Warto przeczytać

Każdy eksperymentEksperymenteksperyment jest unikalny także dlatego, że każda dziedzina, której eksperyment dotyczy, ma swe specyficzne dla niej cechy. Jest jednak wiele cech wspólnych, które warto podkreślić, by w każdym przypadku mieć je na uwadze i zawsze o nich pamiętać. Jakie to cechy, pokażę Ci na konkretnym przykładzie, bo tak łatwiej je zrozumieć i zapamiętać.

Powiem Ci o eksperymencie, który wykonany był we francuskim laboratorium GANIL i dotyczył specyficznych zagadnień reakcji jądrowych. Jednak, aby mnie rozumieć, wystarczy jeśli wiesz, że atom składa się z bardzo małego jądra atomowego i chmury elektronów wokół niego. Jądro zaś zbudowane jest z protonów o dodatnim ładunku elektrycznym i obojętnych elektrycznie neutronów.

Fizycy wykonują eksperymenty, w których zderzają rozpędzone do wielkich prędkości jądra atomowe. W rezultacie tych zderzeń jądra ulegają rozbiciu, a fizycy rejestrują cząstki, które są wtedy wyrzucane (częściej używamy terminu „emitowane”). W eksperymentach mierzy się energie i kierunki lotu wyemitowanych cząstek, by dowiedzieć się o zachodzących przy zderzeniach procesach fizycznych. Przypomina to testowe zderzenia samochodów, gdzie bada się odkształcenia różnych części pojazdów i siły działające na pasażerów, by konstruować pojazdy w miarę bezpieczne.

Motywacją decyzji o wykonaniu eksperymentu jest problem badawczy, który eksperyment ma rozwiązać całkowicie lub częściowo. W naszym przypadku chcieliśmy dowiedzieć się, jakie procesy prowadzą do emisji rejestrowanych w eksperymencie cząstek, w jakiej kolejności zachodzą i jak długo trwają. Chcieliśmy wiedzieć, czy przebiegają szybko czy powoli, czy można wyróżnić etapy, w których biorą udział różne elementy jąder itd. Pytań jest bardzo wiele, a są to pytania ważne dla zrozumienia mechanizmów reakcji jądrowych.

Oczywiście nie jest tak, że nic na ten temat nie wiemy i robimy eksperyment „w ciemno”. W oparciu o posiadaną wiedzą wynikającą z rezultatów wcześniej wykonanych eksperymentów oraz analiz teoretycznych stawiamy hipotezy badawczeHipoteza badawczahipotezy badawcze, czyli przewidujemy najbardziej prawdopodobne wyniki planowanego eksperymentu. Rezultaty planowanego eksperymentu umożliwią przyjęcie jednych i odrzucenie innych hipotez. Mogą też wskazać na nieprzewidywany wcześniej scenariusz. Im bardzie jednoznacznie to uczynią – tym lepiej.

W naszym przypadku hipotez jest wiele, zaczynając od takiej, która przewiduje bardzo szybki przebieg procesu w formie eksplozji, poprzez różne warianty pośrednie, aż do długo trwającej emisji protonów i neutronów z silnie wzbudzonej materii jądrowej. Zobacz też e‑materiał „Problem badawczy i hipoteza badawcza”.

Mając sformułowany problem badawczy i odpowiadające mu hipotezy badawcze, tworzy się program badawczyProgram badawczyprogram badawczy, którego elementem jest wykonanie eksperymentu. Program badawczy to cały szereg działań, które zmierzają do rozwiązania problemu badawczego i realizowane są: przed, w trakcie i po wykonaniu eksperymentu. Przed – to zwykle „burza mózgów”, która włącza różnorodne działania, jak seminaria, spotkania i konferencje naukowe, w których poszukuje się sposobów rozwiązania danego problemu badawczego. To także nieformalna wymiana informacji w kontaktach osobistych i z użyciem łączy internetowych.

Ogromne znaczenie przy podejmowaniu decyzji o wykonaniu eksperymentu ma POMYSŁ rozwiązania problemu, najchętniej takiego, który ma kluczowe znaczenie dla zapewnienia sukcesu całego przedsięwzięcia. Zrozumiesz to lepiej na przykładzie naszego eksperymentu.

Potrzeba zbadania ewolucji czasowo‑przestrzennej zderzeń jądrowych pojawiła się już dawno, ale - sęk w tym, jak się niekiedy mawia - że mierzone w eksperymentach jądrowych energie i kierunki lotu wyemitowanych cząstek bardzo słabo zależą od tego, jak proces ich emisji rozwijał się w czasie i przestrzeni. (Dodam, że chodzi o czasy mniejsze od $10^{-20}s$, i rozmiary rzędu $10^{-14}m$, czyli wartości kompletnie niemierzalne jakimikolwiek bezpośrednimi metodami.)

