Oddział Fizyki Jądrowej i Oddziaływań Silnych - Historia

Oddział II, Fizyki Jądrowej i Oddziaływań Silnych, powstał w wyniku restrukturyzacji IFJ PAN w 2005 r. Objął on dotychczasowy Zakład 1. - Reakcji Jądrowych - w obecnej nomenklaturze NZ21, oraz część Zakładu 2. - Spektroskopii Jądrowej i Badań Stosowanych – część związaną z badaniami struktury jądra atomowego, obecnie jest to NZ22. Do Oddziału włączony również został Zakład Ultrarelatywistycznej Fizyki Jądrowej (obecnie NZ23), wywodzący się z Pracowni Eksperymentu ALICE dawnego Zakładu 5 Fizyki Wysokich Energii. Kierownictwo Oddziału II powierzone zostało prof. dr hab. Janowi Styczniowi. Po jego przejściu na emeryturę w 2010 r., kierowanie Oddziałem przejął prof. dr hab. Adam Maj, a po objęciu przez niego stanowiska wicedyrektora IFJ PAN, funkcję kierownika pełni od 2014 prof. dr hab. Bogdan Fornal.

Historycznie, obydwa Zakłady 1. i 2. są najstarszymi zakładami w IFJ PAN, jakie ukształtowały się w początkowej fazie istnienia i budowy Instytutu, tj. w 1955 r., jeszcze w Zakładzie Fizyki Jądrowej (wtedy IBJ), mieszczącym się przy ul Gołębiej 13. Później w 1958 r., kierownictwo Zakładu 1. Reakcji Jądrowych, twórca Instytutu – Profesor Henryk Niewodniczański - powierzył prof. Adamowi Strzałkowskiemu, a sam objął Zakład 2. - Spektroskopii Jądrowej. W 1966, Zakład 2. przejął prof. Andrzej Hrynkiewicz, którym kierował do chwili odejścia na emeryturę, tj. do 1996 r. Wówczas kierownikiem Zakładu 2. został prof. dr hab. Jan Styczeń. W Zakładzie 1. zmiana kierownictwa nastąpiła w 1975 r. Funkcję tę objął prof. dr hab. Andrzej Budzanowski, pozostając kierownikiem aż do 2004 r., kiedy ster przejął prof. dr hab. Antoni Szczurek. Zakładem Ultrarelatywistycznej Fizyki Jądrowej kierował prof. dr hab. Jerzy Bartke.

Do połowy lat 70. badania naukowe Zakładu 1. Reakcji Jądrowych 1) koncentrowały się na cyklotronie U-120, zakupionym w ówczesnym Związku Radzieckim. Pierwszym tematem badawczym był pomiar polaryzacji spinowej neutronów w reakcji strippingu deuteronów na jądrach 12C. Pomiary rozkładów kątowych, a szczególnie badania polaryzacji cząstek w reakcjach rozpraszania cząstek lekkich, oraz całkowitych przekrojów czynnych na reakcje, stanowiły podówczas centrum ogólnoświatowych zainteresowań i także awangardę badań krakowskiego zespołu. Silny akcent położony był również na oddziaływania cząstek alfa z jądrami atomowymi. Badania rozpraszania cząstek alfa dla kątów wstecznych, bliskich 180o, doprowadziły do odkrycia efektu glorii dla fal de Broglie’a w materii [3]. Efektu identycznego do znanego w optyce przy wstecznym rozpraszaniu światła na kropelkach wody – mgle (obserwowane np. w górach, tzw. widmo Brockenu). Efekty fizyczne związane z rozpraszaniem cząstek alfa pod wstecznymi katami, określane w literaturze światowej jako ALAS (Anomaly Large Alpha Scattering), stanowiły szeroki wachlarz badań. Prace te przynosiły spory rozgłos w świecie naukowym. Odnotowane nie tylko w międzynarodowych czasopismach (Scientific American i in.), ale także w licznych monografiach naukowych. Uzyskanie wiązek cząstek alfa o zmiennej energii z U-120 w pierwszej połowie lat 70. pozwoliło rozszerzyć zakres badań. W szerokim zakresie badano nadal rozpraszanie cząstek alfa pod wstecznymi kątami oraz deuteronów. Usystematyzowano struktury klastrowe typu ‘alfa’ oraz wiele innych rezonansowych struktur w lekkich i średnich jądrach. Od 1966 r., istniało w Z1 Laboratorium Reakcji Jądrowych z Prędkimi Neutronami, gdzie neutrony ze zbudowanego tu generatora neutronów prędkich rozpraszano na jądrach atomowych. Zbadano rozkłady kątowe w bardzo szerokim zakresie kątów (6o do 176,5o) dla neutronów rozproszonych elastycznie i nieelastycznie głównie na jądrach lekkich pierwiastków....

