Ma³y Wielki Wybuch

odziemny tunel zakr´ca i wà-
skie rury do prowadzenia wiàzek
szybko znikajà z pola widzenia.

We wn´trzu przewa˝ajà delikatne od-
cienie szaroÊci – betonu, stali i b∏ysz-
czàcych materia∏ów izolacyjnych. W
ch∏odnym powietrzu unosi si´ woƒ me-
talowych wiórów, a z daleka dochodzi
st∏umiony turkot maszyny wykrywajà-
cej nieszczelnoÊci w rurach pró˝nio-
wych. Idàc wzd∏u˝ tunelu, widzimy, jak
si´ prostuje i dwie wàskie rury ∏àczà
w jednà – grubà. Przedar∏szy si´ przez
gmatwanin´ rurek, docieramy do prze-
pastnej komory, jarzàcej si´ ˝ó∏to w
Êwietle sodowych reflektorów. Na Êrod-
ku posadzki widaç namalowany czar-
ny kràg z napisem „Punkt zderzenia”.

Dok∏adnie nad nim ju˝ w czerwcu br.

fizycy wytworzà materi´ tak goràcà i g´-
stà jak w pierwszej mikrosekundzie po
Wielkim Wybuchu. Relatywistyczny
zderzacz ci´˝kich jonów (RHIC – Rela-
tivistic Heavy Ion Collider; czytaj: rik),
którego budowa zmierza ku koƒcowi
w Brookhaven National Laboratory na
Long Island, zosta∏ zaprojektowany do
przyspieszania jàder, poczàwszy od
wodoru (pojedynczy proton), a skoƒ-
czywszy na z∏ocie (197 protonów i
neutronów).

Nukleon, czyli proton lub neutron,

ma mas´ albo energi´ spoczynkowà
oko∏o 1 GeV, tj. miliarda elektronowol-
tów. Nadprzewodzàce wn´ki rezo-
nansowe RHIC b´dà tak przyspieszaç
jàdra, ˝e ka˝dy zawarty w nich nukleon
osiàgnie wybranà wartoÊç masy lub
energii w granicach 10–100 GeV. P´cz-
ki wystrzeliwanych jàder b´dà krà˝yç
w przeciwnych kierunkach w dwu ru-
rach do prowadzenia wiàzek a˝ do
chwili, gdy spotkajà si´ w czterech de-

tektorach rozmieszczonych na 3.8-kilo-
metrowym obwodzie tunelu. JeÊli dwa
jàdra si´ zderzà, to ka˝da para takich
nukleonów wyzwoli energi´ 200 GeV,
podnoszàc temperatur´ prawdopodob-
nie znacznie powy˝ej 10

K, czyli do

temperatury 100 milionów razy wy˝szej
ni˝ panujàca na powierzchni S∏oƒca.
Jednym s∏owem – jàdra eksplodujà.

Szczàtki tej ognistej kuli (fireball) nio-

sà w sobie zakodowanà odpowiedê na
pytanie, czy w potwornym goràcu zde-
rzenia protony i neutrony rozpad∏y si´,
wyzwalajàc kwarki oraz czàstki zwane
gluonami. (Proton sk∏ada si´ z trzech
kwarków, dwóch górnych i jednego dol-
nego, które utrzymywane sà razem
przez gluony. Neutron zawiera dwa
kwarki dolne i jeden górny.) Teoretycy
sà przekonani, ˝e gdy temperatura prze-
kroczy 10

K, to pojawi si´ plazma

kwarkowo-gluonowa, czyli rodzaj zu-
py z∏o˝onej z kwarków i gluonów. „Te-
go nie widziano we WszechÊwiecie od
kilku miliardów lat. Tyle na ten temat
wiemy” – stwierdza Frank Wilczek, fi-
zyk teoretyk z Institute for Advanced
Study w Princeton (New Jersey).

Plazma utrzymywaç si´ b´dzie zale-

dwie przez 10

–23

s (czyli tyle, ile potrze-

buje Êwiat∏o na przejÊcie przez jàdro)
i w ka˝dym kierunku zajmie obj´toÊç
oko∏o 10 fermich (fermi to charaktery-
styczna miara jàdrowa równa 10

–13

cm).

Przejdzie ona natychmiast w wielkà licz-
b´ innych czàstek, które nast´pnie prze-
b´dà bilion razy d∏u˝szà drog´, zanim
zarejestrujà je detektory. To, czy w zde-
rzeniu powstanie 15 tys. czàstek, czy je-
dynie tysiàc, dopiero si´ oka˝e. W kro-
ciach Êladów, które zostawià, fizycy
zacznà poszukiwaç dowodów istnienia
ulotnej plazmy. I nie b´dzie to poszuki-

wanie ig∏y w stogu siana. Raczej gapie-
nie si´ na stóg siana celem ustalenia, czy
w Êrodku jest ig∏a.