Aż wreszcie pojawił się pomysł. Trzeba mierzyć nie pojedyncze cząstki, ale pary cząstek! Dlaczego? Bo kiedy cząstki (np. protony) są bardzo blisko siebie, to jedna ma wpływ na drugą, chociażby poprzez odpychanie lub przyciąganie się w zależności od znaku ich ładunków elektrycznych. Jak są jednakowe, będą się odpychać, jak różne, będą się przyciągać i to tym silniej, im są bliżej. A skoro efekt zależy od odległości, to tym sposobem można te odległości mierzyć. „I tu jest pies pogrzebany” – jak mówi inne powiedzenie. Zobacz Rys. 1.

RmiyikbpxF3G6

Rys. 1. Rysunek przedstawia graficzną ilustrację treści. Obszar, z którego wyemitowana jest para cząstek narysowany jest jako szary nieregularny kształt w postaci przybliżonej do nieregularnego koła po lewej stronie ilustracji. Z dwóch punktów oznaczonych, jako mała litera x z indeksem dolnym jeden i mała litera x z indeksem dolnym dwa znajdujących się w szarym obszarze emitowane są w prawą stronę cząstka i antycząstka. Z punktu mała litera x z indeksem dolnym jeden znajdującym się wyżej, emitowana jest cząstka w prawo i lekko w górę. Z punktu mała litera x z indeksem dolnym dwa emitowana jest w prawo i lekko w dół przykładowa antycząstka. Kierunek emitowanych cząstki i antycząstki zaznaczono w postaci niebieskich strzałek. Strzałki te obrazują wektory pędów. Strzałka wychodząca z punktu mała litera x z indeksem dolnym jeden oznaczona jest jako pęd pierwszego elementu symbolem mała litera p z indeksem dolnym jeden i strzałką symbolizującą zapis wektorowy. Z punktu mała litera x  z indeksem dolnym dwa opisana jest, jako pęd drugiego elementu symbolem mała litera p z indeksem dolnym dwa i strzałką symbolizującą zapis wektorowy. Z końca wektora pędu pierwszego do końca wektora pędu drugiego narysowano czerwoną strzałkę reprezentującą różnicę pędów. Podpisano ją, jako mała litera q ze strzałką symbolizującą zapis wektorowy równa się wielka gracka litera delta i mała litera p ze strzałką symbolizującą zapis wektorowy. Odległość między cząstką i antycząstką jest niemierzalna. Mierzalna jest jednak różnica pędów wyemitowanych elementów.

Chcemy zmierzyć (Rys. 1.)

Jest to, jak wspomniałem, odległość rzędu $10^{-14} \text { m}$ , więc niemożliwa do zmierzenia bezpośrednio. Mierzymy wartość różnicy pędów wyemitowanych cząstek (jednostką jest iloraz pewnej energii przez prędkość światła w próżni):

Ta różnica jest łatwa do zmierzenia, a na podstawie tego możemy wyznaczyć Δdeltax. Cząstki uczestniczące w tej samej reakcji niosą informacje o rozwoju zderzeń jądrowych w czasie i przestrzeni.

Może powiesz teraz „To przecież oczywiste. Od dawna wiemy, że działanie na siebie ładunków elektrycznych zależy od odległości między nimi.” Zgoda, ale wcale nie było oczywiste, że efekt ten można wykorzystać do pomiaru tych niewyobrażalnie małych odległości. Ktoś był tym pierwszym, który to pokazał.

Przypomnij sobie „jajko Kolumba” (Rys. 2.).

R10JbzOFDEKmF

Rys. 2. Ilustracja poglądowa przedstawia pomnik „Jajko Kolumba” na wyspie Ibiza. Jajko Kolumba to określenie prostego rozwiązania pozornie trudnego zagadnienia. Wzięło się z historii przypisywanej Krzysztofowi Kolumbowi, który miał rzekomo rozwiązać zagadkę, jak ustawić jajko w pionie. Jest to modyfikacja staro‑hiszpańskiego wyrażenia ludowego, które można przetłumaczyć jako „Jaśkowe jajko”.

Powiem Ci, że w każdym eksperymencie jest gdzieś schowane jakieś „jajko Kolumba”.

