CERN, czyli Europejskie Centrum Badań Jądrowych, to ogromne laboratorium, w którym szuka się odpowiedzi na pytania dotyczące podstawowych składników materii i praw natury. To tam znajduje się największa maszyna na świecie – Wielki Zderzacz Hadronów (LHC) o niebagatelnej średnicy 27 km. W CERN-ie naukowcy z całego świata prowadzą swoje skomplikowane badania i otrzymują przełomowe, często warte Nagrody Nobla wyniki. W jednym z eksperymentów o intrygująco brzmiącej nazwie NA61/SHINE (SPS Heavy Ion and Neutrino Experiment) pracuje kilkuosobowy zespół dr. hab. Seweryna Kowalskiego, prof. UŚ z Wydziału Nauk Ścisłych i Technicznych UŚ.

Detektor NAA61/SHINE wraz ze zrekonstruowanymi trajektoriami produkowanych cząstek

Naukowcy, którzy prowadzą badania w CERN-ie, przyglądają się przede wszystkim materii, zastanawiają się, jak jest zbudowana i jakie ma właściwości. Jednym z najbardziej doniosłych odkryć, które zostało ogłoszone w 2012 roku, było eksperymentalne potwierdzenie istnienia bozonu Higgsa, dopełniającego model standardowy – to ostatni z brakujących elementów, który przyniósł Peterowi Higgsowi i François Englertowi Nagrodę Nobla. Czy to oznacza, że niewiele pozostało już do odkrycia? Nic bardziej mylnego. Materia skrywa jeszcze wiele tajemnic.

– Jednym z eksperymentów prowadzonych w CERN-ie jest NA61/SHINE. Wyjątkowy, ponieważ dominują w nim polscy naukowcy na czele z liderem, znakomitym fizykiem jądrowym prof. Markiem Gaździckim – mówi prof. Seweryn Kowalski, odpowiedzialny za stronę techniczną eksperymentu oraz jego obecnie przebiegającą aktualizację (technical and facility coordinator).

W eksperymencie z grupy NA61/SHINE realizowane są trzy zadania. Po pierwsze, badane są właściwości silnie oddziałującej materii. Naukowców interesuje przede wszystkim proces przejścia fazowego z gazu hadronowego do plazmy kwarkowo-gluonowej, w tym poszukiwanie punku, w którym zanika różnica między współistniejącymi fazami.

– To trochę tak, jakbyśmy pytali, jakie warunki muszą być spełnione, aby woda zmieniła swój stan skupienia, stając się parą wodną, i próbowali ustalić, w którym momencie obie fazy zaczynają współistnieć i właściwie nie można rozróżnić obu stanów – mówi fizyk.

Po drugie, eksperyment NA61/SHINE mierzy produkcję hadronów, czyli pewnej grupy silnie oddziałujących cząstek elementarnych, które mogą powstawać w wyniku zderzenia typu proton – proton, hadron – jądro lub jądro – jądro. Takie pomiary są także kluczowe dla innych eksperymentów w szczególności eksperymentów neutrinowych np. T2K.

– Precyzyjny pomiar strumienia różnych cząstek, czyli bardziej dokładne ich policzenie, pozwala naukowcom lepiej zrozumieć różne zjawiska analizowane w ramach podejmowanych przez nich tematów badawczych. Służymy pomocą – wyjaśnia badacz.

Trzeci cel projektu NA61/SHINE zakłada wykorzystanie pomiarów przekrojów czynnych do badania zmian promieniowania kosmicznego oddziałującego z materią podczas jego podróży przez galaktykę. Dzięki temu możemy się więcej o tym promieniowaniu dowiedzieć.

– Zatem trzy gałęzie naszego eksperymentu to: fizyka materii silnie oddziałującej, czyli przejście fazowe do plazmy kwarkowo-gluonowej, wsparcie eksperymentów neutrinowych w określeniu parametrów wiązki neutrin i wreszcie badania związane z promieniowaniem kosmicznym – wyjaśnia prof. Seweryn Kowalski.

Te trzy cele łączy aparatura, którą wykorzystują naukowcy. Jest nią unikatowy na skalę światową akcelerator SPS – Super Proton Synchrotron oraz układ detektorów kolaboracji NA61/SHINE. W każdym zadaniu badacze, zderzając ze sobą różne jądra (od protonów po ołów), obserwują przebieg tych reakcji.

– Dzięki temu wchodzimy niejako do wnętrza materii i z uwagą oraz ciekawością przyglądamy się zachodzącym tam procesom, poprzez obserwacje produkcji różnego rodzaju cząstek – mówi naukowiec.

Zespół dr. hab. Seweryna Kowalskiego, prof. UŚ z Wydziału Nauk Ścisłych i Technicznych UŚ

Są więc pociski i jest tarcza. Wiązka zmierza ku tarczy, dochodzi do zderzenia, zachodzi reakcja jądrowa sterowana określonymi mechanizmami. Procesy związane z reakcjami jądrowymi zachodziły w momencie powstawania Wszechświata i są obserwowane również dziś na przykład w laboratoriach, dlatego tak ważne jest ich poznawanie.

– Nasze działania są jak małe cegiełki, które w bliższej lub dalszej perspektywie czasowej, mam nadzieję, będą służyć ludzkości. Z jednej strony przybliżają nas do zrozumienia, co wydarzyło się tuż po Wielkim Wybuchu, z drugiej – mogą znaleźć zastosowanie chociażby we współczesnej medycynie, a konkretniej – na przykład w nowoczesnej radioterapii, w terapiach nowotworowych. Nie łączyłbym oczywiście bezpośrednio eksperymentu NA61/SHINE z tymi ścieżkami, szczególnie medycyną, ale warto myśleć o naszych działaniach właśnie jak o takiej próbie zrozumienia mechanizmów rządzących najmniejszymi składnikami materii, mechanizmów, które potem mogą zostać wykorzystane w praktyce przez kolejne pokolenia eksperymentatorów – komentuje naukowiec z Uniwersytetu Śląskiego.

