Jak poznat nejsilnější sílu
aneb
jak experiment HADES studuje změny vlastností částic ve
velmi horkém a hustém prostředí.
Vladimír Wagner
„Hádes – v řecké mytologii bůh
mrtvých, podsvětí a podzemních pokladů, syn Kronův a bratr Diův.“
Encyklopedický slovník
„Ve fyzice vysokých
energií jsme se zaměřovali na experimenty, které soustřeďovaly stále větší a
větší objem energie do oblasti se stále menšími a menšími rozměry. Abychom
mohli studovat podstatu „vakua“, musíme se obrátit jiným směrem, musíme zkoumat
„hromadné“ jevy pomocí rozložení vysoké hustoty energie v relativně velkém
objemu“
T.D.
Lee v Rev. Mod. Phys. 47(1975)267
V minulých letech se v laboratoři GSI[1]
v německém Darmstadtu dobudoval spektrometr HADES (High Acceptance Di-Electron
Spectrometer). Na jeho stavbě a
využití se podílí i naše skupina z Ústavu jaderné fyziky AVČR v Řeži.
Spektrometr pracuje na urychlovači SIS[2],
který dodává i velmi těžká jádra s rychlostmi srovnatelnými
s rychlostí světla.
Experimentální zařízení
HADES umožňuje studovat vlastnosti silné interakce. Ta je nejintenzivnější
známou silou v přírodě, drží nukleony (protony a neutrony) v jádře a
působí i na další částice, které se souhrnně označují jako hadrony. Ty se dělí
do dvou skupin. Do první skupiny – baryonů - patří již zmíněné nukleony a jim
podobné částice. Nejznámějšími částicemi z druhé skupiny – mezonů - je
trojice mezonů π. Dnes víme, že hadrony jsou složeny z kvarků, které
ve vázaných systémech drží také silná interakce. Pochopení a popis velmi
neobvyklých vlastností této interakce, jejíž intenzita je o mnoho řádů větší
než u ostatních známých sil, se podařil v rámci teorie, která se označuje
jako kvantová chromodynamika.
Podivnostmi silné
interakce, které spolu úzce souvisí, jsou průběh intenzity interakce
v závislosti na vzdálenosti a uvěznění kvarků do hadronů. Silná interakce
má velmi krátký dosah. Na rozdíl od elektromagnetické či gravitační interakce,
jejichž síla se vzdáleností klesá, však síla silné interakce se vzdáleností
roste. Snažme se kvarky v hadronu od sebe odtrhnout tak, že jim dodáváme
energii, abychom je od sebe vzdálili. Čím jsou od sebe vzdálenější, tím je
intenzita silné interakce větší a tím více energie musíme dodat. V určitém
okamžiku je tato energie tak vysoká, že stačí k produkci nového páru
kvarku a antikvarku. Tyto nové částice se spojí do dvojic nebo trojic s těmi
původními. Mateřský hadron sice „roztrhneme“, ale nedostaneme tak volný kvark,
ale zase jen vázané systémy několika kvarků – hadrony. V našich normálních
podmínkách nízkých teplot a hustot jsou všechny kvarky uvězněny
v hadronech a volný kvark se zde nemůže vyskytovat.
Některé vlastnosti hadronů lze popsat, když se
na ně podíváme jako na objekty složené z malého počtu kvarků – baryony ze
tří kvarků (antibaryony ze tří antikvarků) a mezony z jednoho kvarku a jednoho
antikvarku. Tyto kvarky se označují jako konstituentní. Velmi vysoká intenzita
silné interakce a její podivuhodné vlastnosti však způsobují, že ve skutečnosti
jsou hadrony velmi složitým systémem. Jeho nedílnou součástí je kromě
konstituentních kvarků i velmi komplikované vakuum popsatelné pomocí
virtuálních[3] gluonů, což jsou částice
zprostředkující silnou interakci, a virtuálních párů kvarku a antikvarku.
Vlastnosti silné
interakce mohou i za to, že hmotnost protonu je více než o řád větší než hmotnost
kvarků, ze kterých se skládá[4]. To
je podstatný rozdíl od toho, co jsme zatím znali. Hmotnost vázaného atomu je
dána součtem hmotností jádra a elektronů zmenšeném o hodnotu danou vazebnou
energií. Stejně tak i hmotnost jádra je dána hmotností nukleonů, ze kterých je
složeno, zmenšenou vazebnou energii. Připomeňme si, že máme na mysli, a bude to
platit i dále, klidovou hmotnost, kterou určí pozorovatel v soustavě, ve
které je částice či objekt v klidu. Jindy se označuje také jako
invariantní, protože pozorovatel v libovolné soustavě určí stejnou
klidovou hmotnost objektu. Nukleony
tvoří více než 99,9 % normální hmoty, ze které jsou složeny hvězdy, planety i
naše těla a pochopení původu jejich hmotností je fundamentální otázkou.
S jistou nadsázkou lze tvrdit, že pochopení fyziky silné interakce mi
umožní zjistit, proč má ženuška „váží“
Obr. č. 1) Počáteční
stádium budování spektrometru HADES
Chirální symetrie.