Wreszcie zapada decyzja – przygotowujemy eksperyment. Znamy problem badawczy, mamy hipotezy badawcze i mamy pomysł, co i jak w tym celu należy mierzyć. To jednak za mało, by zaczynać pomiary. Trzeba jeszcze odpowiedzieć na szereg bardzo konkretnych pytań:

1. Jaki zespół specjalistów będzie zaangażowany w realizację eksperymentu?

2. W jakim laboratorium eksperyment będzie wykonywany?

3. Jaka będzie procedura pomiarowa, co i jak mierzymy?

4. Jaka aparatura będzie służyć do pomiarów?

5. Jak długo mają/muszą trwać pomiary?

6. Jaka będzie postać wyników pomiarów, gdzie będzie zapisana?

7. Jaka będzie procedura analizy wyników pomiarów?

W naszym przypadku, po wielu dyskusjach, wyłonił się zespól ok. 30. osób z sześciu krajów Europy, które wyraziły gotowość udziału w eksperymencie. Byli wśród nich eksperci od badania zderzeń jądrowych: teoretycy i eksperymentatorzy, byli inżynierowie: elektronicy i mechanicy, był wreszcie zespół osób, które dysponowały aparaturą odpowiednią do naszych pomiarów. Był to detektor o nazwie DEMON, co pochodzi od sformułowania „Modularny detektor neutronów”. Modularny, bo składał się z kilkudziesięciu niezależnych modułów.

I tu natknęliśmy się na kilka problemów natury pomiarowej. Jak rejestrować cząstki naładowane, skoro detektor przeznaczony był do rejestracji neutronów? Jak rozróżnić rejestrowane cząstki? Jak uchronić się od rejestracji jednego neutronu przez kilka detektorów, skoro neutron rozprasza się w jednym detektorze i leci dalej do drugiego? Takich problemów było dużo więcej.

Znaleźliśmy rozwiązanie. To było nasze nowe „jajko Kolumba” – ten sam detektor DEMON, który stosowany był pierwotnie do rejestracji neutronów, użyliśmy także do pomiaru cząstek naładowanych (w szczególności protonów). Zamontowaliśmy też różne moduły w różnych odległościach od miejsca reakcji. Stworzyło to zupełnie nowe możliwości pomiarowe, ale wymagało modyfikacji modułów DEMONa i zmian w części odpowiedzialnej za analizę danych.

Postanowiliśmy więc wykonać pomiary testowePomiary testowepomiary testowe i sprawdzić, czy planowana procedura pomiarowa umożliwi nam uzyskanie wymaganych informacji. Na Rys. 3. widać moduły naszego „Demona” i osobę, która je instaluje w ramach przygotowania pomiarów testowych.

R1e62PLXUTq6m

Rys. 3. Ilustracja poglądowa przedstawia instalację modułów detektora DEMON w celu wykonania pomiarów testowych. Na ścianie po lewej stronie ilustracji widać wiele cylindrycznych pojemników, w których zamontowano detektory neutronów. Każdy taki pojemnik jest oddzielnym modułem. Po prawej stronie ilustracji widać mężczyznę montującego inne elementy w panelu sterowniczym. Nad panelem umieszczony jest emiter neutronów, które będą wykrywane przez detektory.

Wyniki pomiarów potwierdziły, że wprowadzone zmiany faktycznie dają możliwość rozwiązania naszych problemów.

Rozwiązania wymagały jednak również problemy z pogranicza teorii i eksperymentu. Czy rozdzielczość aparatury pomiarowej jest wystarczająca, by zauważyć przewidywane przez teorię efekty? Jak wiele danych musimy zebrać, aby uzyskać wymaganą dokładność wyników? Czy konfiguracja detektorów umożliwia eliminację efektów pasożytniczych? Itp.

Aby odpowiedzieć na te pytania, wykonaliśmy obliczenia symulacyjneObliczenia symulacyjneobliczenia symulacyjne. Obliczenia te łączyły teorię z eksperymentem. Oznacza to, że zaprogramowaliśmy (w oparciu o teorię) komputerową symulację przebiegu badanej przez nas reakcji jądrowej, zgodnie z najbardziej prawdopodobną hipotezą badawczą.

Wprowadziliśmy też dane o właściwościach rejestracyjnych DEMONa w wybranej przez nas konfiguracji geometrycznej. Uruchomiliśmy obliczenia, które modelowały to, co mieliśmy zamiar mierzyć dokładnie według tych samych algorytmów, które potem miały być wykorzystane przy analizie rzeczywistych danych pomiarowych. Wyniki były obiecujące - wykonanie eksperymentu było przedsięwzięciem realistycznym.

Przykładową wizualizację podobnych symulacji pokazuje Rys. 4.