Od drugiej połowy lat 70. program badań Z1 2) kształtował się w zasadzie oparciu o urządzenia badawcze ośrodków zagranicznych w ramach szeroko rozwijającej i ugruntowującej się współpracy międzynarodowej. Eksperymenty na akceleratorze w Kernforschungsanlage (KFA, Jülich) nad rozpraszaniem cząstek alfa o energii 172,5 MeV na jądrach Niklu doprowadziły do odkrycia rozpadu (break-up’u) cząstek alfa. Coraz częściej wykorzystywane były wiązki ciężkich jonów, poczynając od ZIBJ w Dubnej, ŚLCJ UW z ciężkojonowym cyklotronem U-150, poprzez europejskie ośrodki Louvain-la-Neuve, Karlsaruhe, Jülich, Darmstadt Berlin, Grenoble, Groningen, Zurych, i aż po USA - Berkeley, Collage Station, MSU. Spektakularnym odkryciem o bardzo dużym znaczeniu w literaturze światowej uznać należy prace J. Wilczyńskiego (1973) o tzw. kręcie krytycznym, powyżej którego nie zachodzi synteza jądrowa, oraz praca dotycząca tzw . Wilczynski Plot, czyli ustalonym przez niego schemacie, który pozwalał identyfikować procesy głęboko nieelastycznego rozpraszania. Należy też wspomnieć o badaniach mechanizmu wytwarzania lekkich jąder, jąder egzotycznych oraz bardzo bogatych w neutrony, które prowadzono w ZIBJ (Dubna) a także w GANIL (Caen). Spora część prac poświęcona jest badaniu multifragmentacji w zderzeniach ciężkich jonów. W latach 90. nastąpiła znaczna zmiana tematyki reakcji jądrowych w Z1, kiedy w Ośrodku w Jülich zbudowano synchrotron protonowy z ‘elektronowym schładzaniem’ (Cooler Synchrotron). Prace ukierunkowały się na badania produkcji pionów i kaonów, a także mezonów η i η’ w obszarze przyprogowym z wykorzystaniem spektrometru COSY-11, zbudowanego w dużej mierze w IFJ PAN.

Bardzo prężnie rozwijały się w Zakładzie badania w zakresie teorii, początkowo - od zastosowań metody Hartree-Focka zależnej od czasu, nieco później - modelu klastrowego zarówno do opisu reakcji jądrowych jak i gigantycznych rezonansów. Badania te ewoluowały do bardziej zaawansowanej kwantowej dynamiki molekularnej, wykorzystanej w opisie fuzji jądrowej, a następnie szeroko pojętego – rozpraszania w fizyce jądrowej. Dalszy rozwój tych badań doprowadził do zainteresowania się problematyką chaosu w równaniach dynamicznych. Rozwinięte zostały metody opisu jądrowej funkcji nasilenia przy uwzględnieniu mieszania konfiguracji wyższego rzędu, wykorzystując oddziaływania nukleon-nukleon z macierzy G. Brücknera, co pozwoliło na rzetelną interpretację wielu fizycznych eksperymentów. Zainteresowanie się kwantowymi aspektami chaotycznych układów dynamicznych w odniesieniu do modelu powłokowego jądra zaowocowało rozwojem modelu powłokowego ze sprzężeniem do kontinuum (SMEC – Shell Model Embedded in the Continuum). Bardzo istotnym był również aspekt ‘wysokoenergetyczny’ w rozwijanych dociekaniach teoretycznych w Z1. Pierwsze prace wiązały się z badaniem efektów ‘chmury mezonowej’ w nukleonie i ilościowym wyjaśnieniem łamania Reguły Sum Gottfried’a w procesach głęboko-nieelastycznego rozpraszania leptonów na nukleonach. A także, pozwoliły przewidzieć nowe efekty związane z procesami Drella-Yana, które zostały później potwierdzone eksperymentalnie w Fermilabie. Prowadzono również badania produkcji neutronów i protonów „do przodu” na akceleratorze HERA. Doświadczenia zdobyte w pracach z chaotycznymi układami dynamicznymi użyte zostały w badaniach o charakterze interdyscyplinarnym – badania ‘informacji’ przetwarzanych przez mózg człowieka, czy badania zachowań rynków finansowych.