Změny vlastností částic, které jsou složené
z kvarků, držených pohromadě silnou interakcí, by mohly do značné míry
souviset s důležitou vlastností této síly. Jde o tzv. chirální symetrii, která
je jednou z fundamentálních symetrií obsažených v kvantové
chromodynamice. Chirální objekt je takový, že jeho obraz v zrcadle se liší
od objektu původního. V našem případě jsou těmito chirálními objekty
kvarky. Jestliže si spin (vnitřní moment hybnosti) kvarku představíme jako jeho
rotaci a porovnáme orientaci spinu se směrem pohybu částice, dostaneme
v případě stejné orientace spinu a směru pohybu částice pravotočivou
částicí, v případě opačné orientace levotočivou částici. V zrcadle se
pak levotočivá částice zobrazuje jako pravotočivá a pravotočivá jako
levotočivá. Pokud se tedy vlastnosti silné interakce nemění a chování částic
zůstává shodné i v případě, že zaměníme zúčastněné částice za jejich
zrcadlové obrazy[5], platí pro tuto sílu
chirální symetrie. Jestliže se fyzikální zákonitosti po této záměně změní,
mluvíme o narušení chirální symetrie. V našem případě silně interagujících
systémů by platila chirální symetrie při nulové hmotnosti kvarků. Hmotnosti kvarků nejsou nulové a pro silnou
interakci platí v našich normálních podmínkách, že je chirální symetrie
narušena. Kvantová chromodynamika předpovídá, že v prostředí s velmi
vysokou hustotou energie se bude narušení chirální symetrie zmenšovat. Toto
obnovování chirální symetrie by mělo vést například ke zmenšování klidové
hmotnosti hadronů nebo ke změně jejich doby života.
Jakým způsobem se kvarky
vážou do hadronů a jak se generuje jejich hmotnost, není dosud přesně známo,
ale tento proces spontánně narušuje chirální symetrii. Proto je velmi důležité
studium přechodů mezi prostředím se silně narušenou chirální symetrií
a prostředími, ve kterých se chirální symetrie postupně obnovuje, případně
je tato symetrie téměř plně v platnosti. Ve zmiňovaném článku o velmi
horkých a hustých stavech jaderné hmoty bylo popsáno, jak při velmi vysokých
teplotách a hustotách vzniká nová forma hmoty – kvark-gluonové plazma. Při jeho
vzniku zaniká uvěznění kvarků do hadronů a dostaneme systém volných kvarků a
gluonů. Ač v současnosti není souvislost mezi zánikem uvěznění kvarků a
chirální symetrií ještě plně pochopena, předpokládá se, že
v kvark-gluonovém plazmatu chirální symetrie platí. Je tedy velmi důležité
studovat vlastnosti hadronů v různě horkém a hustém prostředí.
Změny hmotnosti a doby života lehkých vektorových mezonů a
jak je měřit.
K tomu, abychom mohli změnu hmotnosti,
případně doby života u částic v horkém a hustém prostředí zjistit,
potřebujeme horké a husté prostředí vytvořit. Jestliže budeme mít částici,
která bude mít dostatečně krátkou dobu života a rozpadne se
uvnitř takového horkého a hustého prostředí, ponesou produkty rozpadu
informaci o její klidové energii a tedy i hmotnosti. Klidovou hmotnost původní
částice pak můžeme určit ze změřených hodnot hybností a energií produktů
rozpadu.
Doba života[6] τ
se dá určovat pomocí vztahu, který existuje mezi dobou života a neurčitostí
v určení klidové energie částice ΔE a je dán Heisenbergovou relací
neurčitosti. Součin doby života a
neurčitosti v definici klidové energie, která souvisí s klidovou
hmotností známým Einsteinovým vztahem ΔE = Δmc2, je zhruba
roven redukované Planckově konstantě τ ·ΔE ~ ħ. Když tedy
zobrazíme jednotlivé naměřené hodnoty klidové hmotnosti, nejsou vždycky stejné,
ale jejich hodnoty jsou rozložené kolem nějakého maxima. V případě, že se
doba života částice uvnitř husté a horké jaderné hmoty změní, změní se i
rozmazání její klidové hmotnosti. Poloha maxima v rozložení je však na
stejném místě. Jak už bylo zmíněno, klidovou hmotnost rozpadající se částice
lze určit pomocí změřených hodnot hybností a energií produktů rozpadu. Jestliže
takto určíme klidovou hmotnost dostatečného souboru částic rozpadlých uvnitř
horké a husté jaderné matérie, můžeme určit popisované rozmazání i polohu
maxima.
Problém nastává,
jestliže produkty rozpadu interagují s okolním jaderným prostředím.
V tom případě mu předávají část své hybnosti a energie. Informace o
klidové hmotnosti mateřské částice se tak ztrácí. Musíme se proto omezit na
rozpady na částice, které neinteragují silnou interakcí a jejichž energie a
hybnost se při průletu jadernou hmotou nemění. Takové částice se označují jako
leptony, patří mezi ně například elektron, jeho partner z antisvěta
pozitron nebo jejich těžší kolegové mion a antimion.
