SPOJRZENIE W PRZESZŁOŚĆ
Oficjalna współpraca grupy fizyków jądrowych z Instytutu Fizyki Uniwersytetu Śląskiego rozpoczęła się w chwili przystąpienia do neutrinowego eksperymentu ICARUS w 2001 roku i eksperymentu zajmującego się pomiarem zderzeń ciężkich jonów NA61/SHINE w 2010 roku.
ICARUS – to największy, jaki kiedykolwiek zbudowano, jednofazowy, modułowy detektor ciekłoargonowy z komorą projekcji czasu z kriostatem zawierającym 760 ton LAr (ICARUS T600), gdzie jednym ze źródeł neutrin była wiązka produkowana w CERN-ie (projekt CNGS – CERN Neutrinos to Gran Sasso). Działanie ciekłoargonowych komór projekcji czasu polega na pomiarze śladów naładowanych cząstek oddziałujących w ciekłym argonie, pomiarze strat energii w wyniku jonizacji ośrodka (dE/dx) oraz identyfikacji oddziałujących i powstałych cząstek. Dzięki wykorzystaniu techniki ciekłoargonowej i odpowiednich komór możliwe jest badanie rzadkich zdarzeń (np. oddziaływania neutrin czy poszukiwania tzw. WIMP-ów, czyli masywnych cząstek słabo oddziałujących – Weakly Interacting Massive Particles).
Fizycy z IF UŚ brali udział w testach detektora w Pawii oraz w pomiarach w podziemnym laboratorium w Gran Sasso (Włochy), gdzie został zainstalowany detektor ICARUS T600. Analizy przez nich wykonywane koncentrowały się m.in. na rekonstrukcji przypadków oddziaływań pionów neutralnych oraz oddziaływań neutrin z wiązki CNGS.
Detektor ICARUS T600 pracował w latach 2010–2013. Podczas jego eksploatacji zebrano dane będące wynikiem oddziaływania, w ciekłym argonie, neutrin wyprodukowanych w ośrodku CERN i przesłanych do Gran Sasso. Przeprowadzono także badania oddziaływań neutrin atmosferycznych. Doskonała rozdzielczość kalorymetryczna i rekonstrukcyjna detektora pozwoliła na szeroki program badawczy, od rozpadu nukleonu do badania oscylacji neutrin z wiązki CNGS. Wśród badań przeprowadzonych z wykorzystaniem wiązki neutrin możemy wyróżnić trzy główne: (1) weryfikacja zjawiska nadświetlności neutrin sugerowanej przez eksperyment OPERA, (2) precyzyjne badanie znikania neutrin mionowych oraz (3) anomalne pojawianie się neutrin elektronowych. Celem tego ostatniego była eksperymentalna weryfikacja lub wykluczenie nieprawidłowości w liczbie obserwowanych neutrin elektronowych, sugerowana przez eksperyment LSND, a tym samym potwierdzenie lub wykluczenie istnienia tzw. neutrina sterylnego.
W eksperymencie ICARUS na przestrzeni lat jego projektowania, planowania i działania brało udział kilkanaście osób z Uniwersytetu Śląskiego. Obecnie z tej grupy nadal pozostają na UŚ i są zaangażowani w inne eksperymenty neutrinowe związane z CERN: prof. dr hab. Jan Kisiel, dr hab. Arkadiusz Bubak, prof. UŚ oraz doktoranci mgr Jacek Holeczek i mgr Kamil Porwit.
Ścieżka neutrin podróżujących
przez skorupę ziemską z CERN do laboratorium Gran Sasso
(źródło: CERN, CERN-DI-0108004-01)
Drugi eksperyment, w którym pracę rozpoczęli w 2010 roku naukowcy UŚ, to eksperyment NA61/SHINE. W ramach eksperymentu zarejestrowane zostały zdarzenia jąder o różnych rozmiarach (p+p, Be+Be, Ar+S.C., Xe+La, Pb+Pb) i energiach (od 13 do 150 GeV na nukleon). Celem eksperymentu było poszukiwanie punktu krytycznego silnie oddziałującej materii i badanie własności przejścia fazowego pomiędzy gazem hadronowym a plazmą kwarkowo gluonową. Pomiary związane z tą częścią programu fizycznego eksperymentu NA61/SHINE zakończyły się w 2018 roku. Fizycy z UŚ w tym czasie zajmowali się obsługą detektorów wiązki i systemem prowadzenia wiązki w eksperymencie oraz analizą danych. Grupa z UŚ brała czynny udział w opracowywaniu technik analizy i identyfikacji produkowanych cząstek. Ponadto naukowcy z UŚ zajmowali się budowaniem detektorów dla tego eksperymentu. To właśnie dzięki zbudowanym przez śląskich fizyków detektorowi Czerenkowa możliwy był pomiar składu izotopowego tzw. wtórnej wiązki.
