Srážky relativistických iontů
Studium vlastností hadronů uvnitř jaderné hmoty s normální i s velmi vysokou hustotou a teplotou je jednou z hlavních oblastí současné jaderné fyziky. Reakce těžkých iontů, pionů a protonů s energií 1-3.5 AGeV s těžkými jádry jsou velmi užitečným nástrojem zkoumání vlastností částic uvnitř jaderné hmoty. Srážky těžkých iontů pak mohou vytvořit oblast s vysokou hustotou baryonů existující po dobu zhruba 10-12 fm/c. Za podmínek vysoké hustoty a teploty se mohou významně měnit základní vlastnosti hadronu (hmotnosti, doby života a další). Tyto změny, které předpovídají některé teorie, by mohly být poprvé experimentálně potvrzeny díky velice přesnému určení vlastností páru elektron-pozitron produkovaného v rozpadu hadronu uvnitř husté a horké oblasti. Taktéž výtěžek produkce podivných částic, například kaonů, může být ovlivněn hustotou baryonů v oblasti jejich produkce.
Pro studium výše popsaných jevů byl mezinárodní skupinou vědců ze 17 ústavů z 9 evropských zemí vybudován spektrometr pro studium párů elektronu a pozitronu HADES (High Acceptance Di-Electron Spectrometer). Spektrometr je optimalizovaný pro detekci leptonů, využívá prahový RICH (Ring Imaging Cherenkov) detektor. Zároveň je však velmi efektivním dtektorem nabitých částic, například protonů, pionů, kaonů atd.
Zařízení pracuje v laboratoři GSI (Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung) v Darmstadtu (Německo) a využívá svazek urychlovače těžkých iontů SIS18 včetně sekundárního svazku pionů.
Důležitou součástí práce skupiny je pochopitelně analýza získaných experimentálních dat, včetně zapojení našich studentů. Soustředíme se na identifikaci produkovaných částic, rekonstrukci mesonů rozpadajících se na páry leptonů či pionů, detekci podivných částic, studium přímého toku (flow) produkovaných částic atd. Aktivně se účastníme psaní článků a navrhování experimentů.
Naše skupina je zapojena do konstrukce a provozu tří částí spektrometru HADES. První částí je velká, cca 5 metrů vysoká stěna ze 384 scintilačních detektorů ve tvaru dlouhých (až 2,5 metru) tyčí TOF (Time-of-flight), určující dobu letu částice, a tak přispívající k její identifikaci a určení její energie. Druhou částí je FW (Forward Wall), menší stěna z velkého počtu (380) malých čtvercových scintilačních detektorů zachycujících nabité částice letící jen s relativně malou odchylkou od původního směru svazku nalétávajících částic. FW slouží k určení roviny srážky a centrality studovaných reakcí jádro-jádro. A konečně třetí částí je elektromagnetický kalorimetr ECAL. Jedná se o velkou stěnu z 978 modulů z olovnatého skla detekujících fotony elektromagnetického záření. Tento detektor umožňuje identifikaci a určení energie neutrálních částic, například pí a eta mezonů, které se rozpadají za letu na dva fotony, které jsou následně registrovány v ECAL a z jejich energie a směru letu se vypočte hmotnost a energie primární částice.
Spektrometr HADES je provozován od roku 2018 v rámci nové mezinárodní Velké Výzkumné Infrastruktury FAIR (Facility for Antiproton and Ion Research), která se buduje v GSI a je ESFRI landmark (European Strategy Forum on Research Infrastructures).
Členové týmu experimentu HADES:
vědečtí pracovníci:
RNDr. Andrej Kugler, CSc. (vedoucí skupiny)
RNDr. Pavel Tlustý, CSc. (zástupce mluvčího kolaborace HADES)
Ing. Ondřej Svoboda, Ph.D.
RNDr. Vladimír Wagner, CSc.