Vhodnými částicemi pro
zkoumání změn vlastností hadronů v hustém a horkém prostředí jsou
vektorové mezony ρ0, ω a Φ[7],
jejichž doba života zajišťuje, že se téměř všechny nebo aspoň nějaká jejich
část rozpadá uvnitř oblasti s horkou a hustou hmotou. Podívejme se, jak to
vypadá například u mezonu ρ0. Jeho doba života je zhruba 0,4·10-23
s. Za tu dobu by i v případě, že by se pohyboval nejvyšší možnou rychlostí
(rychlostí světla), urazil pouze 1,3 fm. Průměr středně velkého jádra okolo
molybdenu je však zhruba 11 fm. Na dvojici leptonů se bohužel tyto mezony rozpadají
jen ve velmi malém počtu případů. U už zmíněného mezonu ρ0
vzniká elektron a pozitron jen u 0,0044 % všech rozpadů, téměř sto procent
případů jde na dva mezony π. Pokud však dokážeme vytvořit takové síto,
které nám umožní zachytit právě tyto případy, mělo by to určování jejich
klidové hmotnosti umožnit.
Jak připravit velmi horké a husté jaderné prostředí.
Potřebné horké a husté jaderné prostředí můžeme
získat ve srážkách těžkých jader urychlených na velmi vysoké energie. Při
takových srážkách, které byly popsány ve zmíněném článku v čísle 11
z roku 2005, dojde k prudkému ohřátí a stlačení hmoty. Dosahuje se
teplot v řádu 1012 K a hustot několikanásobku normální hustoty
atomového jádra (zhruba 1018 kg/m3)
V našem případě
využíváme pro urychlování jader zmíněný urychlovač SIS. Urychlená jádra na něm
získají kinetické energie srovnatelné s klidovou energií jádra[8]. Tato
energie neumožňuje produkovat kvark-gluonové plazma. Na to jsou potřeba
urychlovače, kde se dosahují energie jader o více než dva řády větší. Vytváříme
však prostředí, kde jsou hustoty a teploty dostatečně vysoké na to, aby se
vlastnosti mezonů významně měnily.
Nestačí však jen horké a
husté prostředí připravit, ale je třeba i změřit vlastnosti jeho a částic,
které se v tomto prostředí nacházejí. K tomu nám slouží komplikované
systémy detektorů částic, které zaznamenají, identifikují a určují vlastnosti
co největšího počtu částic, které z místa srážky jader vyletují. U nás se
jedná o systém detektorů, který se zaměřuje na lov leptonových párů složených
z elektronu a pozitronu a označuje se jako spektrometr HADES. Název je
docela případný, protože vlastně loví „stíny“ částic, které žily tak krátce, že
po jejich zániku trvalo jejich pozůstatkům 1015krát delší dobu se
dostat do jeho detektorů. A to už je nejspíše docela srovnatelné s poměrem
mezi délkou života obyčejného člověka a věčností, kterou pak jeho duše stráví
v Hádově říši.
Hádes zkoumá srážku
urychleného jádra s jádrem terče, který je v klidu vůči laboratoři.
Většina částic tak vyletuje ve směru původního letu svazku urychlených.
Umístění detektorů spektrometru se musí této situaci přizpůsobit.
Obr. č.2) Stavba spektrometru HADES. Skládá se z Čerenkovova
detektoru (RICH), čtyř vrstev mnohodrátových driftových komor (MDC I, II, III a
IV), supravodivého magnetu a nakonec ze stěny ze scintilačních detektorů a
systému detektorů spršek (META). Na obrázku jsou pro větší názornost detektory
povytaženy. Při měření jsou jednotlivé detektorové systémy zasunuty do sebe a
dovnitř zobrazené žluté konstrukce. (Zdroj A. Schmah, HADES)
Spektrometr HADES.
Hlavní úkoly, které musí spektrometr řešit, se
dají shrnout do těchto tří oblastí. Je třeba vybrat z velkého množství
srážek jen ty, které jsou pro nás důležité. Je třeba identifikovat elektrony a pozitrony
a vydělit je z velkého množství hadronů. Nakonec je třeba velice přesně
změřit hybnost těchto elektronů a
pozitronů. Navíc je třeba se vypořádat ještě s dalšími náročnými
podmínkami. Vzhledem k tomu, že potřebujeme zachytit co nejvíce dvojic elektronů
a pozitronů a zabránit případům, kdy nám jedna částice z dvojice unikne,
musí mít detektorová sestava co největší pokrytí (akceptanci) detekce leptonů.
Je třeba se vypořádat i s tím, že musíme pracovat při velké intenzitě
svazku a frekvence srážek. Tím je určena i sestava detektorů, které spektrometr
HADES tvoří. Geometrie detektoru je šestiúhelníková a každý systém detektorů se
tak skládá ze šesti segmentů. Jeho rozměry sice nedosahují velikosti
detektorových sestav vysokoenergetických experimentů na urychlovačích
v laboratoři CERN v Švýcarsku, ale i tak je výška spektrometru okolo
šesti metrů a délka je také několik metrů.
Obr. č. 3) Zrcadlo Čerenkovova
detektoru.
Detektor Čerenkovova záření vidí jen pozitrony a elektrony.