Eksperymentatorów czeka tak przy-

t∏aczajàce zadanie cz´Êciowo dlatego,
˝e od teoretyków mogà oczekiwaç je-
dynie bardzo niepewnych wskazówek.
„Mamy zaledwie przybli˝ony szkic te-
go, co dzieje si´ z materià przy takich
energiach” – podkreÊla Gordon Baym
z University of Illinois. Problemem sà
silne „kolorowe” oddzia∏ywania, które
wià˝à protony, neutrony i jàdra. Sà one
co najmniej sto razy silniejsze ni˝ elek-
tromagnetyzm. Ponadto przekazujà je
gluony, które w odró˝nieniu od innych
noÊników si∏y, na przyk∏ad fotonów, te˝
wzajemnie na siebie oddzia∏ujà. To le-
pienie si´ do siebie gluonów w po∏àcze-
niu z si∏à ich oddzia∏ywaƒ sprawia, ˝e
chromodynamika kwantowa, czyli QCD
– teoria silnych oddzia∏ywaƒ – jest cz´-
sto zbyt trudna dla obliczeƒ.

Zderzenie i rozprysk

W rezultacie teoretycy radzà sobie

z silnymi oddzia∏ywaniami tylko w spe-
cjalnych przypadkach, mianowicie kie-
dy stajà si´ one doÊç s∏abe. Paradoksal-
nie silne oddzia∏ywania s∏abnà, kiedy
kwarki i gluony zaczynajà si´ bardzo
do siebie zbli˝aç. Wyobraêmy sobie, ˝e
kwarki powiàzane sà z innymi kwarka-
mi i antykwarkami poprzez struny glu-
onowe. (Antykwark to alter ego kwarka,
gdy˝ ma t´ samà mas´, lecz przeciwny
∏adunek.) Struna dzia∏a tak jak guma.
Kiedy kwark i antykwark z pary – na-
zywanej mezonem – oddalajà si´ od sie-
bie, guma Êciàga je z powrotem ze sta-
∏à si∏à; potrzeba nieskoƒczonej energii
na rozdzielenie pary i dlatego swobod-

34 Â

WIAT

AUKI

Maj 1999

Ma∏y Wielki Wybuch

Madhusree Mukerjee, cz∏onek zespo∏u redakcyjnego Scientific American

CZAS = –9.80

0.18

0.99

3.54

18.48

Ju˝ wkrótce nowy akcelerator wiàzek przeciwbie˝nych wytworzy
materi´ tak g´stà i goràcà jak ta we wczesnym WszechÊwiecie

nych kwarków si´ nie obserwuje. Gdy
natomiast kwark i antykwark znajdujà
si´ bardzo blisko, guma jest luêna i ele-
menty pary nie odczujà nawzajem swo-
jej obecnoÊci. Podobny stan rzeczy powi-
nien zaistnieç, aczkolwiek na krótko,
w plazmie kwarkowo-gluonowej.

Teoretycy wierzà te˝, ˝e pozornie pu-

sta przestrzeƒ – nies∏usznie nazwana
pró˝nià – w rzeczywistoÊci roi si´ od par
kwark–antykwark, które tylko poÊred-
nio dajà o sobie znaç. Sytuacja nie jest
ca∏kiem zadowalajàca. Z jakiejÊ przyczy-
ny przyroda w zwyk∏ej pró˝ni dopusz-
cza tylko sprz´˝enia prawoskr´tnych
kwarków z lewoskr´tnymi antykwarka-
mi, i na odwrót. (Skr´tnoÊç czàstki opisu-
je kierunek jej wewn´trznej rotacji obser-
wowany wzd∏u˝ kierunku jej ruchu.)
Takie zachowanie burzy poczucie este-
tyki fizyków, a ÊciÊlej mówiàc, matema-
tyczne pi´kno zwane symetrià chiralnà.
Zgodnie z tà symetrià lewoskr´tne kwar-
ki i antykwarki powinny istnieç nieza-
le˝nie od swoich prawoskr´tnych odpo-
wiedników. Lecz w odpowiednio wyso-
kiej temperaturze i g´stoÊci te êle dobra-
ne pary zape∏niajàce pró˝ni´ powinny
si´ rozdzieliç, objawiajàc w ten sposób
symetri´ chiralnà.