Rozwój badań atomów i molekuł mionowych na początku lat 80. zdopingował do podjęcia badań teoretycznych w tym zakresie w Zakładzie 1. Rozwinięte zostały specjalistyczne oprogramowania do analizy i symulacji eksperymentów z fizyki mionowej, a także w aspekcie reakcji katalizy mionowej.

Zakład 2., Spektroskopii Jądrowej 3), w pierwszym okresie istnienia opierał swe prace na radioaktywnych źródłach otrzymywanych z: i) ZIBJ w Dubnej w reakcjach tzw. spallacji, ii) reaktora neutronów w Świerku pod Warszawą, oraz w ograniczonym stopniu iii) krakowskiego cyklotronu U-120. Jedna z pierwszych publikacji dotyczyła badania stanów wzbudzonych w 166Er oraz poszukiwania wzbudzeń wibracyjnych. Największe jednak znaczenie i duży rozgłos zyskały pomiary czasów życia i momentów magnetycznych krótkożyciowych stanów wzbudzonych, w szczególności tzw. metoda tangensów. Poza publikacjami w czasopiśmie Physics Letters, metoda ta i najdokładniejszy pomiar momentu magnetycznego w 181Ta zostały odnotowane w dziele pt. Alpha-, Beta- and Gamma-ray Spectroscopy, 1965, Kai Siegbahn’a. Równolegle do prac w Krakowie, część zespołu prowadziła badania spektroskopowe w ZIBJ w Dubnej w obszarze jąder Sr, Rb i Kr. Odpowiednie izotopy promieniotwórcze otrzymywane były w reakcjach z ciężkimi jonami. Uzyskano bardzo wartościowe informacje o nieznanych dotychczas widmach stanów wzbudzonych w/w jąder. Badania interakcji pola magnetycznego z momentami magnetycznymi, wyzwoliły prace w zakresie tzw. oddziaływań nadsubtelnych. Stanowiły one podwaliny późniejszych badań w zakresie spektroskopii stosowanej w odniesieniu do fazy skondensowanej materii4) i powstania Pracowni Stosowanej Spektroskopii Jądrowej.

