Z wizytą w laboratorium ekstremalnych warunków

Wakacje to dla adeptów fizyki okazja do zdobywania doświadczenia w największych ośrodkach badawczych świata. Zespół z Wydziału Fizyki PW zasilił w ostatnich miesiącach szeregi m.in. ośrodka GSI/FAIR (Facility for Antiproton and Ion Research) w Darmstadt, gdzie pracował nad eksperymentami poświęconymi właściwościom materii jądrowej w ekstremalnych warunkach. 

– Eksperyment CBM (Compressed Baryonic Matter) realizowany w FAIR należy do najambitniejszych projektów współczesnej fizyki jądrowej i fizyki materii gęstej – mówi prof. Hanna Zbroszczyk, badaczka, specjalistka z zakresu fizyki ciężkich jonów, koordynatorka programu GET_INvolved umożliwiającego studentom PW udział w praktykach organizowanych przez ulokowany w Niemczech ośrodek. – Jego cel to badanie silnie oddziałującej materii w ekstremalnych warunkach gęstości i temperatury, czyli takich, jakie panują we wnętrzu gwiazd neutronowych oraz podczas ich zderzeń, obecnych także we wczesnym Wszechświecie – dodaje nasza fizyk.  

Tajemnice wnętrza gwiazd neutronowych

Zespół z Wydziału Fizyki PW – studenci, doktoranci i naukowcy – jest szczególnie zaangażowany w program pomiarowy femtoskopii korelacyjnej. Polega on na analizie korelacji między cząstkami rejestrowanymi w detektorze, co pozwala badać oddziaływania na odległościach rzędu femtometra, porównywalnych z rozmiarem jądra atomowego.   

Badania skupiają się na oddziaływaniach silnych. Z kształtu funkcji korelacyjnych dla różnych par cząstek można wywnioskować informacje o potencjałach oddziaływania, długościach zasięgu i sile przyciągania lub odpychania w gęstej materii barionowej. Pozyskane dane dotyczące oddziaływań barion-barion są niezbędne do budowy realistycznych modeli równania stanu materii, z której składają się gwiazdy neutronowe. Przekłada się to pośrednio na interpretację obserwacji astrofizycznych, takich jak masy, promienie i deformacje gwiazd neutronowych.  

– Eksperymenty realizowane w FAIR i GSI będą unikalne, ponieważ zbadają oddziaływania silne dokładnie w takim zakresie gęstości i energii, jaki jest spodziewany we wnętrzach gwiazd neutronowych i w trakcie ich fuzji. Wcześniejszy eksperyment HADES, prowadzony przy niższych energiach wiązki, pokazał, że możliwe jest odtwarzanie w warunkach laboratoryjnych materii o parametrach zbliżonych do tych występujących w gwiazdach neutronowych. CBM będzie stanowić naturalną kontynuację i rozszerzenie tego programu – wyjaśnia prof. Zbroszczyk.  

Studencki akcent

To właśnie w HADESie miała okazję uczestniczyć Kinga Urban, studentka odbywająca wakacyjny staż w ramach programu GET_INvolved. 

– Oddziaływania silne wciąż nie są w pełni opisane. Eksperyment skupia się na wytwarzaniu materii o wysokiej gęstości i niskiej temperaturze, która znajduje się wewnątrz gwiazd neutronowych, co pozwala na lepsze poznanie tych oddziaływań. Moim zadaniem była analiza danych pochodzących z detektorów, pozwalająca na wykonanie pomiarów przestrzenno-czasowych parametrów źródła emisji cząstek powstających w zderzeniach. Poza tymi zadaniami udało mi się wygospodarować czas na wizyty w laboratoriach GSI i udział w wykładach prowadzonych przez specjalistów od fizyki plazmy, fizyki atomowej, badań relatywistycznych wiązek radioaktywnych czy detekcji neutronów. Znalazło się też miejsce na pasje pozanaukowe. Przy GSI działa zespół muzyczny, do którego dołączyłam – wspomina Kinga Urban, podopieczna prof. Zbroszczyk.  

Kindze towarzyszyła jeszcze trójka studentów fizyki technicznej: Jan Bogdański, Anna Kodym i Kacper Zięba, a także doktorant Arkadip Mukherjee oraz dwójka pracowników związanych z Zakładem Fizyki Jądrowej – dr inż. Daniel Wielanek i dr Somen Gope.  

– To ich codzienna praca – od projektowania i testowania detektorów, przez rozwój oprogramowania, aż po szczegółowe analizy danych – sprawia, że unikalne możliwości eksperymentów CBM i HADES przekładają się na realny postęp w rozumieniu fundamentalnych właściwości materii i natury Wszechświata – podkreśla prof. Zbroszczyk. 

Badanie i zarządzanie  

Zespół z Wydziału Fizyki nie tylko uczestniczy w pomiarach, ale działa również w strukturach decyzyjnych eksperymentów. Naukowcy pełnią funkcje związane z przewodzeniem Radom Kolaboracji CBM i HADES oraz krajową koordynacją filaru CBM/HADES – dbają o spójność programu badawczego, jakość analiz i skuteczne wykorzystanie możliwości aparatury. Polska społeczność naukowa wyznacza śmiało kierunki badań nad gęstą materią barionową i oddziaływaniami silnymi.  

Rozruch technologiczny kompleksu akceleratorowego FAIR w Darmstadt jest zaplanowany na koniec 2028 roku. Zwieńczy on wieloetapowy proces testowania infrastruktury kriogenicznej oraz integracji systemów sterowania FAIR. Kluczowym momentem tej fazy będzie wprowadzenie pierwszej stabilnej wiązki jonów z nowo wybudowanego synchrotronu pierścieniowego SIS100 wprost do strefy eksperymentalnej detektora CBM, co formalnie zainicjuje globalny program badawczy nad gęstą materią barionową.