Najlepszym sposobem oszacowania,

jak silne oddzia∏ywania b´dà zachowy-
waç si´ w rzeczywistych sytuacjach, sà
po prostu ˝mudne obliczenia. Pos∏ugu-
jàc si´ superkomputerem, teoretycy mo-
delujà czasoprzestrzeƒ jako sieç punk-
tów. W tych ostatnich umieszczajà
kwarki i antykwarki po∏àczone struna-
mi gluonowymi, aby zbadaç ich oddzia-
∏ywania. Obliczenia, pospolicie zwane
„QCD na sieci”, przewidujà, ˝e kwarki
i gluony uwolnià si´ przy tej samej g´-
stoÊci energii, która przywraca symetri´
chiralnà. W takim przypadku podczas
zderzeƒ jàder w RHIC powinna powstaç
plazma kwarkowo-gluonowa z pe∏nà sy-
metrià chiralnà.

Niestety, QCD na sieci ma powa˝ne

ograniczenia: nie opisuje sytuacji dyna-
micznych, a jedynie statyczne. Oznacza
to m.in., ˝e radzi sobie tylko z uk∏adami
w stanie równowagi. Ponadto nie po-
zwala przedstawiç sytuacji, w której licz-
ba kwarków jest wi´ksza ni˝ antykwar-
ków. Poniewa˝ protony i neutrony
zawierajà wy∏àcznie kwarki, taki nad-
miar mo˝e powstaç prawdopodobnie
przy zderzeniu dwu jàder. Wobec tego
QCD na sieci nie stosuje si´ wprost do
sytuacji „zderzenia i rozprysku”, jak nie-

którzy fizycy nazywajà wysokoenerge-
tyczne zderzenie jàdrowe. Ka˝da rze-
telna teoria b´dzie musia∏a po∏àczyç „re-
latywistyk´, która jest trudna, z teorià
pola, która jest trudna, z dynamikà sta-
nu nierównowagi, która jest trudna, z fi-
zykà wielu cia∏, która jest trudna” –
podkreÊla Horst Stöcker z Johann Wolf-
gang Goethe-Universität we Frankfur-
cie. I dlatego teoretycy stosujà ró˝no-
rodne przybli˝enia.

Poszukiwanie sygna∏u plazmy

Jeden z modeli na przyk∏ad traktuje

kwarki jak odbijajàce si´ od siebie kule
bilardowe, ∏àczàc opis kwantowo-me-
chaniczny z eksperymentalnie mierzo-
nymi prawdopodobieƒstwami powsta-
nia z∏o˝onych czàstek. (Ta teoria, zwana
kaskadà partonowà, zapoczàtkowana
zosta∏a przez Klausa Kindera-Geigera
z Brookhaven, który w ub. r. zginà∏ tra-
gicznie w katastrofie samolotu linii Swis-
sair.) Inny model traktuje jàdra jak krople
cieczy i stosuje prawa hydrodynamiki
z parametrami obliczonymi przez QCD
na sieci. Poza tym „na rynku” funkcjo-
nuje wiele modeli b´dàcych po∏àczenia-
mi lub udoskonaleniami tych podstawo-

WIAT

AUKI

Maj 1999 35

ZDERZENIE JÑDROWE odtworzone kompu-
terowo z zastosowaniem modelu „kaskady jà-
drowej” zachodzi mi´dzy dwoma jàdrami z∏ota,
które poczàtkowo sà relatywistycznie sp∏asz-
czone jak naleÊniki. Uderzenie sprawia, ˝e nie-
które kwarki (

●

) i gluony (

●

) ulegajà rozpro-

szeniu. Jàdra przenikajà si´ wzajemnie, po-
zostawiajàc za sobà napompowane energià
kwarki i gluony, które natychmiast zlewajà si´
w grudki (

●

). Te z kolei p´kajà, tworzàc pio-

ny (

●

), kaony (

●

) i inne czàstki, które mogà od-

dzia∏ywaç i si´ rozpadaç. Kula ognista powi´k-
szy si´ bilion razy, zanim trafi do detektorów.
(Jednostkà czasu jest okres, w którym Êwiat∏o
pokonuje odleg∏oÊç 10

–13

cm.)

Dane: KLAUS KINDER GEIGER i

RONALD LONGACRE; zobrazowanie: BALLARD ANDREWS, MICHAEL McGUIGAN i

GORDON SMITH

Brookhaven National Laboratory

35.96

89.91

wych schematów. „Jest niemal tyle mo-
deli, ilu teoretyków pracujàcych w tej
dziedzinie” – ˝artuje Tim Hallman, eks-
perymentator z Brookhaven. Ka˝dy
z modeli prawdopodobnie bardzo do-
brze opisuje pewne aspekty zderzenia,
ale ˝aden nie obejmuje poprawnie ca∏o-
Êci. Skrzynka wina czeka na tego, kto za-
proponuje prawid∏owe przewidywanie
dla jakiejkolwiek z wielkoÊci, którà da
si´ mierzyç, gdy ruszy RHIC.