Srdcem celého spektrometru je Čerenkovův
detektor RICH (Ring Imaging Cherenkov detector). Využívá toho, že
v materiálu může být rychlost světla menší, než je rychlost světla ve
vakuu. Částice, která se pohybuje materiálem rychlostí větší, než je rychlost
světla v něm, vytváří v interakci s prostředím světelné záření. Úhel,
do kterého je světlo vyzařováno, je dán poměrem rychlosti pohybu částice
k rychlosti světla v daném prostředí. Vzniká tak světelný kužel. Jeho
průmětem do roviny zrcadla kolmé ke směru pohybu částice je kroužek[9]. Jeho
poloměr je tím menším, čím je rychlost částice menší a blíže rychlosti světla
v daném prostředí. Rychlost světla v prostředí je svázána s jeho
indexem lomu. V našem případě se využívá jako pracovní prostředí detektoru
plyn C4F10, který díky svému indexu lomu 1,00151
nastavuje požadovaný práh selekce[10].
Vznikající světlo je odráženo do polohově citlivých detektorů světla velmi
tenkým zrcadlem z leštěného uhlíku potaženého vrstvou s vysokou
odrazivostí v ultrafialové oblasti, kde se vyzařuje v našem případě
největší část Čerenkovova záření.
Potřebnou rychlost
převyšující světelnou v použitém plynu mají díky své velmi nízké klidové
hmotnosti pouze elektrony a pozitrony. Všechny ostatní částice jsou nejméně
dvěstěkrát těžší a tudíž pomalejší. Protony
(nejlehčí z baryonů) a mezony π (nejlehčí z mezonů) by musely
mít pro potřebnou rychlost takovou kinetickou energii, které ve srážkách na
urychlovači SIS nemohou dosáhnout. Čerenkovovův detektor nám tak umožňuje
identifikovat elektron-pozitronové páry. To, že vidí pouze tyto částice,
způsobuje ovšem i nutnost dalších detektorů, které by rozlišovaly různé druhy
těžších částic. Další jeho nevýhodou je, že detekce, sběr a průběžná jejich
analýza jsou u tohoto detektoru poměrně pomalé. Nemůže tedy sloužit
k rychlé průběžné identifikaci pro nás zajímavých případů.
Obr. č. 4) Instalace
mnohodrátových driftových komor za magnetem
Mnohodrátové driftové komory a silný magnet určují přesně
hybnost.
Čím přesněji dokážeme změřit hybnosti
vyletujících částic, tím přesnější je i určení klidové hmotnosti mateřského
hadronu. K přesnému určení hybnosti nabitých částic a hlavně elektronů a
pozitronů slouží systém několika vrstev mnohodrátových driftových komor a
magnetu. Mnohodrátová driftová komora velice přesně určuje místo průletu nabité
částice. Je složena z několika vrstev drátů, na které je přiloženo napětí.
V každé vrstvě jsou dráty napnuté v jiném směru. Pokud
v blízkosti drátu, který funguje jako elektroda, projde nabitá částice,
způsobí ionizaci prostředí. Vznikající oblak elektronů pak driftuje
k nejbližším elektrodám a vznikající elektrický signál se sbírá.
Elektronovým oblakem bývá zasaženo i několik blízkých drátů. Místo, kde se
protínají zasažené dráty z různých vrstev, udává místo průletu nabité částice.
Mnohodrátová driftová komora umožňuje určit místo průletu nabité částice
s přesností dosahující 0,1 mm. Počet elektrod, jejichž signál je třeba
vyčíst, překračuje v každém ze šesti segmentů jedné vrstvy komor
tisícovku.
Po průletu prvními dvěma
vrstvami komor, které jsou za Čerenkovovým detektorem, se částice dostane do
magnetického pole vytvořeného supravodivým magnetem. Toto magnetické pole
působí na nabitou částici silou a změní její dráhu. Velikost změny závisí na
náboji a hybnosti dané částice. Vzhledem k tomu, že v našem případě
nás hlavně zajímají elektrony a pozitrony, které mají velmi vysoké energie a
pohybují se rychlostmi blízkými rychlosti světla, potřebujeme velmi vysokou
intenzitu pole. Proto se využívá supravodivý magnet[11], který
vytváří magnetické pole o intenzitě zhruba 0,9 T. Za magnetem pak následují
další dvě vrstvy komor, které určí změněnou dráhu. Z průběhu změny dráhy
lze pak spočítat hybnost příslušné částice, pokud víme, jaký náboj částice má.
Další detektory zpřesňují identifikaci částic.
Další systém detektorů identifikuje i pomalejší
částice a slouží také k rychlému výběru pro nás zajímavých případů. Jedná
se o malé, velmi rychlé detektory postavené přímo do svazku urychlených jader.
Ty mají časové rozlišení v řádu desítek pikosekund a musí být schopny
pracovat při velmi vysoké intenzitě částic. Pro těžší ionty jsou výhodné
diamantové detektory, které jsou extrémně rychlé. Detektory označované také
jako startovací definují okamžik srážky.