Fotografia komory projekcji czasowej wewnątrz magnesu nadprzewodzącego.
Źródło: Inside the NA61 Detector [online], CERN Document Server, https://cds.cern.ch/record/2313991?ln=en, dostęp: czerwiec 2021
SP: Schemat układu detekcyjnego eksperymentu NA61/SHINE w CERN.
Pracującego z akceleratorem SPS (Super Proton Synchrotron)
Schemat zawiera jest 8 komór projekcji czasowych (TPC),
detektory czasu przelotu (TOF), kalorymetr (PSD) oraz detektory wiązki.
Źródło: Oficjalna strona eksperymentu NA61/SHINE [online], https://shine.web.cern.ch/node/16, dostęp: czerwiec 2021
Eksperyment NA61/SHINE poza pomiarami związanymi z diagramem fazowym silnie oddziaływującej materii zajmuje się także pomiarami referencyjnymi dla eksperymentów neutrinowych i eksperymentów promieniowania kosmicznego. Fizycy z UŚ brali czynny udział również w tej części eksperymentu, przygotowując detektor do pomiarów przekroju czynnego w procesie fragmentacji jąder pocisku, a później analizując zebrane dane.
SP: Diagram fazowy silnie oddziałującej materii z zaznaczonym obszarem energii SPS (NA61/SHINE)
(źródło: NA61/SHINE kolaboracja)
W eksperymencie NA61/SHINE udział biorą obecnie: dr hab. Seweryn Kowalski, prof. UŚ, dr Szymon Puławski, prof. UŚ, dr Katarzyna Schmidt, prof. UŚ, mgr inż. Kamil Wójcik oraz doktoranci: mgr inż. Marta Urbaniak, mgr Yuliia Balkova oraz mgr inż. Bartosz Łysakowski. Współpraca właściwie od początku jest finansowana przez projekty Narodowego Centrum Nauki. Obecnie realizowane są w grupie dwa granty NCN (Beethoven i Grieg).
W ciągu ostatnich 30 lat na Uniwersytecie Śląskim były prowadzone również prace teoretyczne związane z działaniem akceleratora LEP (ang. the Large Electron-Positron collider, home.cern) i precyzyjnymi obliczeniami w ramach Modelu Standardowego oraz jego rozszerzeniami (prof. Marek Zrałek, prof. Karol Kołodziej). Prof. Henryk Czyż brał udział w pracach grup roboczych LEP-u dotyczących procesu Bhabha i generatorów Monte Carlo.
AKTUALNE DZIAŁANIA
W latach 2019–2021 eksperyment NA61/SHINE przechodzi gruntowną modernizację niezbędną do realizacji dalszego planu pomiarowego. W ramach tego planu, przewidzianego na lata 2021–2024, działania eksperymentu skupią się na pomiarze produkcji otwartego powabu w zderzeniach Pb+Pb. Informacja płynąca z tych pomiarów pozwoli uzupełnić informacje związane z warunkami tworzenia się kolejnego stanu materii, jakim jest plazma kwarkowo-gluonowa. Oczywiście kontynuowane będą także referencyjne pomiary przekrojów czynnych dla eksperymentów neutrinowch, jak i pomiary przekrojów czynnych na procesy fragmentacji. Funkcja koordynatora modernizacji detektora została powierzona właśnie Uniwersytetowi Śląskiemu. W ramach tego zadania fizycy z UŚ zajmują się modernizacją wszystkich elementów detekcyjnych oraz budową nowych detektorów. Kontynuowana jest również analiza danych zebranych w ramach poprzedniego etapu eksperymentu.
