Twoja wyszukiwarka

JANUSZ ZAKRZEWSKI
ODKRYCIE HIPERJĄDER
Wiedza i Życie nr 2/1996
Artykuł pochodzi z "Wiedzy i Życia" nr 2/1996

Instytut Fizyki Doświadczalnej Uniwersytetu Warszawskiego obchodziswoje 75-lecie. W poprzednim numerzeprzedstawiliśmy jego historię,dziś rozpoczynamy cykl artykułów, w których pokażemy najważniejsze jego dokonania. Jednymz najdonioślejszych sukcesówpolskich fizyków z Instytutu"na Hożej"było odkrycie hiperjąder. Zapoczątkowało ono w ośrodku warszawskim badaniaeksperymentalne w tej dziedzinie, rozwijające się z powodzeniempo dziś dzień.

"Dziwna" materia jądrowa
Hiperony przyciągają się

Mikrofotografiapierwszego hiperjądra

Zapewne wszyscy pamiętają ze szkoły, że atom - podstawowy budulec materii - nie jest obiektem elementarnym, lecz ma strukturę złożoną. Składa się z ujemnie naładowanych elektronów na powłokach atomowych oraz dodatnio naładowanego jądra, które skupia prawie całą masę atomu i ma rozmiary około dziesięć tysięcy razy od niego mniejsze.

Jądro atomowe też ma jednak strukturę złożoną! "Normalne" jądro składa się z dodatnio naładowanych protonów i neutralnych elektrycznie neutronów, zwanych łącznie nukleonami, związanych siłami jądrowymi (silnymi). Być może niektórzy Czytelnicy wiedzą też, że i nukleony nie są "elementarne", lecz składają się z obiektów bez struktury wewnętrznej (jak się nam dziś wydaje), o rozmiarach około tysiąc razy mniejszych od nukleonów. Obiekty te nazywamy kwarkami. Znamy dziś sześć kwarków, należących do trzech rodzin. Nukleony zbudowane są z kwarków przypisanych - wraz z elektronem i neutrinem elektronowym - do pierwszej rodziny i oznaczonych literami u i d (od słów angielskich up i down). Na przykład proton składa się z dwóch kwarków u i jednego kwarka d (tak zwanych kwarków walencyjnych): [uud], a neutron z dwóch kwarków d i jednego u: [udd]. Kwarki wiążą się w struktury - nukleony i mezony - za pomocą fundamentalnego oddziaływania silnego przenoszonego przez tzw. gluony. Badanie struktury nukleonów jest dziś najważniejszym zadaniem jakie starają się rozwiązać fizycy wielkich energii, również na Hożej. Mimo że jest to temat pasjonujący, nie będziemy się nim zajmować w dalszym ciągu artykułu, lecz wrócimy do zagadnienia budowy jądra atomowego.

Przy rozważaniu jego budowy pojawia się naturalne pytanie, czy tylko nukleony mogą być jego składnikami? Wszak znamy wiele cząstek elementarnych: może niektóre z nich wchodzą w skład jąder atomowych? Pozytywnej odpowiedzi na to pytanie udzielili ponad 40 lat temu dwaj polscy uczeni z Instytutu Fizyki Doświadczalnej Uniwersytetu Warszawskiego, profesorowie Marian Danysz i Jerzy Pniewski (na zdjęciu u góry). Odkrycie, którego dokonali w 1952 roku na Hożej, stanowiło zasadnicze rozszerzenie pojęcia materii jądrowej i wpisało na zawsze ich nazwiska w historię fizyki, a stworzony przez nich nowy dział badań stał się na wiele lat specjalnością fizyków warszawskich.