O ile w przypadku prac z reakcji jądrowych (Z1), które od samego początku oczywiście były typu on-line na wiązkach z U-120, to badań spektroskopowych w reakcjach bezpośrednio na wiązce tego cyklotronu nie można było jednak prowadzić ze względu na bardzo duże tło pasożytniczego promieniowania gamma. Pierwsze prace typu on-line wykonywane były dość wcześnie na tzw. Małym Cyklotronie C-48, zbudowanym w Instytucie Fizyki UJ na ul. Gołębiej 13, skąd został on przeniesiony do IFJ ok. 1958 r. Były to pomiary wzbudzenia kulombowskiego (CE), wywoływanego cząstkami alfa, których rozszerzeniem były badania CE jądra 208Pb i jąder bliskich 208Pb wiązką cząstek alfa z cyklotronu (również typu U-120) w Rossendorfie (k. Drezna), a następnie wiązką ciężkich jonów na cyklotronie w ZIBJ w Dubnej, gdzie zastosowana została pełna detekcja półprzewodnikowa z Ge(Li) do rejestracji promieniowania gamma oraz Si dla rozproszonych wstecz ciężkich jonów. Otrzymano precyzyjne wartości prawdopodobieństw przejść B(E2) w 189Os. Badania spektroskopowe w reakcjach jądrowych on-line prowadzone były przez naukowców Zakładu 2 5) we współpracy z Centre de Rechereches Nucleaires (CRN) w Strasbourgu dla obszaru jąder powłoki f7/2, oraz w Instytucie Nielsa Bohra (NBI) w Kopenhadze, gdzie szczególnie istotna była tematyka związana z badaniami przekrojów czynnych i krotności (multiplicity) promieniowania gamma w reakcjach z ciężkimi jonami 6). W pewnej części prace te zostały przeniesione na grunt krakowski – na cyklotron U-120, kiedy oddano do eksploatacji nową halę z kilkoma jonowodami dla wiązek cząstek przyśpieszanych w tym cyklotronie. Rozpoczęła się również era intensywnej współpracy z zespołami fizyków z Instytutu Fizyki UJ, Instytutu Fizyki Doświadczalnej i ŚLCJ UW, jak również zagranicznymi: CRN, czy uniwersytetu w Uppsali. Wkrótce jednak wiązki otrzymywane z U-120 nie sprostały wymaganiom bardzo szybko rozwijającej się tematyki badań wysokospinowych wzbudzeń. Zachodziła potrzeba wiązek ciężkich jonów i wysokoenergetycznych protonów oraz cząstek alfa. Z braku możliwości w Kraju prace badawcze musiały się koncentrować w ośrodkach zagranicznych głównie CRN, KFA (Jülich), NBI, HMI (Hahn-Meitner Instytut, Berlin), INFN w Legnaro a nieco później Purdue University i ANL (Argonne National Laboratory), Oak Ridge, oraz Jyväskylä University w Finlandii.

Badania te dostarczyły szereg doniosłej wagi wyników: - wykrycie drugiego tzw. backbandingu w 176Yb, - udokumentowanie magiczności jądra 146Gd; - uwierzytelnienie ‘magiczności’ powłoki N=40 (68Ni), - odkrycie ‘magiczności’ powłoki N=32; - identyfikacja dwufononowego, oktupolowego wzbudzenia w 147Gd; - multiplety sprzężeń wibracji kwadrupolowych i oktupolowych; - współistnienie wzbudzeń jednocząstkowych i kolektywnych oraz deformacja w jądrach powłoki f7/2 i cięższych; - identyfikacja dużej deformacji w 152Dy; - superdeformacja jądrowa (42Ca, 146Gd, 147Gd, 152Dy) oraz hyperdeformacja(136Ba); - wysokospinowe struktury w jądrze 208Pb i jądrach sąsiednich; - prawdopodobieństwa przejść elektromagnetycznych i odkrycie znaczących stanów izomerycznych oraz pomiary czasów życia od mikrosekundowych do ultrakrótkich - femtosekundowych wartości; - wzbudzenia i wysokoenergetyczne rozpady Gigantycznych Dipolowych Rezonansów (GDR); zaobserwanie kształtu Jakobi’ego w jądrach powłoki f7/2; - spektroskopia jąder ciężkich i superciężkich.

W bardzo dużym stopniu do uzyskania sporej części tych wyników przyczyniły się między innymi dwie ważne koncepcje: zastosowania głęboko-nieelastycznych zderzeń ciężkich jonów w spektroskopii jąder niedostępnych w procesach syntezy, oraz zastosowania specyficznej selekcji jąder odrzutu wytwarzanych w reakcjach syntezy. Pierwsza z nich umożliwiła unikalne badania spektroskopowe w bardzo szerokim zakresie jąder, szczególnie jąder ‘bogatych w neutrony’. Tę drugą koncepcję wykorzystano w Zakładzie do budowy detektora jąder odrzutu (RFDRecoil Filter Detector) 7) w dwóch wersjach: a) prototypowej, zainstalowanej na wiązce cyklotronu HMI, i b) zmodyfikowanej, wykorzystanej na wiązkach ciężkich jonów w CRN-Strasbourg, i INFN-Legnaro. W obu koncepcjach, decydujące znaczenie miało zastosowanie wielolicznikowych systemów detekcyjnych do rejestracji promieniowania gamma (OSIRIS, GASP, EUROBALL, GAMMASPHERE, czy AGATA).