Fizycy z UŚ biorą udział nie tylko w realizowanych obecnie w CERN-ie eksperymentach, ale także przygotowują nowe. Test Beam Experiment for Hyper-Kamiokande and Future Large-scale Water-based Detectorspp (WCTE) to eksperyment z użyciem CERN-owskich wiązek cząstek naładowanych. Jego wyniki zostaną wykorzystane przez międzynarodową współpracę fizyków Hyper-Kamiokande, w której pracują także naukowcy z UŚ. Hyper-Kamiokande będzie największym wodnym detektorem promieniowania Czerenkowa. Program naukowy eksperymentu WCTE obejmuje m.in. określenie wydajności nowej technologii fotopowielaczy (multi-PMT), opracowanie metod kalibracji detektorów Czerenkowa o masie wody rzędu paru tysięcy ton oraz pomiar słabo zbadanych procesów fizycznych, takich jak produkcja światła Czerenkowa pod dużymi kątami względem toru cząstki naładowanej czy rozpraszanie i absorpcja jonów. Detektor WCTE, który jest budowany w CERN East Area, będzie badał własności takich cząstek naładowanych, jak protony, kaony, piony, miony i elektrony o pędach od 200 MeV/c do 1200 MeV/c. Cząstki te będą oddziaływały z wodą wypełniającą walec o średnicy 4.1 m i wysokości 4 m, a powstałe w wyniku tego oddziaływania promieniowanie Czerenkowa będzie rejestrowane przez 128 modułów multi-PMT. W drugiej fazie eksperymentu do wody zostanie dodany siarczan gadolinu, co pozwoli na rejestrację neutronów. Obecnie trwa budowa części składowych układu detekcyjnego, a zbieranie danych planowane jest w połowie 2022 roku. Kilkuosobowa grupa fizyków z zespołu badawczego „Fizyka jądrowa w badaniu oddziaływań i jej zastosowania” Instytutu Fizyki UŚ w składzie: prof. dr hab. Jan Kisiel, dr hab. Seweryn Kowalski, prof. UŚ, dr hab. Arkadiusz Bubak, prof. UŚ, dr Szymon Puławski, prof. UŚ, dr Katarzyna Schmidt, prof. UŚ oraz mgr Jacek Holeczek uczestniczy w przygotowywaniu WCTE, wykonując obecnie symulacje komputerowe eksperymentu. Planowany jest nasz udział w kolejnych etapach: składanie detektora w CERN-ie, dozorowanie zbierania danych oraz ich analiza.
Intensywną współpracę z CERN-em realizuje teoretyczny zespół badawczy Instytutu Fizyki Uniwersytetu Śląskiego „Teoria i fenomenologia fizyki cząstek” pod kierunkiem prof. dr hab. Janusza Gluzy. Jednym z głównych tematów badań zespołu jest fenomenologia rozszerzeń Modelu Standardowego cząstek elementarnych. Badanie własności neutrin, niestandardowych bozonów cechowania czy też poszukiwanie dodatkowych neutralnych i naładowanych cząstek Higgsa jest częścią prowadzonego w CERN-ie eksperymentu Wielkiego Zderzacza Hadronów LHC (ang. Large Hadron Collider, home.cern) oraz jego następcy – HL-LHC (Wielki Zderzacz Hadronów o Dużej Świetlności, ang. high luminosity, home.cern), który rozpocznie działanie w 2028 roku i będzie działał przez następne kilkanaście lat. Przewidywania sygnałów nowej fizyki mają także pierwszorzędne znaczenie dla kierunku badań, które będą podjęte w akceleratorze Future Circular Collider (FCC, fcc.web.cern.ch), który ma powstać w CERN-ie po zakończeniu pracy akceleratora HL-LHC. Badania te w grupie prof. Gluzy prowadzą: pracownik dr Bartosz Dziewit oraz doktoranci mgr Magdalena Kordiaczyńska i mgr Wojciech Flieger. Oprócz szukania sygnałów nowej fizyki w grupie trwają prace nad precyzyjnymi obliczeniami w ramach Modelu Standardowego; uczestniczą w nich pracownik dr Ievgen Dubovyk, doktorant mgr Krzysztof Grzanka oraz współpracownicy zagraniczni: prof. Ayres Freitas (University of Pittsburgh, USA), Dr. Johann Usovitsch (Uniwersytet w Moguncji, Niemcy) oraz dr Martijn Hidding (Uniwersytet w Uppsali, Finlandia). Prowadzone obliczenia będą podstawą działania FCC. Więcej na temat precyzyjnych obliczeń wykonywanych przez naukowców z Uniwersytetu Śląskiego można znaleźć na stronie: us.edu.pl.
PRZYSZŁOŚĆ
Obecnie trwa dyskusja nad kontynuacją eksperymentu NA61/SHINE w CERN po 2025 roku. Część rozważań związanych z przyszłością eksperymentu jest autorstwa fizyków z UŚ. Brane pod uwagę są między innymi pomiary rzadkich rezonansów produkowanych w zderzeniach p+p i p+A oraz pomiary związane z określeniem parametrów równania stanu materii jądrowej.
