60 lat fizyki hiperjąder Hiperjądra to struktury jądrowe w skład których, poza protonami I neutronami, wchodzą hiperony. Odkrycie hiperjąder miało miejsce w 1952 roku, 60 lat temu, w Warszawie. Wówczas nie było jeszcze dużych akceleratorów i jedynym źródłem cząstek wysokich energii było promieniowanie kosmiczne. Dygresja: w tym roku obchodzimy 100 rocznicę odkrycia promieni kosmicznych przez austriackiego fizyka Victora Hessa (eksperyment przy użyciu balonu w 1912 r., Nagroda Nobla w 1936 r.)

Promieniowanie kosmiczne składa się głównie z protonów, z niewielką domieszką cięższych jąder. Przechodząc przez atmosferę cząstki promieniowania kosmicznego oddziałują z jądrami atomów powietrza i do powierzchni Ziemi dochodzą tylko cząstki wtórne z tych oddziaływań, o znacznie zredukowanej energii. Aby rejestrować oddziaływania pierwotnych cząstek kosmicznych wysyłano balonem do stratosfery wielowarstwowe bloki emulsji fotograficznej, po powrocie bloku na Ziemię rozdzielano warstwy emusji, wywoływano i przeszukiwano pod mikroskopem. W prowadzeniu takich badań specjalizowało się laboratorium prof. Powella w Bristolu (Anglia). Tam odkryto w 1947 roku mezon π, prof. Powell otrzymał za to odkrycie Nagrodę Nobla w 1950 r.

Marian Danysz i Jerzy Pniewski pracowali przez kilka lat w laboratorium prof. Powella, przywieźli stamtąd do Warszawy klisze naświetlone w balonowym locie stratosferycznym i rozpoczęli ich przeglądanie. Natrafili na przypadek, który wydał im się dziwny. Zinterpretowali ten przypadek jako wytworzenie jądra zawierającego hiperon Λ (w pierwszym wierzchołku) i jego rozpad w drugim wierzchołku.

Kartka pocztowa wydana w 1993 r. z okazji 40 rocznicy odkrycie hiperjąder Publikacja Danysza i Pniewskiego ukazała sie w Philosophical Magazine, prestiżowym wówczas czasopismie wychodzącym w Anglii, w 1953 r..

Poszukiwanie hiperjąder w kliszach naświetlonych promieniami kosmicznymi było trudne i mało wydajne. W latach 1960-ych uruchomiono pierwsze duże akceleratory cząstek, dostarczające wiązek mezonów π i mezonów K. Dla wytwarzania hiperjąder najodpowiedniejsze były wiązki mezonów K- ponieważ mezon K- jest cząstką obdarzoną dziwnością taką jak hiperon Λ ( S = -1) i zatem można było spodziewać się dużego prawdopodobieństwa wytworzenia hiperjąder w reakcji K- + A Z --> A Λ Z + π- (procesem elementarnym jest tutaj zamiana jednego z nukleonów jądra w hiperon Λ, który pozostaje w jądrze tworząc hiperjądro).

W kliszach naświetlonych wiązką mezonów K- można było rozpocząc systematyczne badania hiperjąder, wyznaczanie ich energii wiązania i stosunków rozpadu. Hiperjądra mogą rozpadać się mezonowo lub niemezonowo

a – π b – 4 He (do tyłu) c – proton X – punkt rozpadu Mezonowy rozpad hiperjądra Niemezonowy rozpad hiperjądra f w punkcie B

Energia wiązania hiperjąder Najważniejsze źródło wiedzy o siłach oddziaływania Λ-N m Λ – masa Λ m C – masa rdzenia izotopu m i – masa i-tej cząstki emitowanej w rozpadzie hiperjądra T i – energia kinetyczna i-tej cząstki

Wyniki z eksperymentów emulsyjnych Dla normalnych jąder energia wiązania wynosi od 8.5 Mev/n (jądra średnio-ciężkie) do 7.6 MeV/n (jądra ciężkie, np. uran).

Energia wiązania hiperonu Λ w jądrze wzrasta z masą jądra

Spektroskopia hiperjąder Już we wczesnych eksperymentach emulsyjnych z wiązką K- wykryto stan wzbudzony hiperjądra węgla-12. W latach 1970-ych Współpraca CERN-Heidelberg-Warszawa (prof. Pniewski i jego współpracownicy) zastosowali licznikowy układ spektroskopowy do badania reakcji K- + Z --> π- + Λ Z czyli procesu (K-, π-) Wykryto stany wzbudzone hiperjąder O(16), S(32), Ca(40), dla hiperjąder tlenu dwa stany wzbudzone. W latach 1980-ych na synchrotronie AGS w Brookhaven badano hiperjądra produkowane w reakcji (π+, K+). W latach 1990-ych podobny eksperyment na synchrotronie KEK w Japonii. Zastosowano spektrometr magnetyczny SKS (Superconducting Kaon Spectrometer), zapewniający zdolność rozdzielczą < 2 MeV. Separowana wiązka π+ ~ 1 GeV/c, reakcja (π+, K+).

Takie widma pozwalają na prowadzenie rachunków przy użyciu modelu powłokowego, przewidując liczby kwantowe i wyznaczając położenie poszczególnych poziomów. B = 3 T Detektory: komory dryfowe i liczniki Czerenkowa

Hiperjądra podwójne Pierwszy przypadek podwójnego hiperjądra znaleziono w Warszawie w 1962 r. Jest to prawdopodobnie jądro berylu10 zawierające dwa hiperony Λ Drugi przypadek podwójnego hiperjądra znaleziono w Berkeley Obecnie znamy sześć przypadków podwójnych hiperjąder.

