Oddział Fizyki Jądrowej i Oddziaływań Silnych - Nasza misja

Fizyka jądrowa, nauka o budowie i własnościach jądra atomowego oraz o procesach jądrowych, nieustannie poszerza granice ludzkiego poznania, odpowiadając na podstawowe pytania o budowę oraz pochodzenie Wszechświata. Jest to możliwe głównie dzięki postępowi na polu technologii i informatyki, którego jesteśmy świadkami, a który generowany jest m. in. przez wymogi nowych eksperymentów badających świat subatomowy.

Faktem jest, że 99.9 procent masy wszystkich atomów we Wszechświecie pochodzi od znajdujących się w ich wnętrzu jąder atomowych, których objętość jest ponad bilion razy mniejsza (10-12) od objętości całego atomu. Pomimo bardzo małych rozmiarów i niesłychanej gęstości, jądra atomowe są strukturami złożonymi. W ich skład wchodzą nukleony, czyli protony i neutrony, które z kolei składają się z kwarków wiązanych za pomocą gluonów, czyli cząstek pośredniczących w przenoszeniu oddziaływań silnych. Złożoność tę odzwierciedla ogromna liczba możliwych stanów jądra i materii jądrowej charakteryzowanych za pomocą spinu, izospinu, kształtu, temperatury lub gęstości. Powstaje pytanie, jak taka złożoność prowadzi do regularnych struktur jądrowych, które są obserwowane w eksperymentach. Między innymi na to właśnie pytanie staramy się odpowiedzieć w Oddziale Fizyki Jądrowej i Oddziaływań Silnych, prowadząc badania w zakresie eksperymentu i teorii na wszystkich polach fizyki jądrowej. Badania te są realizowane w trzech zakładach wchodzących w skład Oddziału: w Zakładzie Struktury Jądra Atomowego, Zakładzie Mechanizmu Reakcji Jądrowych i Oddziaływań Silnych oraz w Zakładzie Ultrarelatywistycznej Fizyki Jądrowej i Oddziaływań Hadronów.

Struktura jądra atomowego może być rozważana i opisywana na bazie dwóch podejść:

a) podejścia mikroskopowego, skupiającego się na ruchu poszczególnych nukleonów w średnim potencjale wytworzonym przez wszystkie nukleony wchodzące w skład jądra – prowadzi to do kwantowej struktury powłokowej jądra,
b) podejścia mezoskopowego, w ramach którego jądro jest wysoce zorganizowanym systemem złożonym, charakteryzującym się pewnymi symetriami, regularnościami oraz własnościami kolektywnymi.

Eksperymenty pokazują, że obie te charakterystyki są ze sobą głęboko powiązane. Poszukiwanie wytłumaczenia związku pomiędzy dwiema koncepcjami opisu jądra stanowi jeden z głównych przedmiotów badań współczesnej fizyki struktury jądra. Przyjmuje się, że w celu uzyskania odpowiedzi należy skoncentrować się na jądrach leżących w niezbadanych dotąd obszarach mapy nuklidów, czyli jądrach egzotycznych, charakteryzujących się wysokimi wartościami izospinu, spinu lub temperatury. Prace badawcze w tym zakresie prowadzone są w Zakładzie Struktury Jądra Atomowego we współpracy z fizykami z czołowych centrów fizyki jądrowej na świecie. Wykorzystuje się tutaj głównie wiązki jąder atomowych, zarówno stabilne jak i radioaktywne.

Badania oddziaływania silnego oraz składników protonu i neutronu, kwarków i gluonów, są stymulowane przez kilka podstawowych pytań:

a) w jaki sposób własności protonu i neutronu wynikają z zachowania się ich składników,
b) w jaki sposób struktura wewnętrzna nukleonów odzwierciedla się w strukturze jąder zbudowanych z tych nukleonów,
c) czy chromodynamika kwantowa pozwoli na skonstruowanie pomostu pomiędzy fizyką oddziałujących nukleonów, także tych związanych w jądrze, a głębszą strukturą opartą o kwarki i gluony.

Prace badawcze, które przynoszą odpowiedzi na powyższe pytania realizowane są w Zakładzie Mechanizmu Reakcji Jądrowych i Oddziaływań Silnych.

Wraz z uruchomieniem Relatywistycznego Zderzacza Ciężkich Jonów (Relativistic Heavy Ion Collider - RHIC) w Brookhaven (USA) oraz Wielkiego Zderzacza Hadronów (Large Hadron Collider - LHC) w CERNie możliwa stała się produkcja stanu materii, jaki istniał kilka mikrosekund po Wielkim Wybuchu, kiedy to temperatura Wszechświata wynosiła kilka bilionów stopni. Własności takiego stanu materii mogą być badane jedynie w laboratorium, gdyż informacje o nim nie są dostępne za pomocą żadnych astronomicznych metod obserwacyjnych. Prace badawcze na temat wspomnianych egzotycznych stanów materii prowadzone są w Zakładzie Ultrarelatywistycznej Fizyki Jądrowej i Oddziaływań Hadronów. Główny nacisk położony jest na badania zderzeń proton-jądro atomowe i jądro atomowe - jądro atomowe przy ultrarelatywistycznych energiach na LHC z użyciem detektora ALICE.

Oddział Fizyki Jądrowej i Oddziaływań Silnych prowadzi także program badawczy w zakresie fizyki jądrowej na wiązce protonów cyklotronu Proteus-235, który dostępny jest na miejscu, w Centrum Cyklotronowym Bronowice (CCB) IFJ PAN. Prace dotyczą głównie dwóch najbardziej aktualnych zagadnień eksperymentalnej fizyki jądrowej: badania mechanizmu reakcji lekkich jąder oraz spektroskopii gamma egzotycznych wzbudzeń jądra atomowego. Aparatura pomiarowa opiera się na nowoczesnych układach detekcyjnych takich jak:

a) wielodetektorowy układ pomiarowy BINA do detekcji korelacji energetycznych i kątowych lekkich cząstek naładowanych,
b) system detektorów scyntylacyjnych HECTOR lub system detektorów scyntylacyjnych najnowszej generacji PARIS,
c) wielolicznikowy układ detektorów lekkich cząstek naładowanych KRATTA,
d) układ detektorów germanowych.

Zakres energii protonów dostępnych z cyklotronu Proteus-235 od 70 do 230 MeV oraz możliwość szybkich zmian tej energii czyni laboratorium CCB idealnym i unikalnym w Europie miejscem badań.