Odkrywcy hiperjąder - Jerzy Pniewski (z lewej) i Marian Danysz; zdjęcie z 1963 roku

Przypomnijmy jednak wpierw krajobraz fizyki na przełomie lat czterdziestych i pięćdziesiątych. Był to okres wielkich odkryć w nowo narodzonej dziedzinie badawczej - fizyce cząstek elementarnych. W 1947 roku fizyk brytyjski C. F. Powell odkrył w Bristolu, w Anglii, przy użyciu emulsji fotograficznych naświetlanych promieniowaniem kosmicznym, mezon p - nośnik oddziaływań jądrowych, od dawna przewidziany teoretycznie przez fizyka japońskiego H. Yukawę (za co obaj otrzymali Nagrodę Nobla - Powell w 1950, a Yukawa - w 1949 roku). W tym samym 1947 roku G.D. Rochester i C. C. Butler zaobserwowali w oddziaływaniu promieniowania kosmicznego (przy użyciu komory Wilsona) nowe cząstki o tak niezwykłych własnościach, że nazwano je cząstkami dziwnymi. Powstawały one zawsze łącznie - parami - w zderzeniach jądrowych (a więc w oddziaływaniu silnym), natomiast rozpadały się na nukleony i mezony p w oddziaływaniu słabym, podobnym do dobrze znanego rozpadu beta. Te z nich, które rozpadały się na nukleon i mezon p nazwano wkrótce hiperonami. I właśnie jedna z tych dziwnych cząstek - hiperon neutralny, oznaczony grecką literą L, odegra kluczową rolę w odkryciu Danysza i Pniewskiego.

ODKRYCIE PIERWSZEGO HIPERJĄDRA

Jak już wspomniałem, głównym źródłem informacji o nowych cząstkach były w tym czasie obserwacje promieni kosmicznych; ich oddziaływania rejestrowano w emulsjach fotograficznych wysyłanych na duże wysokości za pomocą balonów. Wywołane emulsje obserwowano pod mikroskopem przy dużym powiększeniu. Tak naświetloną emulsję przywiózł w 1952 roku do Warszawy Marian Danysz wracający z dłuższego pobytu u Powella w Bristolu, z najważniejszego wówczas ośrodka badawczego fizyki cząstek elementarnych. Danysz postanowił stworzyć w Warszawie zespół mający zająć się badaniami w dziedzinie cząstek elementarnych. Do współpracy namówił Jerzego Pniewskiego, z którym zaprzyjaźnił się podczas ich pobytu w Anglii (Pniewski przebywał w Liverpoolu prowadząc prace z zakresu spektroskopii beta - do Polski wrócił w 1950 roku). Ich współpraca doprowadziła wkrótce do największego odkrycia w powojennej fizyce polskiej. Jak do niego doszło?

Pod koniec 1952 roku, przeglądając pod mikroskopem przywiezioną z Bristolu emulsję, Danysz zaobserwował zaskakujący przypadek: dwie "gwiazdy" połączone grubym torem ("gwiazdą" nazywano zarejestrowaną w emulsji fotograficznej eksplozję jądra). Wraz z Pniewskim przystąpili do analizy tego przypadku (zdjęcie na s. 36), proponując wkrótce interpretację, zgodnie z którą wytworzony w pierwszej gwieździe (A) hiperon ulega związaniu za pomocą silnego oddziaływania we fragmencie jądrowym znaczącym swój ślad w emulsji jako gruby tor (f). Fragment ten jest nietrwały i rozpada się w oddziaływaniu słabym, co zostało zarejestrowane w postaci drugiej gwiazdy (B). Nasza interpretacja czyniła właściwie tę cząstkę trzecim składnikiem jądra atomowego, obok protonu i neutronu - napisał później Pniewski w swoich Wspomnieniach autobiograficznych. Bardzo szybko okazało się, że proponowana interpretacja istotnie jest poprawna - świadczyły o tym liczne obserwacje podobnych przypadków w emulsjach jądrowych.

Fragment jądrowy zawierający związany hiperon L nazywa się hiperfragmentem albo hiperjądrem. Najlżejszym hiperjądrem okazał się wkrótce hiperwodór 3, składający się z protonu, neutronu i hiperonu L, rozpadający się w oddziaływaniu słabym z emisją mezonu p ze średnim czasem życia porównywalnym do średniego czasu życia swobodnego hiperonu (około 0.26 ns). Rozpad mezonowy jest więc swoistym pionowym procesem promieniotwórczym (w rozpadzie niemezonowym, takim jak w przypadku pierwszego hiperjądra, proces zachodzi bez emisji mezonu p).