Hiperjądra podwójne dają unikalną możliwość oszacowania oddziaływania Λ-Λ. Okazuje się, że jest ono przyciągajace. Nowe nadzieje w tym zakresie stwarza femtoskopia hiperonów Λ t.j. badanie korelacji w parach Λ-Λ o bliskich pędach.

Czas życia hiperjąder Dla lekkich hiperjąder już we wczesnych eksperymentach szacowano czasy życia, które okazały się bliskie czasowi życia swobodnego hiperonu. Ciekawe dane wniosły eksperymenty z relatywistycznymi hiperjądrami. Dwaj fizycy z ZIBJ w Dubnej, E.O. Okonow i M.I. Podgoretskii zasugerowali, że korzystnie było by wytworzyc hiperjądra o dużej energii (relatywistyczne) - wtedy ich droga w detektorze będzie dłuższa i można będzie zmierzyć ich czas życia i stosunki rozpadu. Takie hiperjądra mogą powstawać w wiązce relatywistycznych jąder. Eksperymenty w Dubnej i w Berkeley.

LBL 2.1 A GeV 16 O+CH 2 22 przypadki ZIBJ 3.7 A GeV 4 He+CH 2 18 przypadków 18 przypadków Detektorem hiperjąder była w obu przypadkach komora strimerowa z rejestracją fotograficzną

W takim procesie powstaje relatywistyczne hiperjądro

Zestawienie czasów życia dla lekkich hiperjąder. Zaznaczone wyniki z eksperymentów z relatywistycznymi hiperjądrami

Zestawienie czasów życia znanych hiperjąder w stosunku do czasu życia swobodnego hiperonu Λ. Widać, że dla cięższych hiperjąder czas życia jest krótszy. Jest to głównie wynikiem dodatkowych (niemezonowych) kanałów rozpadu.

Pomiar czasu życia ciężkich hiperjąder Lata 1980-e : eksperyment na LEAR (Low Energy Antiproton Ring) w CERN-ie Powolne antyprotony (p = 105 MeV/c) anihilują w cienkiej tarczy Bi, U. Następuje induced fission, produkowane są także hiperjądra, w których obserwuje się delayed fission. Produkty rozszczepienia rejestrowane są w detektorach pozycyjnych PPAC (Parallel Plate Avalanche Chambers), rejestrowany jest także mezon K+ z pierwotnej reakcji produkcji hiperonu Λ.

Lata 1990-e: eksperyment na synchrotronie protonowym COSY (Cooler Synchrotron) w Jűlich, z udziałem fizyków krakowskich. Podobna geometria eksperymentu, MWPC (Multiwire Proportional Chambers) zamiast PPAC jako detektory produktów rozszczepienia. Ciekawa metoda eliminacji tła: akcelerator pracował przemiennie z energią 1 GeV (poniżej progu produkcji Λ, a więc i tworzenia hiperjąder) i z energią 1.9 GeV (powyżej tego progu). Ta możliwość stanowi zaletę w stosunku do eksperymentu z antyprotonami, w którym nie można wyłączyć produkcji hiperjąder. Tło jest duże: w warunkach tego eksperymentu obserwuje się jedno hiperjądro na 36,000 protonów oddziałujących w tarczy. Uzyskany czas życia dla hiperjądra uranu: τ = 138 +/- 6 (stat.) +/- 17 (syst.) ps czyli prawie dokładnie dwukrotnie krótszy od czasu życia swobodnego hiperonu Λ, który wynosi 263 ps.

Dedykowany eksperyment hiperjądrowy FINUDA w laboratorium Frascati we Włoszech. Eksperyment ten uruchomiono 10 lat temu, a więc 50 lat po odkryciu hiperjąder, i ostatnio zakończono. Laboratorium Frascati posiada zderzacz przeciwbieżnych wiązek elektron – pozyton DAΦNE. Do produkcji hiperjąder wykorzystano mezony K wytworzone w procesie e - (510 MeV) + e+ (510 MeV) --> mezon Φ (1020 MeV) --> K+ K- (50%) Ten proces można nazwać fabryką mezonów Φ. Częstość 440 /s. Mezony Φ produkowane są praktycznie w spoczynku, ich rozpad daje 220 par K+K- na sekundę o energii ok. 16 MeV. W eksperymencie FINUDA wytworzono ok. 40 różnych hiperjąder. Najnowszy eksperyment hiperjądrowy (lata 2000)

Tarcze: 2x 6 Li 1x 7 Li 3x 12 C 1x 27 Al 1x 51 V L = 2 m, Φ = 1 m, B = 1.1 T

Projekt HypHI (GSI Darmstadt) dla FAIR Eksperyment z wykorzystaniem wiązek ciężkich jonów o energii ok. 2 A GeV Możliwość wykorzystania wiązek rzadkich izotopów. Spektrometr Spektrometr magnetyczny

Wykres Z – N - S

– Ndlahiperjąder Wykres Z – N dla hiperjąder

Lekkie hiperjądra i anty-hiperjądra na wielkich zderzaczach jąder Na zderzaczach RHIC (Brookhaven, USA) i LHC (CERN) zaobserwowano już lekkie hiperjądra i anty-hiperjądra powstające przez koalescencję w centralnym obszarze kinematycznym. Najlżejsze anty-hiperjądro to anty-hipertryt składający się z antyprotonu, antyneutronu i antylambdy. Produktami jego rozpadu będzie anty-jądro helu -3 i mezon π+ To nowe i interesujące pole badań.

Obserwacja hiperjądra hipertrytu w eksperymencie ALICE w zderzeniach jąder Pb + Pb przy energii 2.76 TeV w układzie c.m. (wstępny wynik przedstawiony na konferencji w Krakowie w 2011 r.) Przykład wyników

Dziękuję za uwagę !