. Lett. B 295 (1992) 159;

       NMC: M. Arneodo et al., “Measurement of the proton and deuteron structure functions, F2p

       and  F2d”, Phys. Lett. B 364 (1995) 107.

       NMC: M. Arneodo et al., “Measurement of the proton and deuteron structure functions, F2p

       and F2d , and of the ratio σLT”, Nucl.Phys. B 483 (1997) 3;      

[7]  NMC:  P. Amaudruz et al., “Precision measurement of the structure function ratios  F2He/F2d,

       F2C/F2d and F2Ca/F2d”, Z.Phys. C 51 (1991) 387;

       NMC: P. Amaudruz et al., “A reevaluation of the nuclear structure function ratios for d, He,

       6Li, C and Ca”, Nucl. Phys. B 441 (1995) 3.

[8]   NMC: M Arneodo et al, “Exclusive ρ0 and φ muoproduction at high Q2”, Nucl.Phys. B 429

       (1994) 503. 

[9]   SMC: B. Adeva et al., “Spin asymmetries A1 and structure functions g1 of the proton and the

        deuteron from polarised high-energy muon scattering”, Phys.Rev. D 58 (1998) s. 112001.

[10] SMC: D. Adams et al., “Measurement of the spin dependent structure function g1(x) of the

        proton”, Phys. Lett. B 329 (1994) 399;

        SMC: D. Adams et al., “ Spin asymmetry in muon-proton inelastic scattering on a transversely

        polarised target “, Phys. Lett. B 336 (1994) 125;

        SMC: D. Adams et al., “ Spin structure of the proton from polarised inclusive deep inelastic

        muon-proton scattering”, Phys. Rev. D 56 (1997) 5330. 

[11] SMC: B. Adeva et al., “Measurement of the spin dependent structure function g1(x)

        of the deuteron”, Phys. Lett. B 302 (1993) 533;

        SMC: D. Adams et al., “A new measurement of the spin dependent structure function g1(x)

        of the deuteron”, Phys. Lett. B 357 (1995) 248;

        SMC: D. Adams et al., “The spin dependent structure function g1(x) of the deuteron from

        polarised deep inelastic muon scattering”, Phys. Lett. B 396 (1997) 338.

[12] SMC: B. Adeva et al., “Polarisation of valence and nonstrange sea quarks in the nucleon from

        semiinclusive spin asymmetries”, Phys. Lett. B 369 (1996) 93;

        SMC: B. Adeva et al., “Polarised quark distributions in the nucleon from semiinclusive

        spin asymmetries”, Phys. Lett. B 420 (1998) 180.

[13] SMC: B. Adeva et al., “Combined analysis of world data on nucleon spin structure functions”,

        Phys. Lett. B 320 (1994) 400.

[14] SMC: B. Adeva et al., “Next-to-leading order QCD analysis of the spin structure g1”, Phys.

        Rev. D 58 (1998) 112002.

[15] SMC:  B. Adeva et al., “Spin asymmetries for events with high pT hadrons in DIS and an

        evaluation of the gluon polarisation”, hep-ex/0402010, artykuł zaakceptowany w Phys. Rev. D.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 



[1] Najprostszy scenariusz: dwa kwarki mają spin równoległy, a jeden antyrównoległy do spinu nukleonu.

[2] Miony powstają w wyniku rozpadu mezonów π poprzez tzw. oddziaływania elektrosłabe, które nie zachowują

  parzystości. Dlatego pojawiają się już jako cząstki spolaryzowane.

[3] Na pierwszym miejscu jest publikacja Super-Kamiokande z 1988 r. na temat oscylacji neutrin atmosferycznych, a na

  drugim publikacja o odkryciu cząstki J/ψ w SLAC z 1974 r.

[4] Joanna Kiryluk, Katarzyna Kowalik i Michał Szleper.

[5] Jacek Ciborowski, Jan Figiel, Ewa Rondio, Andrzej Sandacz i Wojciech Wiślicki.

[6] Janusz Marzec.

[7] Barbara Badełek, Jacek Ciborowski, Jan Figiel, Piotr Malecki i Jan Paweł Nassalski.