Wkrótce po odkryciu pierwszego hiperjądra wokół Mariana Danysza zgromadziło się grono młodszych współpracowników i studentów zafascynowanych nowym zjawiskiem oraz osobowościami jego odkrywców. Należeli do niego, między innymi, dzisiejsi profesorowie Uniwersytetu Warszawskiego: Ewa Skrzypczakowa, Andrzej K. Wróblewski (późniejszy rektor tej uczelni) i autor tego artykułu, a także - Instytutu Problemów Jądrowych: Ryszard Sosnowski i zmarły przed kilku laty Przemysław Zieliński. Chociaż większość z nas po kilku latach zajęła się inną tematyką (autor tych słów najpóźniej, bo dopiero z początkiem lat siedemdziesiątych), jednak badanie hiperjąder stanowiło ważny etap w naszym życiu naukowym. Tylko Jerzy Pniewski, który do aktywnej pracy naukowej powrócił w 1958 roku, po kilku latach intensywnej pracy organizacyjnej (kierował Instytutem po nagłej śmierci Stefana Pieńkowskiego w 1953 roku), fizyce hiperjądrowej pozostał wierny do końca swego życia.

W drugiej połowie lat pięćdziesiątych, znacznie obfitszym niż promieniowanie kosmiczne źródłem stały się oddziaływania w emulsji jądrowej ujemnych mezonów K wytwarzanych w akceleratorach. W odróżnieniu od mezonów p, złożonych ze "zwykłych" kwarków i antykwarków u oraz d, mezony K były "dziwne" - zawierały jako składnik kwark dziwny s. W silnym oddziaływaniu z nukleonami jąder atomowych emulsji, ujemne mezony K przekazywały im dziwny kwark, tworząc hiperon L, wiązany niekiedy (w kilku procentach przypadków) w lekkim fragmencie jądrowym. Częściej jednak hiperony L - po wytworzeniu - uciekały z jądra i rozpadały się w emulsji na proton i ujemny mezon p: Marian Danysz z gronem uczniów wyznaczył w 1959 roku (najdokładniej w tym czasie) masę hiperonu L (około 16% wiekszą od masy nukleonu).

Pisał w swych Wspomnieniach autobiograficznych Jerzy Pniewski: Hiperjądra odkrywane w latach pięćdziesiątych należały do lekkich, podczas gdy ciężkich na razie nie można było obserwować bezpośrednio. Jednak Janusz Zakrzewski, w czasie pobytu w Bristolu wskazał właściwą drogę do ich wykrycia i wraz z kolegami z tamtego ośrodka istotnie je zaobserwował. W latach sześćdziesiątych cały cykl prac z tej dziedziny został podjęty w Warszawie w ramach Europejskiej Współpracy K.

Odkrycie ciężkich hiperjąder w 1962 roku pozwoliło wyznaczyć głębokość jamy potencjalnej hiperonu L w materii jądrowej - podstawowy parametr w opisie teoretycznym hiperjąder. W tym samym roku Jerzy Pniewski i Marian Danysz wysunęli hipotezę izomerii hiperjądrowej, to jest istnienia długożyciowych stanów wzbudzonych hiperjąder, rozpadających się w oddziaływaniu słabym i dali pierwszy eksperymetalny przykład hiperizomeru (hiperhel 7). Odkrycie to stanowiło początek spektroskopii hiperjądrowej, to znaczy badania hiperjąder w stanach wzbudzonych. Dotychczasowe obserwacje dotyczyły bowiem tylko hiperjąder rozpadających się w stanach podstawowych.

Po powrocie autora tego artykułu w 1961 roku do Warszawy z dłuższego pobytu u Powella w Bristolu, ośrodek warszawski włączył się do prac prowadzonych przez wspomnianą Europejską Współpracę K obejmującą wiele ośrodków w Europie. W ich wyniku wyznaczono z dużą dokładnością i dla szeregu lekkich hiperjąder wielkość charakterystyczną dla hiperjądra, jaką jest energia wiązania w nim hiperonu L.