Dále se využívá soustava
scintilačních detektorů, které vytvářejí stěnu za vnějšími vrstvami komor. Scintilační
detektory mají tvar dlouhých tyčí o různých délkách (až 2,4 m) čtvercového
průřezu (hrana 2 cm a 3 cm pro různé
tyče). V každém z šesti segmentů je 64 tyčí. Na dvou protilehlých
stranách tyče jsou fotonásobiče, které zachycují scintilační světlo a přeměňují
je na elektrický signál. Celkový počet fotonásobičů, ze kterých se sbírá
signál, je tak 768. Použitým materiálem scintilačních detektorů stěny je
plastická hmota, která patří k velmi rychlým scintilačním materiálům a
umožňuje jejich vysoké časové rozlišení v řádu stovky pikosekund. Rozdíl
času ve scintilačních detektorech stěny a startovacích detektorech umožňuje
pomocí těchto dvou soustav rychlých detektorů velice přesně určit dobu letu
částice a tím umožnit její identifikaci a určení její energie.
Pomocí stěny ze
scintilačních detektorů lze určit i polohu průletu nabité částice. Jedna
souřadnice je určena polohou tyče, druhá pak jde určit z rozdílu doby, než
signál dorazí k levému a pravému fotonásobiči. Přesnost ve směru kolmém na
délku tyče určuje tloušťka tyče a ve směru podél délky tyče je dána
časovým rozlišením detektoru, fotonásobiče a další elektroniky. Navíc ještě
umožňuje scintilační stěna určit z energie, kterou v ní jednotlivé
částice ztratí, velikost jejich náboje. A právě za vybudování a fungování této
stěny pro určování doby letu je spolu s kolegy z Itálie zodpovědná
naše skupina z ÚJF AVČR v Řeži[12].
Tato vnější část stěny
k měření doby letu pokrývá oblast mezi úhly 45o a 85o měřenými od směru svazku
urychlených jader. Pro menší úhly ji doplňuje systém 24 velkých scintilačních
detektorů. Ty přesně určují dobu příletu nabité částice, ale neumožňují určit
polohu. Tuto oblast ovšem sleduje i další systém detektorů pro snadnější
identifikaci leptonů a určení přesné polohy všech nabitých částic, který je za
velkými scintilačními detektory. Jedná se o tzv. sprškový detektor Ten využívá
efektu, kdy nerovnoměrně se pohybující nabitá částice vyzařuje fotony brzdného
záření. Jestliže mají fotony dostatečnou energii, mohou při pohybu hmotou
produkovat páry elektronu a pozitronu. Lepton s vysokou energií tak
produkuje spršku fotonů, elektronů a pozitronů – říká se jí elektromagnetická
sprška. Největší pravděpodobnost mají zmíněné procesy v materiálu složeném
z těžkých prvků. Sprškový detektor je tak složen z vrstev
olověných konvertorů, kde lepton vytvoří širokou elektromagnetickou
spršku, a detekčních částí, které ji zaznamenávají. Hadron interaguje
s jádry konvertoru silnou interakcí a přitom se produkují další hadrony.
Vytváří se tak sprška, které se říká hadronová a je velmi úzká. V našem
případě je detekční částí drátová komora, která dokáže odlišit širokou
elektromagnetickou a úzkou hadronovou spršku.
Obr. č. 5) Magnet,
vnější část scintilační stěny a v pozadí detektory spršek.
A vybírají pro nás zajímavé případy
Signál produkovaný ve fotonásobičích
scintilačních detektorů stěny se dá velice rychle elektronicky zpracovávat a
umožňuje tak rychlý výběr hledaných případů. Například, když ve scintilační
stěně bude signál o detekci částic z většího počtu detektorů, signalizuje
to, že se jedná o centrální srážku. Při
centrální srážce jader vznikne maximální objem horké a husté hmoty. Velká část
kinetické energie, kterou nese urychlené jádro, se přemění na jiné formy
energie (excitační, tepelná ...) a dráhy většího počtu nukleonů budou mířit do
větších úhlů od původního směru letu svazku urychlených jader. Díky velkému
objemu horké a husté hmoty jsou právě centrální srážky pro nás těmi
nejzajímavějšími.
Jak bylo zmíněno,
rozpadají se vektorové mezony na pár elektron pozitron jen s velmi malou
pravděpodobností. Kdyby se zapisovaly všechny reakce, nesla by zajímavou
informaci jen velmi malá část těchto zapsaných případů. Abychom si uvědomili
náročnost potřebné selekce, uveďme si jedno číslo. Počet potřebných centrálních
srážek jader na získání jednoho rozpadu mezonu ρ0 na pár
elektronu a pozitronu závisí sice na tom o jak těžká jádra se jedná, ale pro
lehčí je to zhruba 107. Proto je výběr hledaných případů velmi
důležitý a probíhá na dvou úrovních.
První úroveň byla
popsána výše. Vyberou se v ní centrální srážky, ve kterých vzniká větší
množství horké a husté hmoty. Tento výběr probíhá velice rychle. Případy, které
přes něj přejdou, jsou na druhé úrovni dvojstupňově posuzovány z hlediska
výskytu alespoň jednoho elektronu zachyceného
v Čerenkovově detektoru, elektromagnetické spršky ve sprškovém detektoru
nebo částice s rychlostí blízkou rychlosti světla ve scintilační stěně pro
určení doby letu (nastaví se na jednotlivých jejích detektorech příslušné
časové okno). Ve druhém stupni druhé úrovně výběru se kontroluje souhlas polohy
leptonových případů v Čerenkovově detektoru a scintilační stěně nebo
sprškovém detektoru.