Mimo wszystko spodziewamy si´, ˝e

zderzenie b´dzie wyglàdaç mniej wi´cej
nast´pujàco: Na poczàtku dwa jàdra po
prostu przeniknà si´ nawzajem. „To jest
tak jak z uderzeniem o coÊ – wyjaÊnia

Baym. – Dopiero po u∏amku sekundy
czujemy ból.” Kwarki i gluony z jednego
jàdra schwytajà kwarki i gluony z dru-
giego za pomocà „kleju”, jak na lep. Kie-
dy jàdra zacznà si´ rozdzielaç, te ener-
getyczne struny b´dà p´kaç, zap´tlaç si´
i mieszaç, doprowadzajàc – mamy na-
dziej´ – do powstania plazmy.

Ta zaÊ zacznie gwa∏townie stygnàç,

wypromieniowujàc niekiedy elektrony,
pozytony i ich ci´˝szych kuzynów –
miony i antymiony. W procesach przy-
pominajàcych te z Wielkiego Wybuchu,
ale bardzo trudnych do obliczeƒ, wi´k-
szoÊç kwarków i gluonów przeobrazi
si´ w obiekty z∏o˝one z dwu lub trzech

kwarków albo antykwarków. Niektóre
z tych „hadronów” rozpadnà si´ na in-
ne czàstki, które z kolei te˝ mogà ulec
rozpadowi. Wszelkie ewentualne do-
wody na zaistnienie plazmy kryç si´ b´-
dà w tych „popio∏ach”.

S´k w tym, ˝e „nie ma niezbitego do-

wodu – jak to ujmuje Hallman. – Braku-
je jakiegoÊ okreÊlonego zjawiska, po któ-
rego znalezieniu mo˝na by powiedzieç:
to jest to!” Teoretycy przedstawili d∏ugà
list´ zjawisk, z których ka˝de jest postu-
lowanym dowodem na pojawienie si´
znikajàcej póêniej plazmy. Niestety, sze-
reg zwyk∏ych procesów jàdrowych mo-
˝e daç wi´kszoÊç tego rodzaju sygna∏ów,
co eliminuje je jako argumenty przema-
wiajàce za istnieniem plazmy.

Pierwsze zadanie b´dzie polega∏o

na wybraniu czàstek lecàcych prosto-
padle do kierunku wiàzki, poniewa˝

36 Â

WIAT

AUKI

Maj 1999

W ZAKRZYWIONYCH RURACH PROWADZENIA WIÑZEK relatywistycznego zderzacza ci´˝kich jonów (RHIC) jàdra przyspie-
szane b´dà za pomocà energii dostarczanej przez nadprzewodzàce wn´ki. Zewn´trzne pow∏oki rury zawierajà kriostaty, wewnàtrz
których krà˝y zimny spr´˝ony hel. Podwójne linie przyspieszajà p´czki jàder w przeciwnych kierunkach a˝ do ich spotkania w punktach
zderzenia wewnàtrz detektorów.

TABLICA FOTOPOWIELACZY zbudowana przez fizyków japoƒskich pos∏u˝y do iden-
tyfikacji elektronów dzi´ki wykorzystaniu ich charakterystycznego promieniowania
Czerenkowa. Urzàdzenie umieszczone zostanie wewnàtrz detektora PHENIX, który
mierzyç b´dzie g∏ównie lekkie czàstki pochodzàce ze zderzenia.

BROOKHAVEN NATIONAL LABORATORY

muszà one wychodziç z obszaru zderze-
nia. „Ich energia mówi nam, czy zaist-
nia∏y warunki do powstania plazmy. To
jest warunek wst´pny” – mówi Miklos
Gyulassy z Columbia University. Anali-
za mog∏aby te˝ wykazaç, czy choçby
przez krótkà chwil´ utrzymywa∏a si´ sta-
∏a temperatura (wyznaczana na podsta-
wie rozk∏adu p´dów czàstek). Wskazy-
wa∏oby to na przejÊcie fazowe, tak jak
dowodem na wrzenie wody jest tem-
peratura w czajniku – utrzymujàce si´
100°C. Gyulassy sàdzi jednak, ˝e ten
efekt b´dzie za s∏aby na wyciàgni´cie
wià˝àcych wniosków. „Nie postawi∏bym
na to du˝ych pieni´dzy” – stwierdza.

