Kvarkadabrin fokus: Raziskovanje hladne goste jedrske snovi

    92

    Doc. dr. Simon Širca je vodja skupine za raziskovanje strukture hadronskih sistemov na Fakulteti za matematiko in fiziko Univerze v Ljubljani in na IJS. V letih 2000-2002 je opravil podoktorsko usposabljanje na MIT. Je član kolaboracije Jefferson Lab Hall A, v okviru katere je 13. junija letos v reviji Science objavil rezultate, ki predstavljajo nov korak v smeri večjega razumevanja hladne jedrske snovi. Slednja na primer tvori nevtronske zvezde. Gosta jedrska snov pomeni, da je gostota v snovi večja, kot je gostota v jedrih težkih atomov s konca periodnega sistema. Hladna jedrska snov pa označuje, da nukleoni v snovi nosijo mnogo manjšo kinetično energijo, kot je tipična za jedrske reakcije (nekaj MeV). Več o izsledkih nam je doc.dr. Širca povedal v spodnjih odgovorih na standardna vprašanja iz  “Kvarkadabrinega fokusa”.

    Kaj? (Referenca)
    “Probing Cold Dense Nuclear Matter”, Science, Vol. 320. no. 5882, pp. 1476-1478

    Kdo? (Avtorji)
    M. Potokar z IJS in S. Širca z IJS in FMF Univerze v Ljubljani, skupaj s soavtorji iz 29 raziskovalnih institucij po svetu, združenih v Hall A kolaboracijo z Jefferson Lab v Virginiji, ZDA.

    Kje? (“slovenska”, “evropska” ali “svetovna” raziskava?)
    To meritev svetovnega formata smo opravili v Thomas Jefferson National Accelerator Facility, po domače Jefferson Lab (http://www.jlab.org). Ta laboratorij je na frontni črti raziskav v hadronski fiziki v območju energij nekaj GeV. S svojimi tremi eksperimentalnimi dvoranami nima prave konkurence. Ravno edinstvena oprema je omogocila našo lepo raziskavo.

    Zakaj? (Kako bi izsledke razložili svoji babici, dedku, teti, stricu…?)
    V raziskavi smo opazovali zgradbo jeder ogljikovih atomov. Vsak ogljikov atom je sestavljen iz dvanajstih manjših delcev, ki jih imenujemo nukleoni. Od tega je 6 pozitivno nabitih protonov in 6 električno nevtralnih nevtronov. Pri poskusu nas je posebej zanimala možnost, da so nukleoni v jedru vsaj del časa paroma prepleteni v nekak medsebojni vpliv, sodelovanje, ki mu pravimo korelacija: prvi od nukleonov na nek način “upošteva”, kaj počne drugi nukleon v paru. Šaljivo si lahko predstavljamo, da en nukleon vselej vpraša drugega za dovoljenje, če želi kam odleteti. Jedra smo preiskovali s curkom elektronov pri visokih energijah. Elektrone dobimo s pospeševanjem z mikrovalovi, ki gručam elektronov v vakuumski cevi dodajajo energijo podobno kot jo vodnim molekulam dodaja valovanje v mikrovalovni pecici. Iz jeder izbite protone in nevtrone smo opazovali z merilnimi aparaturami, s katerimi delce med seboj ločimo po hitrostih podobno kot belo svetlobo s prizmo razklonimo na njene enobarvne sestavine. Celotna naprava je le mikroskop, s katerim lahko ločujemo zelo majhne podrobnosti.

    V večini (približno 80%) reakcij smo lahko vsakemu vpadnemu elektronu pripisali le po en izbiti nukleon, največkrat proton. Od tod smo sklepali, da je v takih primerih nukleon tik pred reakcijo svobodno umeščen v jedro in ga iz njega zlahka izbijemo. Redkeje (okrog 20%) pa smo v detektorjih obenem zabeležili po dva nukleona. S skrbno meritvijo smo lahko določili, kako pogostne so posamezne kombinacije nukleonov v izbitih parih. Najveckrat sta bila v paru proton in nevtron (18%), medtem ko sta para proton-proton in nevtron-nevtron nastopala zelo redko (vsak v približno 1% primerov).

    Kako? (Kje se je najbolj zatikalo?)
    Najbolj se je zatikalo pri zanesljivem zaznavanju nevtronov. Nevtroni neradi sodelujejo s snovjo, skozi katero skoraj nemoteno prehajajo, zato jih je tudi težko zaznati. Za štetje nevtronov imamo dobro oceno: če en centimeter snovi preleti 100 nevtronov, bomo zaznali le enega. (Z drugimi besedami: za 100% zanesljivo zaznavanje potrebujemo meter debel detektor, česar v praksi nikoli ne naredimo.) Ta nevtron v snovi povzroči svetlobni blisk, ki ga zaznamo z dovolj občutljivimi instrumenti. Dodatne težave so povzročali delci iz drugih procesov, ki potekajo med obstreljevanjem jeder z elektroni in ki jih imenujemo s splošnim izrazom “ozadje”. Ozadje moramo pazljivo ločiti od pristnega prispevka, ki nas zanima v resnici.

    Kam? (Naslednja velika stvar na vašem področju?)
    Nadaljnja pot eksperimentalne fizike z našega področja vodi h gradnji naprav, s katerimi bo mogoče še natančneje, torej z manjšimi merskimi napakami, določevati verjetnosti za izbrane vrste dogodkov. V ta namen bodo v laboratoriju Jefferson Lab podvojili največjo dosegljivo energijo elektronskega žarka na 12 GeV in zgradili nove spektrometrske sisteme za analizo delcev. Pomemben del razvoja so tudi visokozmogljive jedrske tarče, v katerih je mogoce tarčna jedra pripraviti v različnih magnetnih stanjih. Eksperimentalni razvoj gre poleg tega z roko v roki s teoretičnimi prizadevanji: polji se med seboj oplajata že desetletja in edino s sodelovanjem bomo lahko posegli še višje.