RgfH9o8lAQBDT

Rys. 4. Poglądowa wizualizacja w formie filmu przedstawia zderzenie jąder atomowych. Jądra atomowe złożone z białych i czerwonych kulek symbolizujących nukleony, czyli protony i neutrony, zbliżają się do siebie w kierunku poziomym. Jądra w realnych warunkach poruszają się bardzo szybko i dlatego zgodnie z fizyką relatywistyczną są spłaszczone w kierunku poziomym. Po zderzeniu nukleony składające się na oba jądra odrywają się od nich. W wyniku zderzenia powstają nowe cząstki elementarne, widoczne w postaci niebieskich kulek wielkości nukleonów i mniejszych zielonych. Widoczne są również wydłużone żółte kształty. Mniejsze cząstki mogą symbolizować kwarki z których złożone są nukleony.

Rys. 4. Poglądowa wizualizacja w formie filmu przedstawia zderzenie jąder atomowych. Jądra atomowe złożone z białych i czerwonych kulek symbolizujących nukleony, czyli protony i neutrony, zbliżają się do siebie w kierunku poziomym. Jądra w realnych warunkach poruszają się bardzo szybko i dlatego zgodnie z fizyką relatywistyczną są spłaszczone w kierunku poziomym. Po zderzeniu nukleony składające się na oba jądra odrywają się od nich. W wyniku zderzenia powstają nowe cząstki elementarne, widoczne w postaci niebieskich kulek wielkości nukleonów i mniejszych zielonych. Widoczne są również wydłużone żółte kształty. Mniejsze cząstki mogą symbolizować kwarki z których złożone są nukleony.

Film dostępny pod adresem /preview/resource/RgfH9o8lAQBDT

Rys. 4. Poglądowa wizualizacja w formie filmu przedstawia zderzenie jąder atomowych. Jądra atomowe złożone z białych i czerwonych kulek symbolizujących nukleony, czyli protony i neutrony, zbliżają się do siebie w kierunku poziomym. Jądra w realnych warunkach poruszają się bardzo szybko i dlatego zgodnie z fizyką relatywistyczną są spłaszczone w kierunku poziomym. Po zderzeniu nukleony składające się na oba jądra odrywają się od nich. W wyniku zderzenia powstają nowe cząstki elementarne, widoczne w postaci niebieskich kulek wielkości nukleonów i mniejszych zielonych. Widoczne są również wydłużone żółte kształty. Mniejsze cząstki mogą symbolizować kwarki z których złożone są nukleony.

Dopiero wtedy zgłosiliśmy do Komitetu eksperymentów w GANIL zamiar wykonania naszego eksperymentu w formie „Listu intencyjnegoList intencyjnyListu intencyjnego”. Rozpatrywanie zgłoszeń przez Komitet ma formę konkursu – wybierane są zgłoszenia najciekawsze i najlepiej uzasadnione. Zostaliśmy wybrani. Oznaczało to, że możemy przygotować bardzo już szczegółową „Propozycję eksperymentuPropozycja eksperymentuPropozycję eksperymentu”. W ramach procedury konkursowej każda propozycja jest referowana i szczegółowo omawiana na posiedzeniu Komitetu. Potem dopiero Komitet podejmuje decyzję o zaakceptowaniu (albo nie) eksperymentu do realizacji.

Zostaliśmy zaakceptowani! Nasz eksperyment o nazwie „Interferometria jądrowa układów dwunukleonowych” otrzymał numer E286 i przydzielono nam określony czas do wykorzystania w akceleratorze, czyli urządzeniu przyspieszającym jądra atomowe do wymaganych przez nasz eksperyment energii. Konfiguracja pomiarowa naszego eksperymentu pokazana jest na Rys. 5.

W wyznaczonym dniu i godzinie rozpoczynamy pomiary. Akcelerator pracuje dla nas, a godzina jego pracy to grube tysiące euro. Aparatura „nie ma prawa” się zepsuć, a my „zapominamy o świecie”, bo dzień i noc spędzamy przy pomiarach.

R1cq5b6fveNTz

Rys. 5. Poglądowa konfiguracja pomiarowa eksperymentu E286 w GANIL. Po prawej stronie ilustracji widoczna jest ściana na której umieszczone zostały detektory zamknięte w zielonych, metalowych cylindrach. Po prawej stronie ilustracji widoczny jest emiter jąder. Od emitera do detektorów biegną kolorowe strzałki. Na zdjęcie naniesiono kolorowe strzałki pokazujące kierunek wiązki jąder argonu. Czerwona strzałka pokazuje kierunek wiązki jąder argonu, a ciemnożółty prostokąt tarczę wykonaną z niklu. Strzałki od tarczy do modułów detektora DEMON symbolizują tory cząstek wyemitowanych z badanej reakcji.