Rozhodování na druhé
úrovni výběru je už i časově dost náročné. Pořád se však ušetří spousta času,
neboť sběr velkého množství údajů ze všech detektorů a jejich zapsání trvá
řádově mikrosekundy. V experimentech je pak maximální možná intenzita
svazku v řádu 108 jader za sekundu a zaznamenaných případů
první úrovně může být řádově 105 za sekundu. Počet zapsaných případů
je dán průměrnou velikostí jednoho případu (zhruba 10 kB) a možnou rychlostí
zápisu informace. Zhruba tak lze zapsat okolo 2000 případů za sekundu. A právě
správný výběr těchto zapsaných případů umožňuje druhá úroveň výběru.
Pro určování absolutních pravděpodobností
různých reakcí se navíc zapisuje i určitá velmi malá část případů, které první
nebo druhou úrovní výběru neprojdou. Zapisuje se každý stý, tisící,
desetitisící ... takový případ. Násobením příslušným poměrem pak můžeme dostat
správný obraz o zastoupení jednotlivých reakcí.
Obr. č. 6) Příprava detektoru
spršek
Ale vadí nám kombinatorické pozadí. Co to je?
V případech, kde byly nalezeny elektrony a
pozitrony, se z parametrů dvojice elektronu a pozitronu určuje invariantní
hmotnost. V žádném případě však nemáme jistotu, že elektron, který
vybereme do páru s pozitronem, je ten správný. Detektory totiž jednak
nejsou ve všech směrech, a tak některé z elektronů nebo pozitronů
nezachytí. Dále se v jedné srážce může vytvořit i několik elektronů a
pozitronů. Můžeme tak spárovat nesprávnou dvojici elektronu a pozitronu. Při
zpracování nelze správné dvojice od nesprávných odlišit. Ty nesprávné tak
vytvářejí tzv. kombinatorické pozadí. Naštěstí lze velikost a tvar
kombinatorického pozadí dobře určit pokud se spárují dvojice elektronů, které
nemohou vznikat rozpadem částic. Další možností je párovat elektron a pozitron
ze dvou různých srážek, které také nemohly vzniknout rozpadem jedné
částice.
V principu by mělo být
výhodnější studovat srážku co nejtěžších jader, protože se tím získává největší
objem horké a husté hmoty. Prakticky však v takových případech prudce
narůstá kombinatorické pozadí a rostou nároky na souběžnou detekci velkého
počtu částic a analýzu takových dat.
Zkoumané jevy se pak v kombinatorickém pozadí ztrácejí.
Navíc, zdrojem párů
elektronu a pozitronu jsou nejen rozpady vektorových mezonů, ale i dalších
částic i jiných procesů. Souhrnně pak dostáváme něco, co se označuje jako
koktejl leptonových párů. Finálním výsledkem je zobrazení počtu leptonových
párů v závislosti na hmotnosti vypočtené z hybností elektronu a
pozitronu. Získaná experimentální měření se srovnávají se simulacemi za různých
předpokladů a vycházejícími z různých modelů. Souhlas či nesouhlas
experimentu a simulací pak platnost těchto modelů testuje. Možnost uvidět
v získaném zobrazení pík způsobený příspěvkem rozpadu konkrétního mezonu
na pozadí kombinatorickém a dalších příspěvků je jen v případě, když máme
dostatečně dobré rozlišení hybností, a tím i přesnost určení invariantní
hmotnosti a dostatečně dobré pokrytí pro detekci páru elektronu a pozitronu. A
právě tyto vlastnosti má spektrometr HADES.
Předchozí experimenty a jejich výsledky.
První experimenty v této oblasti byly
provedeny v 90. letech na zařízení DLS, které pracovalo v laboratoři
v Berkeley (USA) na urychlovači BEVALAC. Ten ve srážkách těžkých jader
připravoval podmínky srovnatelné s těmi, které vznikají na urychlovači
SIS. Chování vektorových mezonů v daleko hustší a teplejší hmotě studovaly
experimenty CERES a HELIOS, které využívaly urychlovač SPS v evropské laboratoři
CERN. Zde byla kinetická energie urychlených jader až o dva řády větší než u
experimentů na urychlovači SIS. Tyto experimenty neměly bohužel přesnost
určování hybnosti jednotlivých leptonů dostatečnou k tomu, aby rozlišily
leptonové páry z jednotlivých mezonů od těch z jiných reálných zdrojů.
Rozmazání hmotnosti bylo dáno hlavně nepřesnostmi v určení hybností
leptonů. Změny vlastností vektorových mezonů tak nemohly být pozorovány přímo.
Všechny tyto experimenty však pozorovaly navýšení počtu případů v oblasti vypočtené
invariantní hmotnosti nižší, než jsou hmotnosti zmíněných vektorových mezonů.