W przyszłości, coraz większa uwaga skupiona będzie na wykorzystaniu radioaktywnych wiązek. Szereg eksperymentów 8) już przeprowadzono w projekcie RISING. W budowie zaś są trzy duże obiekty: SPS w INFN (Legnaro), SPIRAL2 w GANIL (Caen), i trzeci – FAIR, w GSI. Mamy bezpośredni udział w tych projektach dzięki podpisanym umowom o współpracy.

Współpraca międzynarodowa

Od początku istnienia Zakładów współpraca z zagranicą była niezmiernie ważna dla tworzenia kontaktów, kształcenia i prowadzenia badań. Początkowo były to indywidualne wyjazdy młodych pracowników naukowych. Dzięki tym kontaktom podpisane zostały później porozumienia i umowy o współpracy, które umożliwiały wyjazdy zespołów i prowadzenie wspólnych badań, oraz udziały w dużych projektach naukowych. Pierwsza zorganizowana współpraca została zaaranżowana z Institut für Kernphysik w Rossendorf’ie. Stopniowo następowała z niemal wszystkimi ośrodkami fizyki jądrowej w Europie (ZIBJ w Dubnej, Louvain-la-Neuve, Jyväskylä, Strasbourg, Caen (GANIL), Karlsaruhe, Jülich, Darmstadt, Berlin, Grenoble, Groningen, Zurych, Legnaro, Mediolan) i szereg ośrodków w USA (Berkeley, Collage Station, MSU w USA, Argonne, Purdue University). Obecnie koncentruje się w paru dużych ośrodkach, głównie w GANIL (Caen), w INFN (Legnaro), w GSI (Darmastadt), oraz w Forschungszentrum (Jülich), z którymi podpisane zostały umowy o współpracy. W przypadku Francji i Włoch umowy sygnowane są przez Konsorcjum COPIN (www.copin.ifj.edu.pl), a koordynowane przez IFJ PAN. Początki najstarszej umowy z Francją, zwanej Konwencją sięgają aż 1974 r. Umowa z GSI, która obejmuje Oddział II, sygnowana jest przez Konsorcjum FEMTOFIZYKA z koordynatorem IFUJ.

Urządzenia badawcze

Prace z reakcji jądrowych nad rozpraszaniem cząstek wymagały budowy odpowiednich, specyficznych komór. Jedna, tzw. ‘przenośna’, z kilkudziesięcioma detektorami półprzewodnikowymi, dawała możliwość badań pod kątami bliskimi 180o. Do późniejszych badań ciężkojonowych w ZIBJ, zbudowano komorę o sśrednicy 60 cm, a do współpracy z LBNL w Berkelay – o średnicy 140 cm. Separator ciężkojonowy służył do formowania wtórnych wiązek egzotycznych izotopów (do badań w ZIBJ), a układ wielolicznikowy ARGUS do prac ciężkojonowych na akceleratorze VICKSI w HMI, oraz Forward Wall Detector dla systemu CELSIUS w Uppsali. Spektrometr COSY-11 powstał do prac na wiązce Synchrotronu w Jülich. W laboratorium neutronowym Z1 zbudowano i uruchomiono generator kaskadowy (240 kV), ze źródłem jonów i systemem transportu wiązki deuteronów a następnie generator neutronów prędkich.