Pierwsze godziny to kalibracja aparatury, w wyniku której uzyskuje się informacje niezbędne do analizy danych pomiarowych (Rys. 6.). Później na bieżąco wykonujemy testy danych pomiarowych, obserwując na ekranach monitorów wybrane zależności. Jest to najbardziej emocjonujący element realizacji eksperymentu.

RlgLN7QbjLRCR

Rys. 6. Zdjęcie przedstawia młodego mężczyznę, jednego z uczestników eksperymentu, podczas kalibracji modułów „Demona” za pomocą źródła promieniotwórczego. Mężczyzna stoi przed elementami modułów detektora i trzyma uniesiony w jego kierunku przyrząd do kalibracji.

Pomiary trwały tydzień, kompletnie wyjęty z kalendarza wszelkich innych spraw. W rezultacie uzyskaliśmy dane pomiarowe, które zostały skopiowane dla wszystkich zespołów uczestniczących w eksperymencie. Dane te stały się następnie przedmiotem analiz i obliczeń.

Analiza danych trwała kilka lat, chociaż pierwsze wyniki pojawiły się już w kilka tygodni po wykonaniu pomiarów. Użyliśmy całego arsenału metod pomiarowych: wykorzystaliśmy standardowe programy używane do statystycznej analizy danych z biblioteki programów CERNLIB oraz przygotowaliśmy takie, które przeznaczone były specjalnie dla naszego eksperymentu. Niektóre z analiz nie były łatwe. Przykład masz poniżej (Rys. 7.). Jak „wyłuskać” z „kaszy” punktów na wykresie po lewej dane o neutronach i cząstkach naładowanych? Udało się. Rezultat masz na dwóch kolejnych wykresach. Ten w środku zawiera tylko cząstki naładowane, a ten z prawej tylko neutrony. Nie będę Cię teraz wprowadzał w szczegóły procedury selekcji, bo jest dosyć złożona, ale rezultat widoczny jest gołym okiem.

RvSePf8FP9Tgy

Rys. 7. Na ilustracji pokazano trzy wykresy, na których na osi pionowej skierowanej ku górze, przedstawiona jest wartość ładunku, a na osi poziomej skierowanej w prawo, czas przelotu. Wykresy zestawione są na tej samej wysokości i wszystkie mają niebieskie tło. Na pierwszym od lewej, przedstawiony jest w postaci jasnych żółtych linii malejących, czas przelotu cząstki i ładunku zdeponowanego w detektorze. W postaci jasnych, żółtych smug biegnących na prawo od linii przedstawiony jest ślad przelatujących neutronów. Na środkowym wykresie pokazane są tylko linie reprezentujące czas przelotu naładowanych cząstek. Na prawym wykresie pokazane są tylko smugi symbolizujące ślad przelatujących neutronów zdeponowanych w detektorze.

Wyniki eksperymentu stały się podstawą trzech prac doktorskich oraz licznych referatów na konferencjach naukowych i publikacji w międzynarodowych czasopismach specjalistycznych. Sami zorganizowaliśmy konferencję którą nazwaliśmy „DEMON in Warsaw – international meeting on DEMON detector related heavy ion physics”. Cel eksperymentu został osiągnięty!

Mamy odpowiedzi na stawiane w fazie planowania eksperymentu pytania, ale pojawiły się nowe, które wcześniej nie przychodziły nam do głowy. To znów podobnie jak podczas wspinaczki wysokogórskiej. Kiedy wchodzimy coraz wyżej, oczom naszym ukazują się nowe widoki i nowe wierzchołki – nawet takie, których istnienia się nie spodziewaliśmy. W badaniach naukowych te nowe wierzchołki to nowe problemy badawcze, wymagające nowych hipotez, a następnie nowych eksperymentów.

Na zakończenie dwie fotografie (Rys. 8.). Pierwsza ilustruje atmosferę eksperymentu, druga, po zakończeniu – radość  tych, którzy nieśli ciężar odpowiedzialności za jego wykonanie.

R3XiBaZKEUx0w

Rys. 8. Zdjęcie poglądowe (po lewej) przedstawia czas trwania eksperymentu - grupę osób śledzącą badania na monitorach komputerów. Zdjęcie poglądowe (po prawej) przedstawia osoby biorące udział w eksperymencie, po jego zakończeniu wyrażają swoją radość toastem.

Słowniczek