Pomimo gwałtownego rozwoju technologii i nauki, w fizyce pozostaje wiele fundamentalnych pytań o naturę wszechświata, na które nie znamy odpowiedzi, na przykład: czym jest tzw. ciemna materia, czym spowodowana jest asymetria między materią a antymaterią? Odpowiedzi na te i wiele innych pytań zajmujących umysły fizyków na całym świecie udzielić może planowany następca LHC, akcelerator FCC, zderzacz kołowy o obwodzie 100 km, który dzięki wykorzystaniu najnowszych dostępnych technologii pozwoli na uzyskanie nawet 100 razy bardziej precyzyjnych pomiarów od dostępnych obecnie. Jednakże sama konstrukcja eksperymentu i dokonanie pomiarów to za mało, we współczesnej fizyce do dokonania odkryć potrzebna jest współpraca teorii z eksperymentem. Bez przewidywań teoretycznych nie bylibyśmy w stanie dobrze zinterpretować wyników eksperymentu, a co za tym idzie cały projekt o łącznym koszcie kilku–kilkunastu miliardów euro byłby po prostu bezużyteczny. Ciekawe szczegóły o motywacji budowy następnego akceleratora i jego roli znajdują się w opracowaniu „FCC-ee: Your Questions Answered”. Poniżej ilustracja planowanego zderzacza FCC z zaznaczeniem obecnie funkcjonującego akceleratora LHC o średnicy 27 km.
Pierścień LHC (27 km) wraz z proponowanym nowym 100-kilometrowym tunelem,
w którym mogłyby się znaleźć różne warianty zderzacza (FCC-ee, FCC-hh, FCC-he).
(źródło: CERN, Future Circular Collider – wybór obrazów)
Na podstawie umowy pomiędzy UŚ i CERN w latach 2017–2023 teoretycy z UŚ mają możliwość realizacji wyjazdów naukowych do CERN-u i pracy nad projektem FCC. Działania naukowe zespołu są również wspierane finansowo przez Narodowe Centrum Nauki w ramach uzyskanych grantów. Krótki opis jednego z nich, realizowanego w latach 2017–2021, znajduje się na stronie: www.ncn.gov.pl.
W ostatnich 30 latach naukowcy z UŚ brali aktywny udział w eksperymentach zgłębiających naturę wszechświata, przyczyniając się do rozwoju fizyki wysokich energii realizowanej w CERN-ie. Na UŚ stworzyliśmy zespoły złożone z dociekliwych i pełnych pasji naukowców, które dalej rozwijamy. Przed nami kolejne lata intensywnej, ale i ekscytującej pracy naukowej. Liczymy na nowe teorie, przełomowe odkrycia i kolejne naukowe wyzwania.
WSPÓŁPRACA
Należy nie zapomnieć o jednej ważnej (a może i najważniejszej) funkcji CERN – jest nią rozwój współpracy międzynarodowej naukowców. CERN to właśnie miejsce, gdzie przenikają się kultury i obyczaje praktycznie z całego świata. To tutaj pracujący naukowcy kreują wspaniałą atmosferę kooperacji. Przestaje mieć znacznie, z jakiego kraju się pochodzi i jakim językiem włada – tutaj obowiązuje jedyny tzw. angielski CERN-owski, czyli taki z różnymi akcentami i często błędami gramatycznymi. Najważniejsze jednak jest to, aby móc się porozumieć i spojrzeć w głąb materii – zdać nowe pytanie i poszukać rozwiązań. Udział fizyków z UŚ w projektach CERN wskazuje, że badania realizujemy na światowym poziomie – robimy dokładnie to samo, co inni naukowcy w europejskim ośrodku. CERN można nazwać kuźnią współpracy naukowych – raz zawiązane istnieją lata, a naukowcy realizujący badania stają się obywatelami świata. ICARUS, NA61/SHINE, FCC to współpraca nie tylko między naukowcami, ale także między instytucjami, to dążenie wielu ludzi reprezentujących wiele instytucji do jednego celu. Dla przykładu NA61/SHINE tworzy 28 instytucji z aż 14 krajów, w tym 9 instytucji z Polski.
Współpraca NA61/SHINE
Opracowanie:
prof. dr hab. Janusz Gluza, prof. dr hab. Jan Kisiel,
dr hab. Arkadiusz Bubak, prof. UŚ, dr hab. Seweryn Kowalski, prof. UŚ,
dr Szymon Puławski, prof. UŚ, dr Katarzyna Balin