To by mohlo být způsobeno právě zmenšením hmotnosti v těch případech, kdy
se mezony rozpadají uvnitř horkého a hustého prostředí. Velice přesná měření
z poslední doby publikoval experiment NA60, pracující také na urychlovači
SPS. Ten studoval produkci páru mionu a antimionu a určoval klidovou hmotnost
s přesností 2 %. Díky tomu a velice dobré statistice se podařilo jasně
identifikovat oblast případů rozpadů mezonů ρ0. Zdá se, že
zmenšení hmotnosti nebylo pozorováno, ale jasně bylo vidět rozmazání její
hodnoty a tedy zkrácení doby života tohoto mezonu v horkém a hustém
prostředí. Toto rozmazání bylo asymetrické a větší k nižším hodnotám
hmotnosti. Přebytek případů v oblasti nižších vypočtených hmotností se tak
přisuzuje interakci mezonů s baryony v okolním prostředí.
Ve všech zmíněných
experimentech byly pozorovány rozdíly mezi experimentem a teorií, která vychází
z nezměněných vlastností vektorových mezonů v horkém a hustém
prostředí. Spektrometr HADES by měl docílit srovnatelnou nebo lepší přesnost
v určování hybnosti leptonů jako experiment NA60 a daleko lepší, než
tomu bylo u ostatních experimentů. Tato přesnost by měla umožnit rozlišit
jednotlivé příspěvky pocházející z rozpadu vektorových mezonů a přispět
tak k objasnění toho, čím jsou rozpory mezi dosavadními experimenty a
teoretickými simulacemi způsobeny a zda opravdu a jaké změny vlastností mezonů
nastávají. Důležité také je, že oba experimenty studují různá prostředí.
Experiment NA60 studoval srážky při velmi vysokých energiích svazku, kdy se
dosahuje velmi vysokých teplot a nižších hustot baryonů. Experiment HADES
naopak studuje srážky s nižší energií svazku, kdy dostáváme nižší teploty
ale vyšší hustoty baryonů.
Obr. č. 7)
Srovnání experimentálního (body s chybami)
a simulovaného (plná černá čára) „koktejlu“ párů elektronu a pozitronu pro
srážky jádra uhlíku urychleného na kinetickou energii zhruba dvojnásobnou vůči
klidové energii. Simulace jsou provedeny
„jednoduchým“ programem PLUTO a kromě celkové sumy jsou zobrazeny i jednotlivé
zdroje (mezony π0, η, ρ0, ω a
baryonová rezonance Δ). Při experimentu ještě nebyl spektrometr HADES
ještě dokončený a i simulace jeho horší přístrojové rozlišení bere
v úvahu. Experimentální data jsou normovaná na počet produkovaných mezonů
π. Při posuzování velikosti navýšení experimentálních dat oproti simulacím
v střední oblasti hodnot hmotností vypočtených z hybností dvojice
elektronu a pozitronu Mee si
musíme uvědomit, že máme logaritmické měřítko a poměr mezi experimentem a
simulací v této oblasti dosahuje hodnoty až 2,5.
A co první experimentální pozorování spektrometru HADES?
Spektrometr se stavěl průběžně a hlavně
dokončování vnějších vrstev komor, které jsou velmi veliké a technicky i
finančně náročné, skončilo nedávno. Teprve se všemi vrstvami komor se může
spektrometr HADES přiblížit k projektované přesnosti určení hmotnosti 1%.
První série měření zatím proběhla jen se třemi rovinami mnohodrátových komor,
tedy s daleko menší přesností. Zatím se
studovaly jen srážky poměrně velmi lehkého systému uhlík na uhlík při dvou
různých energiích. V prvním případě byla kinetická energie zhruba rovna
klidové energii urychlovaného jádra a v druhém případě byla dvojnásobkem.
Zároveň byla tato měření doplněna o experimenty studující elementární procesy
při srážkách jednotlivých nukleonů. Dva experimenty, při kterých se napřed
srážely urychlené protony a pak deuterony s kinetickou energií o trochu
větší než je jejich energie klidová s protony, mají sloužit jako
referenční a jsou důležité také pro úplné osvojení všech možností spektrometru
a jeho kalibraci. Ve srážkách uhlíku na uhlíku se pozoruje zvýšení počtu párů
elektronu a pozitronu v oblasti, ve které ji pozoroval i předchozí experiment
DLS. Získaná data dávají zajímavé podněty
pro teoretické studie a zdají se vylučovat některé z modelů.
Teoretické skupiny přesvědčil souhlas dvou nezávislých experimentů (DLS a
HADES) a začaly své simulace znovu analyzovat a modifikovat, aby vyřešily
pozorované rozpory. Ovšem pro konkrétní závěry je třeba počkat na dokončení
všech analýz a hlavně na experimenty s dobudovaným spektrometrem.
Co se dá očekávat v budoucnu?