Z kolei dok∏adne badania pionów

(mezonów zawierajàcych górny lub dol-
ny kwark oraz odpowiadajàcy mu an-
tykwark) i ich wzajemnych korelacji
przyniosà informacje o rozmiarach ogni-
stej kuli poprzez kwantowo-mecha-
niczny efekt, który pierwotnie by∏ wyko-
rzystywany do pomiaru rozmiarów
gwiazd. Ta analiza mo˝e dostarczyç na-
wet danych o szybkoÊci powi´kszania
si´ ognistej kuli. Uwa˝ajàc materi´ jà-
drowà za ciecz, Gyulassy i inni wnio-
skujà, ˝e ognista kula powinna w pew-
nej chwili zwolniç ekspansj´, poniewa˝
kiedy plazma zacznie przechodziç w ha-
drony, pr´dkoÊç dêwi´ku stanie si´ ano-
malnie ma∏a. „To z pewnoÊcià by∏by nie-
zbity dowód” – utrzymujà. Zaobserwo-
wanie tego efektu wymagaç jednak b´-
dzie ca∏ych lat skrupulatnego groma-
dzenia danych.

Informacj´ niosà te˝ nie podlegajàce

silnym oddzia∏ywaniom elektrony, mio-

ny i ich antyczàstki. „JeÊli powstanie pa-
ra, to wydostanie si´ bez przeszkód na
zewnàtrz – mówi Baym. – One sà mia-
rà tego, co dzieje si´ we wn´trzu.” Ma-
jàc dane dotyczàce energii i p´dów tych
czàstek, fizycy mogà stwierdziç, czy pa-
ra – mion i antymion lub elektron i po-
zyton – pochodzi∏a z rozpadu okreÊlo-
nego mezonu, takiego jak

j czy r.

Ka˝dy z tych mezonów mo˝e mieç ma-
s´ mniejszà ni˝ zwykle, jeÊli powsta∏

w fazie materii jàdrowej z zachowanà
symetrià chiralnà; i ten sygna∏ jednak
uchodzi za sporny.

Widomà oznakà pojawienia si´ pla-

zmy kwarkowo-gluonowej jest spadek
liczby wyprodukowanych egzemplarzy
innego mezonu, zwanego J/

y. Mezon

ów, b´dàcy stanem zwiàzanym powab-
nego kwarka i powabnego antykwarka,
rzadko b´dzie produkowany w zderze-
niu jàdrowym. Argumentuje si´, ˝e J/

nie mo˝e powstaç w plazmie kwarko-
wo-gluonowej, gdy˝ zostanie rozbity na
skutek bombardowaƒ otaczajàcych czà-
stek. Tak wi´c ten mezon (poprzez jego
produkty rozpadu) powinno si´ obser-
wowaç rzadziej, ni˝ wynika∏oby z prze-
widywaƒ dla zwyk∏ej materii jàdrowej.
Naukowcy z Europejskiego Laborato-
rium Fizyki Czàstek CERN pod Gene-
wà zaobserwowali taki efekt w zderze-
niach jàder o∏owiu o efektywnej energii
17 GeV dla zderzenia nukleon–nukle-
on. Stöcker twierdzi jednak, ˝e i ten sy-
gna∏ da si´ wyjaÊniç w inny sposób.

Najbardziej intrygujàce zdaje si´ istnie-

nie „dziwade∏ka” (strangelet – kropelki
kwarkowej o wielu kwarkach dziwnych).
Kwarki dziwne powinny wyst´powaç
w plazmie kwarkowo-gluonowej obficie
i przypuszczalnie ∏àczyç si´ w taki obiekt
razem z kwarkami dolnymi i górnymi.
Aczkolwiek znalezienie dziwade∏ka –
tworu co najmniej tak egzotycznego jak
plazma kwarkowo-gluonowa – by∏oby
sensacjà, to jednak pozostaje pytanie, czy
okaza∏oby si´ ono dostatecznie trwa∏e,
aby dotrzeç do detektorów.

WIAT

AUKI

Maj 1999 37

TEMPERATURA (KELWINY)

STOSUNEK DO NORMALNEJ G¢STOÂCI

SWOBODNE KWARKI
I GLUONY

JÑDRA

JÂ

DIAGRAM PRZEJÂCIA FAZOWEGO pokazuje obliczone przejÊcie od zwyk∏ych jàder do
swobodnych kwarków i gluonów. W bardzo wysokiej temperaturze lub g´stoÊci protony
i neutrony wewnàtrz jàder rozpadajà si´, wyzwalajàc kwarki i gluony. W zderzeniach jàder
zachodzàcych w RHIC oczekuje si´ osiàgni´cia tego stanu, aczkolwiek na bardzo krótko.