Pod koniec lat sześćdziesiątych Pniewski rozpoczął, wraz z młodymi współpracownikami z Warszawy, serię eksperymentów ze spektroskopii hiperjądrowej prowadzonych techniką licznikową, poszukując przejść elektromagnetycznych we wzbudzonych hiperjądrach. Razem z Henrykiem Piekarzem i Jadwigą Piekarz przeprowadzili pierwszy eksperyment w Zjednoczonym Instytucie Badań Jądrowych w Dubnej, a następnie wraz z fizykami z Heidelbergu kontynuowali go w Europejskiej Organizacji Badań Jądrowych CERN w Genewie. Ten niezmiernie ważny eksperyment, zakończony w 1971 roku, doprowadził do zaobserwowania fotonów gamma powstających w przejściach elektromagnetycznych w hiperwodorze 4 i hiperhelu 4. Dalsze prace w tej dziedzinie Pniewski kontynuował wraz z warszawskim zespołem i we współpracy z fizykami z Lyonu. Ostateczne wyniki uzyskane w 1979 roku, dały nowe, istotne informacje o oddziaływaniu spinowym hiperonu z nukleonami.

HIPERJĄDRA PODWÓJNE

Badanie hiperjąder z jednym związanym hiperonem L spowodowało wysunięcie naturalnego pytania o możliwość istnienia hiperjąder zawierających dwa takie hiperony, nazwanych hiperjądrami dwulambdowymi albo podwójnymi. Pierwsze takie hiperjądro zostało zidentyfikowane w 1962 roku, ponownie w Instytucie Fizyki Doświadczalnej UW. Podczas przeglądu emulsji fotograficznych naświetlonych w CERN wiązką ujemnych mezonów K, zaobserwowano niezwykły przypadek o bardzo złożonej strukturze (szkic powyżej). Z gwiazdy (A), wywołanej oddziaływaniem ujemnego mezonu K z jądrem emulsji, wybiegał tor cząstki pojedynczo naładowanej, dochodzący do nałożonych na siebie w bardzo małej objętości (30 mikrometrów sześciennych) kilku gwiazd (B, C, D). Spośród torów wybiegających z tego kłębowiska obserwowanego pod mikroskopem, dwa pochodziły od ujemnych mezonów p. Autor niniejszego artykułu przyczynił się do prawidłowej interpretacji tego przypadku jako kaskadowego rozpadu hiperjądra podwójnego (C, D) spowodowanego wychwytem ujemnego hiperonu X (B) wytworzonego w oddziaływaniu ujemnego mezonu K (A).

Pierwsze hiperjądro podwójne (szkic)

Intensywne, niezmiernie czasochłonne poszukiwania dalszych przypadków hiperjąder podwójnych rozpadających się mezonowo (tylko takie można identyfikować jednoznacznie), prowadzone przez Europejską Współpracę K z udziałem ośrodka warszawskiego, nie zostały uwieńczone powodzeniem. Dopiero po kilku latach, w 1966 roku, opublikowano informację o obserwacji w ośrodku amerykańskim drugiego przypadku hiperjądra podwójnego (podwójny hiperhel 6), wytworzonego w emulsji przez ujemne mezony K z akceleratora w Brookhaven.

Przez prawie trzydzieści następnych lat były to jedyne jednoznacznie zidentyfikowane przypadki produkcji i rozpadu hiperjąder podwójnych. W tej sytuacji jedyną nadzieją na znalezienie dalszych przypadków hiperjąder podwójnych stały się eksperymenty hybrydowe, łączące technikę emulsji fotograficznych z techniką liczników elektronicznych, umożliwiającą wybór rzadkich przypadków o określonej charakterystyce.

Pierwszy, uwieńczony sukcesem, emulsyjno-licznikowy eksperyment hybrydowy przeprowadzono w 1991 roku w Tokio, przy akceleratorze KEK. Najważniejszym wynikiem była wtedy obserwacja (po trzydziestu latach od odkrycia!) następnego, jednoznacznie zidentyfikowanego hiperjądra podwójnego: podwójnego hiperboru 13. Wartości uzyskanych z analizy parametrów charakterystycznych są w pełni zgodne z wartościami dla poprzednich dwóch hiperjąder podwójnych. Badania hiperjąder "podwójnie dziwnych", o dwóch związanych hiperonach L, a więc zawierających dwa kwarki dziwne s, są więc kontynuowane, choć już bez udziału ośrodka warszawskiego.