W pracach spektoskopowych, pierwszym urządzeniem badawczym był Mały Cyklotron C-48, który został zbudowany jeszcze w Instytucie Fizyki UJ na Gołębiej 13 z inicjatywy Profesora Henryka Niewodniczańskiego, i przeniesiony do IFJ po wybudowaniu odpowiednich pomieszczeń. Służył przez szereg lat w badaniach wzbudzenia kulombowskiego z cząstkami alfa a później, w pomiarach PIXE (Proton Induced Xray Emission) i badaniach materiałowych metodą RBS (Rutherford Back Scattering). Poważnym narzędziem we wczesnych latach były spektrometry promieniowania beta: toroidalny bezrdzeniowy oraz z magnesem stałym. Pomiary momentów magnetycznych wymagały stanowiska pomiarowego z elektromagnesem o intensywnym polu, sięgającym 3,5 Tesli, i wyrafinowanej techniki detekcji promieniowania gamma ze względu rozproszone pole. W okresie późniejszym zbudowany został mały magnes „garnkowy”, 1,7 Tesli, o niskim polu rozproszonym, który był używany również w pomiarach on-line na wiązce U-120. Dla badań spektroskopowych prowadzonych w ZIBJ zbudowane zostało stanowisko pomiarowe z mieszaną detekcją Ge(Li)- NaJ(Tl), do pomiarów koincydencyjnych widm gamma, korelacji kierunkowych (z automatycznym sterowaniem), oraz czasów życia. Do prac badawczych na wiązce U-120 zbudowano filtr krotności, a do pomiarów z wykorzystaniem ciężkich jonów we współpracy z ośrodkami zagranicznymi powstały dwie wersje RFD (Recoil Filter Detektor), zaś do badań gigantycznego rezonansu (GDR) - układ HECTOR, który w pracach z wiązkami radioaktywnymi zostanie ‘zastąpiony’ przez nowej generacji detektor PARIS.

Współpraca z krajowymi ośrodkami

Dużą uwagę przywiązuje się do współpracy z Ośrodkami krajowymi. Od początku powstania istniała silna więź z IFUJ zarówno w pracach ze źródłami radioaktywnymi, jak i na cyklotronie U-120. Wiele cennych prac powstało dzięki współpracy z zespołami Uniwersytetu Warszawskiego, szczególnie z ŚLCJ i Zakładu Fizyki Doświadczalnej, zarówno w oparciu o badania w IFJ na U-120, jak również na U-150 w ŚLCJ. We wczesnej fazie istnienia Zakładów 1 i 2 – miały miejsce wspólne seminaria z IBJ w Świerku pod Warszawą.

Organizacja międzynarodowych konferencji

Oddział II stał się kolebką prestiżowych Zakopiańskich Konferencji Fizyki Jądrowej (grupujących ok. 150 uczestników), organizowanych co 2 lata, które historycznie wiążą się bezpośrednio z znaną Zakopiańską Szkoła Fizyki Jądrowej, a której współorganizatorami byliśmy od 1963 r. W 1976 r. EPS powierzyło nam wspólnie z IFUJ organizację dużej konferencji ‘Radial Shape of Nuclei’ (ok. 170 uczestników). Od 2000 r. współorganizujemy wraz z IFUJ konferencję pod nazwą MESON. Mniej regularnie organizowane są mniejsze konferencje i warsztaty naukowe.

(prof. dr hab. Jan Styczeń)


Rozszerzony zakres informacji można znaleźć w wydaniu książkowym: „50 lat Instytutu Fizyki Jądrowej im. Henryka Niewodniczańskiego Polskiej Akademii Nauk”, pod reakcją Andrzeja Hrynkiewicza, Wydawnictwo PAU, Kraków, 2005; ISBN 83-60183-06-6, w artykułach:

1) A. Budzanowski, K. Grotowski, ibid, s. 53;
2) A. Budzanowski, A. Szczurek, ibid, s.179;
3) A. Hrynkiewicz, J. Styczeń, ibid, s. 83;
4) A. Hrynkiewicz, ibid, s. 95;
5) J. Styczeń, ibid, s.193;
6) R. Broda, ibid, s. 197;
7) W. Męczeński, ibid, s. 239;
8) A. Maj, ibid, s. 235.