DETEKTOR PHENIX, widoczny tu przed monta˝em, zawiera sto˝kowate „skrzy-
d∏a” zaprojektowane w celu rejestracji mionów pochodzàcych z jàdrowego zderzenia. Nie-
które stalowe p∏yty w skrzyd∏ach, przywiezione z Sankt Petersburga w Rosji, nale˝à do
najwi´kszych, jakie kiedykolwiek odlano.

BRYAN CHRISTIE

BROOKHAVEN NATIONAL LABORATORY

T´ list´ mo˝na niemal dowolnie wy-

d∏u˝aç. Teoretycy namawiajà doÊwiad-
czalników, aby poszukiwali nie zorien-
towanych kondensatów chiralnych (po-
chodzàcych z niewielkiego obszaru w
centrum zderzenia, gdzie brakuje jedno-
litego przepisu na budowanie par kwar-
ków i antykwarków), ∏amania parzysto-
Êci ∏adunkowej (symetrii zwykle za-
chowywanej w silnych oddzia∏ywaniach)
i niezliczonych innych hipotetycznych
zjawisk. I jakby tego nie by∏o dosyç,
Stöcker utrzymuje, ˝e plazma kwarko-
wo-gluonowa nie jest prostym „gazem
swobodnym”, jak si´ zwykle sàdzi, lecz
z∏o˝onym oddzia∏ujàcym uk∏adem, któ-
ry pod wieloma wzgl´dami przypomina
nast´pujàcà po nim faz´ hadronowà.

W takim przypadku poszukiwanie do-
wodu na istnienie plazmy by∏oby od po-
czàtku skazane na niepowodzenie.

Liczenie anio∏ów

Te trudnoÊci zdajà si´ nie przera˝aç

eksperymentatorów. „Teoretykom po-
zostawiam rozwa˝ania w rodzaju, ile
anio∏ów mo˝e taƒczyç na ostrzu szpilki”
– wzrusza ramionami Barbara Jacak, do-
Êwiadczalnik ze State University of New
York w Stony Brook. Ju˝ wkrótce ruszà
detektory i doczekamy si´ pierwszych
danych, których waga zapewne zmniej-
szy liczb´ dopuszczalnych mo˝liwoÊci.

Trasa z tunelu nurkuje pod szeregiem

stojaków z kablami do ogromnego de-

tektora STAR – zespo∏u
koncentrycznych walców z
osià na linii wiàzki. G∏ówny
instrument – wielkie sre-
brzyste urzàdzenie z opada-
jàcymi wstà˝kami drutów –
b´dzie mierzyç tor ka˝dej

wchodzàcej czàstki na∏adowanej w
trzech wymiarach i dostatecznie szyb-
ko czyÊciç swojà pami´ç, by zarejestro-
waç szczegó∏y ka˝dego z tysiàca zde-
rzeƒ na sekund´. Walec ten otaczajà
inne uk∏ady, m.in. kalorymetr do po-
miaru energii ka˝dej czàstki.

Charakterystycznà cechà detektora

STAR jest uniwersalnoÊç. Mo˝e mierzyç
p´d, energi´ i inne w∏asnoÊci 6 tys. spo-
Êród 10 tys. wyprodukowanych czàstek,
na ogó∏ pionów. (Pozosta∏e wytworzo-
ne czàstki b´dà poruszaç si´ bardzo bli-
sko linii wiàzki.) Pozwoli to naukow-
com zmierzyç takie w∏asnoÊci, jak tem-
peratura i g´stoÊç energii ognistej kuli.
Wpatrujàc si´ w komputerowy model,
przedstawiajàcy gmatwanin´ torów –
lub „skrzyp”, jak woli Hallman – przy-
znaj´, ˝e mo˝liwoÊci tego urzàdzenia sà
wprost niewiarygodne.

Jeszcze pot´˝niejszym detektorem jest

PHENIX, nazwany tak, gdy˝ powsta∏
z „popio∏ów” trzech innych urzàdzeƒ,
które nigdy nie ujrza∏y Êwiat∏a dzien-
nego z braku pieni´dzy i pracowników.
PHENIX ma ciemny kad∏ub, si´gajàcy
na 12.2 m, i jeÊli przypomina jakiegoÊ
ptaka, to raczej s´pa (naukowcy z RHIC
opowiadajà si´ za kondorem). Jego
„skrzyd∏a”, rozpostarte w kierunku linii
wiàzek, zosta∏y zaprojektowane w celu
rejestrowania mionów.