Tym, co budzi szczególne zainteresowanie prof. Seweryna Kowalskiego, jest plazma kwarkowo-gluonowa. Wiemy o niej, że istnieje, została bowiem eksperymentalnie potwierdzona właśnie w CERN-ie w 2000 roku. Jak wyjaśnia naukowiec, jest to szczególny stan materii, wewnątrz którego kwarki są swobodne, a to jest ewenement. W innych stanach kwarki nigdy nie występują pojedynczo. Dla przykładu proton czy neutron, a więc to, co nas buduje, składają się właśnie z trójki kwarków. Nawet gdyby ktoś je rozerwał, natychmiast utworzyłaby się nowa para. Wspomniana plazma to natomiast przykład wyjątkowego stanu, w którym kwarki występują swobodnie. Jest to ciekawe zjawisko, możliwe, że w tym stanie znajdowała się materia podczas Wielkiego Wybuchu i zaraz po nim.

– Wiedząc, jak interesujący jest ten stan, zadajemy sobie pytania, jak w ogóle doszło do przejścia fazowego, przy jakich warunkach i z jakim rodzajem przejścia mieliśmy do czynienia. Próbujemy także znaleźć wspomniany już wcześniej punkt krytyczny – mówi naukowiec.

W ramach eksperymentu NA61/SHINE zderzane są ze sobą różne hadrony i jądra atomowe. Skrajne przypadki to interakcje proton – proton oraz ołów – ołów. W pierwszym nie obserwuje się przejścia fazowego i prawdopodobnie nie występuje interesująca fizyków plazma kwarkowo-gluonowa, aczkolwiek pomiary wskazują, że może to twierdzenie winno być zweryfikowane. W drugim, gdy dochodzi do zderzenia ponad dwustu nukleonów jądra ołowiu z nukleonami innego jądra ołowiu, plazma jest wówczas wytwarzana. A co jest pomiędzy? Gdzie leży granica, za którą należy spodziewać się tego stanu? Czy na przykład interakcje w układach lekkich typu beryl – beryl, gdzie dochodzi do zderzenia kilku nukleonów, są już wystarczające, aby zachodził proces przejścia fazowego? Jest to jedno z wielu pytań, które zadają sobie fizycy związani z eksperymentem NA61/SHINE.

Jednym z elementów wprowadzanych do takiego układu jest energia, drugim parametrem mającym wpływ na przebieg eksperymentu jest wielkość układu mierzona liczbą nukleonów.

– Akcelerator SPS wykorzystujemy do tego, aby nadać cząstkom kierowanym ku tarczy odpowiedni pęd, czyli wprowadzić energię na poziomie od kilku do kilkuset gigaelektronowoltów. Następnie zderzamy te układy i obserwujemy, co się dzieje. Innymi słowy, chcemy określić, przy jakiej wielkości układu i przy jakiej energii możemy zaobserwować wytwarzanie plazmy kwarkowo-gluonowej – wyjaśnia naukowiec.

Wyjątkowość NA61/SHINE polega na tym, że jest jednym z niewielu eksperymentów w CERN-ie ze stacjonarną tarczą. Badania z wykorzystaniem urządzeń typu LHC polegają na tym, że zderzane są dwie przeciwbieżne wiązki cząstek. Z kolei praca z detektorem NA61/SHINE polega na kierowaniu przyspieszonej do bardzo wysokiej energii wiązki protonowej, berylowej, argonowej czy ołowiowej w stronę stacjonarnej tarczy, którą jest np. kawałek ołowiu – płytka o boku kilku centymetrów i grubości kilku milimetrów.

– Jest zaledwie kilka zespołów w ośrodku CERN prowadzących badania w ten sposób. To ciekawostka. Pracujemy z cząstkami o średnicy rzędu 10-15metra, jako tarczę mamy małą płytkę, która zmieści się na dłoni, a do tego potrzebna jest gigantycznych rozmiarów aparatura pomiarowa. Tak wygląda nasze laboratorium – komentuje prof. Seweryn Kowalski.

– Wykorzystana aparatura pozwala mierzyć energię powstałych cząstek czy obserwować trajektorię ich lotu. Przy czym warto podkreślić, że bezpośrednio jesteśmy w stanie zbadać tylko cząstki naładowane elektrycznie. W przypadku pozostałych możemy np. analizować jedynie produkty ich rozpadu Nasz detektor produkuje terabajty danych. My potem te dane konsekwentnie analizujemy, poszukując odpowiedzi na interesujące nas pytania. Na tym polega nasza praca – podsumowuje fizyk z Uniwersytetu Śląskiego.

W zespole prof. Seweryna Kowalskiego pracują: dr Szymon Puławski, dr Katarzyna Schmidt, mgr inż. Kamil Wójcik, mgr inż. Bartosz Łyskowski, mgr inż. Marta Urbaniak, mgr Yuliia Balkova oraz inż. Natalia Kopeć. Badania naukowe prowadzone w grupie prof. Kowalskiego są sfinansowane m.in. ze środków Norweskiego Mechanizmu Finansowego na lata 2014–2021 UMO-2019/34/H/ ST2/00585. Szczegółowe informacje na temat badań dostępne są na stronie: https://shine.web.cern.ch.