Ph.D. studenti:
Mgr. Antonín Opíchal
Kontaktní osoba:
RNDr. Andrej Kugler, CSc., kugler@ujf.cas.cz
Pro větší hustoty baryonů a nižší teploty se očekává, že fázový diagram jaderné hmoty bude vykazovat bohatou strukturu, zahrnující kritický bod, fázový přechod prvního řádu mezi hadronovou a partonovou hmotou, nebo nové fáze hmoty jakou je např. předpokládaná pevná fáze kvarkové hmoty označovaná termínem quarkyonic matter. Objev těchto struktur by byl průlomem v našem porozumění silné interakci, a tudíž stojí v popředí zájmu mnoha výzkumných programů z oblasti vysokoenergetických srážek těžkých iontů. Tento výzkum souvisí například s ověřením jaderně-fyzikálního modelu fúze neutronových hvězd, generujícího tzv. gravitační vlny (Nobelova cena za fyziku 2017) nebo s popisy výbuchů supernov. Experimenty HADES a CBM v rámci Nuclear Matter Physics pilíře nové mezinárodní Velké Výzkumné Infrastruktury FAIR (Facility for Antiproton and Ion Research) budou hrát unikátní roli ve zkoumání fázového diagramu jaderné hmoty v oblasti hustot, jaké se vyskytují v jádrech neutronových hvězd. Experiment CBM je navržen pro měření při vysokých četnostech srážek. Vysoká intenzita svazku je klíčová pro vysoce přesná měření multi-diferenciálních pozorovatelných a některých diagnostických sond, které jsou citlivé k husté fázi jaderné „ohnivé koule“. Mezi tyto sondy lze řadit například vícenásobně podivné hyperony, leptonové páry a částice obsahující půvabné kvarky. Většina z těchto pozorovatelných bude studována vůbec poprvé v oblastech energií 1-10 GeV/nukleon dostupných na urychlovači SIS100 ve FAIR.
Naše skupina je zapojena do návrhu a konstrukce a testování prototypů scintilační stěny FSD (Forward Spectator Detector). Účelem FSD bude měřit základní charakteristiky jádro-jaderných srážek jako např. centralita, rovina srážky či přímý tok částic v rámci experimentu CBM. FSD bude umístěn cca 8 m od terče a je určen k detekci projektilových spektátorů, to jest neinteragujících nukleonů a fragmentů emitovaných na velmi nízkých polárních úhlech v dopředném směru v kolizi jádro-jádro. Vzhledem k tomu, že je FSD umístěn velmi blízko intenzivního svazku, očekává se jeho značné radiační zatížení. Z tohoto důvodu naše skupina s využitím neutronového zdroje na cyklotronu ÚJF provádí na příslušné testy radiační odolnosti jednotlivých komponent a ověření jejich funkčnosti až do dávek 3×1012 n/cm2. S kolegy z ČVUT spolupracujeme i na dalších aspektech detektoru FSD, jako např. simulaci detekce přímého kolektivního toku částic pomocí FSD, testech FSD modulů a na stavbě podpůrné konstrukce pro detektor.
Naše skupina dále přispívá k vybavení infrastruktury FAIR, která se váže k experimentu CMB. Jmenovitě jsme navrhli a dodali speciální plošinu pro experimenty HADES a CBM, která zabírá plochu 14 m x 15 m a váží 40 tun. Účelem této plošiny je poskytnout potřebnou nosnost v řádu stovek tun pro detektory a zařízení, které na ní budou instalovány. Plošina byla vyrobena českou firmou a byla instalována v roce 2023. Dále jsme pro experiment CBM navrhli a dodali uhlíkový iontovod pro vedení svazku od centrální části CBM k detektoru FSD. V budoucnu plánujeme dodat i vakuové komponenty pro iontovod HEBT (High Energy Beam Transport), který bude přivádět svazek z budoucího urychlovače SIS100 do haly experimentu CMB.
Členové týmu experimentu CBM:
vědečtí pracovníci:
RNDr. Andrej Kugler, CSc.
Ing. Ondřej Svoboda, Ph.D.
Kontaktní osoba:
RNDr. Andrej Kugler, CSc., kugler@ujf.cas.cz