Rozmiary PHENIX-a wynikajà z jego

zadania, które polega na wyszukiwaniu
i identyfikacji lekkich czàstek. Na przy-
k∏ad p´d elektronu wyznaczany jest na
podstawie zakrzywienia jego toru w sil-
nym polu magnetycznym. Identyfikuje
si´ elektron dzi´ki charakterystycznemu
pierÊcieniowi emitowanych przez niego
fotonów, tzw. promieniowaniu Czeren-
kowa. Dok∏adnoÊci pomiaru p´du i iden-
tyfikacji zale˝à od d∏ugoÊci drogi, na któ-
rej prowadzi si´ pomiar. Oczekuje si´, ˝e
PHENIX pozwoli przede wszystkim
ustaliç, czy wytwarzane elektrony i mio-
ny pochodzà z mezonów o masach ni˝-
szych ni˝ nominalne.

Trwajà te˝ prace nad dwoma mniej-

szymi detektorami. BRAHMS sprawdzi,
ile nukleonów pozostaje prawie nie
wzbudzonych przez zderzenie. W od-
ró˝nieniu od niego PHOBOS b´dzie ∏a-
pa∏ czàstki wyemitowane we wszystkich
kierunkach, a w szczególnoÊci te o ener-
gii zbyt niskiej, by zdo∏a∏y dotrzeç do
wielkich detektorów. Projekt zderzacza
przewiduje miejsce dla jeszcze dwu de-
tektorów. „Plan jednego z nich ju˝ ma-
my – mówi Thomas Ludlam, wicedy-
rektor projektu RHIC. – Z drugà loka-
lizacjà czekamy na dobry pomys∏.”

Wst´pny cykl pracy RHIC przewi-

dziano na czerwiec, po czym akcelerator
przeciwbie˝nych wiàzek zostanie za-

38 Â

WIAT

AUKI

Maj 1999

DETEKTOR STAR

(poni˝ej) w

centralnej cz´Êci b´dzie mierzy∏
tory tysi´cy czàstek wytwarza-
nych w zderzeniu i wyzna-
cza∏ ich energi´ oraz p´d. (We-
wn´trzna elektronika nie zo-
sta∏a uwidoczniona na tej fo-
tografii.) Modelowanie

(z le-

wej) torów zarejestrowanych w
centralnej komorze „projekcji
czasowej” ukazuje z∏o˝onoÊç
zagadnienia.

MATT BLOOMER

STAR Collaboration

BROOKHAVEN NATIONAL LABORATORY

trzymany w celu dopracowania detek-
torów i usuni´cia wszelkich usterek, któ-
re mog∏yby si´ wtedy ujawniç. W listo-
padzie eksperymenty rozpocznà si´ na
dobre. WszechstronnoÊç RHIC zapew-
ne pozwoli rozwik∏aç wiele aspektów
zderzenia, nawet jeÊli nie wyeliminuje
wszystkich niepewnoÊci teoretycznych.
Na przyk∏ad operatorzy mogà stopnio-
wo zwi´kszaç energi´ wiàzki z∏ota i po-
szukiwaç charakterystycznej zmiany.
JeÊli, powiedzmy, liczba produkowa-
nych czàstek si´ podwoi, poczàwszy od
jakiejÊ progowej wartoÊci energii, b´-
dzie to sygna∏ gwa∏townej zmiany za-
chowania kwarków i gluonów. W naj-
lepszym z mo˝liwych scenariuszy je-
dnoczeÊnie pojawi si´ wiele sygna∏ów
wskazujàcych na powstanie plazmy
kwarkowo-gluonowej.

Naukowcy b´dà te˝ mogli zmieniaç

rozmiar jàder tworzàcych wiàzk´, na
przyk∏ad zast´pujàc z∏oto siarkà. JeÊli
zaobserwowany próg nie pojawi∏by si´
w zderzeniach jàder siarki, Êwiadczy∏o-
by to o istnieniu jakichÊ nowych zjawisk
fizycznych w zderzeniach jàder z∏ota;
siarka nie jest wystarczajàco ci´˝ka, by
powsta∏a plazma. Dodatkowych wska-
zówek dostarczà przypadki peryferyj-
nych, a nie czo∏owych, zderzeƒ jàder.

„G∏´boko wierz´ w pomys∏owoÊç do-

Êwiadczalników” – podkreÊla Wilczek.
Pracowicie zmieniajàc parametry, na

pewno zdo∏ajà wypracowaç obraz ogni-
stych kul z ca∏ego zakresu, a nie tylko
tej jednej wymagajàcej istnienia plazmy
kwarkowo-gluonowej. W ka˝dym razie
do tego powinni dà˝yç. „Istota ludzka
ma wiele charakterystycznych cech:
oczy, usta, stopy. JeÊli sprowadzimy
wszystko do kuli o masie 100 kg, z pew-
noÊcià nie b´dzie to wierny opis” – twier-
dzi Stöcker. Kto wie, jakie mnóstwo fa-
scynujàcych zjawisk mo˝emy odkryç,
nawet niewyobra˝alnych dla teorety-
ków. Z pewnoÊcià niektóre z nich przy-
bli˝à goràce narodziny WszechÊwiata
troch´ bardziej do ludzkiego zasi´gu.