I v současné době sice probíhají vylepšení
spektrometru HADES, ale hlavní trumfy v dokončení systému čtyř vrstev
mnohodrátových driftových komor už byly vyneseny. Proto je možné začít
fyzikální měření s využitím plného potenciálu spektrometru. Hlavní
možnosti pro zlepšení ještě zůstávají ve vylepšení kvality svazku, efektivity výběru
zajímavých případů a určování dalších charakteristik srážek. K tomu
přispěje i přední stěna složená z velkého počtu scintilačních detektorů,
jejíž sestavení bylo dokončeno naší skupinou. Ta bude zachycovat nabitá jádra
vyletující z místa srážky, čímž určí geometrii srážky v každém
konkrétním případě. Na této geometrii totiž závisí velikost, tvar, dosažená
teplota a hustota i chování vzniklé horké a husté jaderné hmoty. Zůstávající
slabinou je rozlišení částic ve vnitřní části scintilační stěny k určování
doby letu pro srážky velmi těžkých jader s velkým počtem fragmentů a
protonů. Proto se plánuje náhrada 24 velkých scintilačních detektorů systémem
detektorů jiného typu s velkým počtem buněk umožňujících rozlišit velký
počet částic.
Velmi důležité je výzkum
a pochopení srážek toho nejjednoduššího systému ještě před studiem srážek
těžkých jader. V první půli tohoto roku tak byl opět proveden experiment
se srážkami protonu na protonu s využitím terče z kapalného vodíku,
tentokrát s téměř trojnásobně vyšší energií než v předchozím případě.
Takový experiment je také vhodnou možností pro testování vlastností dokončeného
spektrometru a ověření, zda dobře chápeme jeho funkci a detekční účinnost.
V příštích experimentech by se mělo přecházet ke stále těžším systémům,
při jejichž srážkách se bude vytvářet stále větší objem horké a husté jaderné
hmoty. Jak už bylo zmíněno, na budování, provozu zařízení, provedení
jednotlivých experimentů i jejich analýze se podílejí i čeští fyzikové. Naši
studenti při tom vypracovávají své diplomové a doktorské práce. Náš hlavní
podíl se týká soustav detektorů, které umožňují určit charakter a geometrii
každé jednotlivé srážky. Právě proto se zaměřujeme na studium závislosti
produkce leptonových párů na těchto vlastnostech. Takové studium může přinést
velmi důležité informace a s nárůstem hmotnosti srážejících se jader jeho
význam poroste také.
V dlouhodobějším
horizontu se v laboratoři GSI připravuje budování urychlovače SIS100/200, který
by navazoval na SIS a umožňoval urychlovat jádra na kinetické energie zhruba o
více než řád větší. Pokud by na něm pracoval modifikovaný spektrometr HADES,
mohl by se dostat do velmi zajímavých hodnot hlavně vysokých hustot jaderného
prostředí. Přebudovaný HADES se bude muset vypořádat s tím, že díky větší
energii jader svazku, které budou dopadat na pevný terč, poletí ještě větší
část vyletujících částic do malých úhlů vzhledem ke směru svazku. Nejdříve tak
nejspíše bude pracovat v dolní oblasti hodnot energií dosažitelných pomocí
urychlovače SIS100/200. Pro práci u maximálních dosažitelných energii svazku
plánovaného urychlovače už bude třeba vybudovat nové detekční zařízení.
Výzkum vlastností mezonů
a jejich změn v jaderné hmotě v širokém rozmezí hustot a teplot by
měl přispět k pochopení základních
zákonitostí, které panují v systému složeném z částic interagujících
silnou interakcí. Takové systémy tvoří více než 99 % hmotnosti normální hmoty
našeho vesmíru a zmíněné zákonitosti jsou nezbytné pro pochopení toho, jak tato
hmotnost vzniká. Velmi horká a hustá hmota složená z hadronů se vyskytuje
v řadě vesmírných objektů a byla tady krátce po počátku vesmíru. Pochopení
a popsání s nimi spojených fyzikálních dějů není bez co nejúplnějších
znalostí teorie silné interakce – kvantové chromodynamiky – možné. Je dobře, že
se i díky českým grantovým agenturám mohou čeští fyzici a studenti podílet i
prostřednictvím účasti v mezinárodním experimentu HADES na rozvoji této
fundamentální oblasti jaderné a částicové fyziky.
Na závěr bych chtěl
zmínit ještě jeden aspekt projektu. Jedná se o jedno z velkých zařízeních
budovaných a provozovaných v široké mezinárodní spolupráci. Na jeho realizaci
se podílí řada evropských zemí, kromě Česka je to Francie, Německo, Itálie,
Kypr, Polsko, Portugalsko, Rusko, Slovensko a Španělsko. Velkou část práce
vykonávají studenti, kteří tak získávají velmi cenné zkušenosti
s nejmodernější technikou a metodami efektivní mezinárodní spolupráce.
Někteří z nich po dokončení doktorandského studia zůstávají ve vědě, ale
řada jde do průmyslu, kde tyto zkušenosti mohou široce uplatnit. Takové
projekty pak velmi účinně v praxi podporují sjednocování Evropy a ukazují
metody k řešení problémů, které se před námi otvírají. Ať už jde o oblasti
informačních technologií, energetiky, životního prostředí a další, které se bez
takto široké mezinárodní spolupráce neobejdou.
Vladimír Wagner
Ústav jaderné fyziky
AVČR Řež
E_mail: wagner@ujf.cas.cz
WWW:
hp.ujf.cas.cz/~wagner/
