Naukowcy z Wydziału Fizyki zbierają dane w eksperymencie mCBM w FAIR

Chromodynamika kwantowa (QCD) to teoria oddziaływań silnych, której podstawowymi stopniami swobody są kwarki jako oddziałujące ładunki kolorowe oraz gluony, które są nośnikiem tego oddziaływania. Ponieważ gluony niosą ładunek kolorowy, mogą również oddziaływać między sobą – w przeciwieństwie do teorii oddziaływań elektromagnetycznych (QED), w których nośniki oddziaływania, fotony, nie oddziałują pomiędzy sobą. Ta własność QCD sprawia, że materia silnie oddziałująca może zachowywać się w bardzo złożony sposób, a obliczenia, najczęściej numeryczne, w ramach tej teorii są niezwykle skomplikowane. Teoria QCD przewiduje istnienie wielu stanów silnie oddziałującej materii w zależności od jej temperatury i gęstości barionów. Te różne możliwe stany są przedstawiane na tak zwanym diagramie fazowym silnie oddziałującej materii.

Główną misją filaru eksperymentu Compressed Baryonic Matter (CBM) w FAIR jest zbadanie diagramu fazowego materii silnie oddziałującej w rejonie dużego chemicznego potencjału barionowego. Eksperyment CBM będzie pracował na wiązkach pochodzących z akceleratora SIS100 przyspieszającego ciężkie jony do energii około 10 GeV/nukleon oraz protony do energii 30 GeV. Naukowym celem CBM będzie znalezienie odpowiedzi na serię pytań:

• Jaka jest postać równania stanu materii jądrowej o wysokiej gęstości, która jest istotna dla naszego zrozumienia zjawiska wybuchów gwiazd supernowej, struktury gwiazd neutronowych oraz dynamiki fuzji gwiazd neutronowych?
• Jakie są odpowiednie stopnie swobody przy dużych gęstościach barionów?
• Czy istnieje przejście fazowe od materii hadronowej do materii kwarkowo-gluonowej, obszar współistnienia faz i punkt krytyczny?
• Czy istnieją egzotyczne fazy QCD, takie jak materia kwarkonowa (ang. quarkyonic matter)?
• Czy możemy znaleźć eksperymentalne dowody na przywrócenie symetrii chiralnej, której łamanie w próżni jest odpowiedzialne za generowanie mas hadronów zbudowanych z lekkich kwarków?
• Jak daleko możemy rozszerzyć wykres jąder w kierunku trzeciego wymiaru (dziwności), produkując pojedyncze i podwójne hiperjądra?
• Jaką rolę odgrywają hiperony w jądrach gwiazd neutronowych?

Odkrycie nowych hiperjąder i pomiar czasu ich życia dostarczy informacji o oddziaływaniu hiperon-nukleon i hiperon-hiperon, co pozwoli lepiej zrozumieć zagadnienia związane z występowaniem hiperonów w jądrach gwiazd neutronowych oraz ich maksymalnej masy. Odpowiedź na te wszystkie pytania przyczyni się do zrozumienia silnie oddziałującej materii dzięki bardzo precyzyjnym pomiarom.

CBM ma na celu rekonstrukcję do 10 milionów kolizji na sekundę poprzez przesyłanie surowych danych o maksymalnej ilości 1 TB/s do farmy komputerowej w celu rekonstrukcji i selekcji w czasie rzeczywistym. Aby przygotować się na te wyzwania, w GSI zainstalowano eksperyment mCBM na obecnie działającym akceleratorze SIS18. W kolizjach Ni+Ni przy energiach 1,93; 1,58; 1,23; 1,0 AGeV, jakie miały miejsce w ostatnich tygodniach, system rekonstrukcji online rejestruje zderzenia i śledzi je, aby wybrać te, które zawierają rzadkiego kandydata na hiperon lambda. W tych pomiarach brała udział grupa naukowców z Wydziału Fizyki: dr Diana Pawłowska-Szymańska, dr Daniel Wielanek, Julia Ejsmont, Wiktor Bogucki i prof. Hanna Zbroszczyk.