Pisał Andrzej K. Wróblewski w artykule "Fizyka wielkich energii w Polsce: pierwsze 50 lat": Chociaż bardzo trudno jest porównywać znaczenie różnych odkryć i to w różnych działach fizyki, to jednak można twierdzić, że odkrycie Danysza i Pniewskiego było najważniejszym w fizyce wysokich energii w Polsce, a może nawet w całej powojennej historii fizyki. Za tę pierwszą i dalsze prace na temat hiperjąder obaj odkrywcy byli wielokrotnie wysuwani do Nagrody Nobla z fizyki, niestety bez skutku.

Badania hiperjąder na Hożej przestano prowadzić wraz ze śmiercią Jerzego Pniewskiego w 1989 roku. Marian Danysz zmarł wcześniej, w 1983 roku. Fizyka hiperjądrowa jest jednak kontynuowana w Polsce przez ośrodek krakowski, gdzie Adam Strzałkowski ze współpracownikami zajmuje się własnościami ciężkich hiperjąder w eksperymencie licznikowym przy akceleratorze COSY w Juelich. Tak więc pozostaje ona nadal specjalnością fizyków polskich!

"DZIWNA" MATERIA JĄDROWA

Wiązanie hiperonu w jądrze atomowym pozwala mowić o materii hiperjądrowej, albo "dziwnej" materii jądrowej: wszak hiperon L jest cząstką dziwną! W języku teorii kwarków "dziwność" hiperonów przypisuje się ich składnikowi, kwarkowi dziwnemu oznaczonemu literą s (od angielskiego słowa strangeness - dziwność), należącemu do drugiej ze wspomnianych w artykule rodzin (wraz z kwarkiem powabnym c oraz mionem i neutrinem mionowym).

Na przykład hiperon L składa się z kwarków u, d i s. [uds]. Można więc też powiedzieć, że hiperjądro jest jądrem "dziwnym": w jego skład wchodzi - oprócz kwarków niedziwnych u i d - jeden kwark dziwny s.
Do początku artykułu...

HIPERONY PRZYCIĄGAJĄ SIĘ

Grupa warszawska analizująca pierwsze hiperjądro podwójne. Tyłem (od lewej): Marian Danysz, Jerzy Pniewski. Przodem (od lewej): Tadeusz Pniewski, Janusz Zakrzewski, Krzystyna Garbowska; zdjęcie z 1963 roku

Zakrzewski, pierwszy zwrócił uwagę na jeden z przypadków znalezionych przez nasz personel techniczny, sugerując, że może on być kandydatem na hiperjądro podwójne pisał Jerzy Pniewski w swoich Wspomnieniach autobiograficznych. Szczegółowa analiza, przeprowadzona przez zespół warszawski z udziałem Danysza i Pniewskiego, doprowadziła do wniosku, że mamy tu do czynienia z wytworzeniem (B) podwójnego hiperberylu 10, rozpadającego się (C) z emisją mezonu p na pojedynczy hiperberyl 9, który następnie rozpada się (D) - ponownie z emisją mezonu p - na dwie cząstki alfa i proton (szkic na s. 39). Dzięki temu, że rozpady obu hiperjąder mają charakter mezonowy, można je jednoznacznie zidentyfikować oraz wyznaczyć energię wiązania obu hiperonów L w dwulambdowym hiperberylu 10. Znając energię wiązania jednolambdowego hiperberylu 9 można dalej obliczyć przyczynek do energii wiązania pochodzący od wzajemnego oddziaływania dwóch hiperonów L, którego nie da się wyznaczyć w inny sposób. Wartość tego przyczynku świadczy, że oddziaływanie między dwoma hiperonami L ma charakter przyciągający. Jest to ważny parametr dla teorii wiązania hiperonów L w jądrach atomowych.
Do początku artykułu...

Zdjęcia: archiwum autora

Prof. dr hab.JANUSZ A. ZAKRZEWSKI pracuje w Instytucie Fizyki Doświadczalnej Uniwersytetu Warszawskiego.

O podobnych zagadnieniach przeczytasz w artykule:
75 lat fizyki na Hożej