Na powierzchni dzieƒ jest pochmur-

ny i zimny, a nieprzyjemny wiatr zapo-
wiada burz´ Ênie˝nà. Zwa∏y piasku
i ziemi wznoszà si´ w oddali w for-
mie ∏uku, ukazujàc zarys wijàcego
si´ pod spodem tunelu. Wszystko,
co widaç, zbudowane jest z kwar-
ków i gluonów, znajdujàcych si´
w ich zwyk∏ych miejscach, czyli
bezpiecznie schowanych w pro-
tonach i neutronach.

T∏umaczy∏a

Agnieszka Zalewska

OD T¸UMACZKI:

Pragn´ poinformowaç polskich czytelników,
˝e badania wysokoenergetycznych zderzeƒ
jàder majà w Polsce pi´knà tradycj´, si´ga-
jàcà lat szeÊçdziesiàtych, kiedy to profe-
sor Marian Mi´sowicz i jego grupa

z Instytutu Fizyki Jàdrowej w Krakowie po-
szukiwali takich przypadków w oddzia∏y-
waniach promieni kosmicznych. Obecnie
dwie grupy polskich fizyków: warszawska
z Instytutu Fizyki DoÊwiadczalnej UW i z In-
stytutu Problemów Jàdrowych oraz krakow-
ska z Instytutu Fizyki Jàdrowej biorà udzia∏
w eksperymencie NA49 prowadzonym
w Europejskim Laboratorium Fizyki Czàstek
CERN pod Genewà, a tak˝e (w nieco zmie-
nionym sk∏adzie) w przygotowaniach do eks-
perymentu ALICE na budowanym tam akce-
leratorze LHC. Polscy naukowcy uczestniczà
równie˝ w pracach nad opisanymi w tym ar-
tykule projektami RHIC: grupa z Instytutu
Fizyki Jàdrowej w eksperymencie PHOBOS,
a grupa z Instytutu Fizyki UJ – w ekspery-
mencie BRAHMS.

BRAHMS

PHOBOS

PHENIX

STAR

SYNCHROTRON

O PRZEMIENNYM

GRADIENCIE

èRÓD¸O
JONÓW

AKCELERATOR

WST¢PNEGO PRZYSPIESZANIA

LINIE WIÑZEK

Relatywistyczny zderzacz

ci´˝kich jonów

HIC pozwoli zderzaç ze sobà jàdra poruszajàce si´ niemal
z pr´dkoÊcià Êwiat∏a, dzi´ki czemu mo˝na b´dzie zbadaç, jak

zachowuje si´ subjàdrowa materia w wysokiej temperaturze i g´-
stoÊci. Atomy, cz´Êciowo odarte ze swoich elektronów w êródle jo-
nów, pow´drujà do akceleratora wst´pnego przyspieszania
(boostera), gdzie uzyskajà niewielkà energi´. Na wyjÊciu z niego
b´dà ju˝ zupe∏nie pozbawione elektronów; otrzymane w ten spo-
sób jàdra przyspieszy si´ nast´pnie do energii 10.8 GeV na pro-
ton lub neutron w synchrotronie o przemiennym gradiencie i z ko-
lei wstrzyknie do zderzacza. P´czki jàder krà˝àce w przeciwnych
kierunkach w dwóch rurach do prowadzenia wiàzek b´dà przy-
spieszane do maksymalnej energii 100 GeV na proton lub neutron,
po czym zderzà si´ w miejscach, gdzie umieszczone zosta∏y de-
tektory – obecnie sà to PHENIX, STAR, BRAHMS i PHOBOS.

Biuro Nauki amerykaƒskiego Departa-

mentu Energii wy∏o˝y∏o 365 mln dolarów
na budow´ zderzacza. Detektory, których
∏àczny koszt przekracza 200 mln dolarów,
powstajà mi´dzynarodowym sumptem. Sà
finansowane przez USA, Japoni´, Rosj´
i wiele innych paƒstw. Japonia uczestni-
czy te˝ w oddzielnym programie RHIC,
poÊwi´conym badaniu pochodzenia spi-
nu protonu, wspó∏finansuje równie˝ insty-
tut teorii oraz budow´ superkomputera
w Brookhaven.

„NARODZINAMI” nazwa-

li naukowcy z RHIC przy-

lot komory projekcji cza-

sowej detektora STAR

z Lawrence Berkeley

National Laboratory

w Kalifornii.

BROOKHAVEN NATIONAL LABORATORY

BRYAN CHRISTIE