Jak wygląda praca w CERN? - nowy odcinek podcastu

Grupa naukowców z Wydziału Fizyki PW prowadzi badania w ramach współpracy z eksperymentem NA61/SHINE znajdującym się w największym na świecie ośrodku badawczym fizyki jądrowej – CERN. Ośrodek zlokalizowany jest na granicy Szwajcarii i Francji pod Genewą. Eksperyment NA61/SHINE zrzesza fizyków z całego świata, ale bardzo duży wkład mają polskie zespoły badawcze, stanowiące aż 30% wszystkich grup.

Na czym polega ich praca? Co chcą osiągnąć? W jaki sposób otrzymali możliwość pracy w CERN? Co do tego wszystkiego mają 2 lecące komary? Zapraszamy do wysłuchania rozmowy Dariusza Aksamita z Wydziału Fizyki PW z Wojciechem Brylińskim, doktorantem z tego samego Wydziału.

Odcinek 6: Jak wygląda praca w CERN?

Słuchaj odcinka tutaj:

• Anchor
• Spotify

Transkrypcja

Dariusz Aksamit: Skończyły się wakacje, więc wracamy do dalszych odcinków politechnicznego podcastu. Tym razem zawitał do nas Wojciech Bryliński z Wydziału Fizyki Politechniki Warszawskiej z projektem „Badanie fluktuacji oraz produkcji hadronów w zdarzeniach jonów w eksperymencie NA61/SHINE”, który był finansowany w ramach grantu badawczego programu „Inicjatywa Doskonałości - Uczelnia Badawcza” na Politechnice Warszawskiej. Wojtku, mieliśmy się w sierpniu spotkać. Myślałem, że wakacje to jest taki czas, że wszyscy siedzą, odpoczywają. Nie, oczywiście żartuję, ale że chociaż wszyscy są tutaj na miejscu i można w miarę spokojnie spotkać się, ale nam się nie udało. Co porabiałeś całe wakacje?

Wojciech Bryliński: Okres wakacji zbiegł nam się z końcówką modernizacji naszego eksperymentu w CERN-ie, więc właściwie całe wakacje spędziłam na miejscu w CERN-ie, kończąc nasz upgrade, naszą modernizację eksperymentu. Eksperyment nazywa się NA61/SHINE. Od około 2 lat prowadzimy taką modernizację, tak by być w stanie lepiej, efektywniej zbierać dane.

DA: Z tego co próbowaliśmy się zdzwonić to widzę, że praktycznie od rana do nocy modernizowaliście.

WB: Tak. Niestety, czas pandemii utrudnił pracę, szczególnie taką wyjazdową, więc jak tylko wyjazdy stały się możliwe, staraliśmy się nadgonić stracony czas.

DA: Ciężko być inżynierem zdalnie jak trzeba coś na miejscu faktycznie usiąść i zlutować. Mówisz o NA61/SHINE i mówisz o CERN-ie. Myślę, że każdy o CERN-ie coś tam słyszał, ale o NA61 myślę, że to już jest bardziej niszowe. Na Wydziale Fizyki, ponieważ jest Zakład Fizyki Jądrowej, tutaj każdy wie o co chodzi, ale może zacznijmy od początku. Sam CERN to jest Europejska Organizacja Badań Jądrowych. W je ramach funkcjonuje LHC, czyli Wielki Zderzacz Hadronów. I co dalej?

WB: Sam CERN jest przeogromnym laboratorium, w obrębie którego funkcjonuje mnóstwo różnych grup eksperymentów. Tak jak wspomniałeś, największym, takim flagowym projektem CERN-u jest Wielki Zderzacz Hadronów, przy którym mamy cztery główne eksperymenty w CERN-ie.

DA: NA61/SHINE. Próbuję sobie wymyślić co oznacza NA61. To może być sód, ale to raczej nie o to chodzi. Co to jest to NA61? Skąd się wzięła taka nazwa eksperymentu?

WB: NA to jest skrót od North Area. Jest to duża hala eksperymentalna, znajdująca się na północnym kampusie CERN-u, w której znajdują się różne stanowiska testowe, czy eksperymenty. Natomiast 61 jest kolejnym numerem nadawanym kolejnym eksperymentom.

DA: Ok, czyli prozaiczne. Tak po prostu wyszło z kolejności numerowania. Żadnej tutaj skomplikowanej fizyki zatem nie ma. To może w tym SHINE coś się kryje?

WB: Tak, SHINE jest akronimem od SPS Heavy Ion and Neutrino Experiment, ponieważ tak jak wspomniałem, głównym programem fizycznym jest badanie fizyki związanej ze zdarzeniami ciężkich jonów, natomiast też prowadzimy badania referencyjne dla eksperymentów neutrinowych, czy eksperymentów zajmujących się badaniem promieniowania kosmicznego. W CERN-ie działa mnóstwo mniejszych eksperymentów przy mniejszych akceleratorach. Cząstki w CERN-ie przyspieszone są na kolejnych etapach. LHC jest ostatnim etapem. Jest największym akceleratorem. Poniżej mamy cały łańcuch różnych akceleratorów, przy których także można badać ciekawą fizykę. Jednym z takich akceleratorów, który wstrzykuje wiązkę bezpośrednio do LHC jest tak zwany SPS i przy SPS-ie też działają mniejsze eksperymenty. Jednym z tych eksperymentów jest właśnie eksperyment NA61/SHINE.

DA: Ok, czyli LHC to nie wszystko. Oprócz tego jest mnóstwo innych rzeczy. Czym ten NA61/SHINE się różni? Już na wstępie rozumiem, że energia jest mniejsza skoro jesteśmy we wcześniejszym etapie rozpędzania. No to czemu nie jesteście tacy, że chcecie więcej, więcej w tera czy giga elektronowolty, tylko zadawalacie się jakimiś małymi mega.

WB: To wszystko zależy od fizyki, którą chcemy badać. Eksperyment NA61/SHINE zajmuje się głównie fizyką ciężkich jonów. Mamy także program fizyczny związany z pomiarami referencyjnymi dla eksperymentów neutronowych oraz dla eksperymentów zajmujących się badaniem promieniowania kosmicznego. Natomiast, na tym nad czym skupia się nasza grupa z Politechniki Warszawskiej jest właśnie fizyka ciężkich jonów. O ile przy LHC mam bardzo wysokie energie, przy których, zgodnie z naszymi obserwacjami, plazma kwarkowo-gluonowa produkuje się zawsze, o tyle przy niższych energiach jesteśmy w rejonie przejścia fazowego. Głównym celem eksperymentu NA61/SHINE jest badanie przejścia fazowego między plazmą kwarkowo-gluonową a gazem hadronowym.

DA: Dla tych, którzy nie są inżynierami, czy fizykami jądrowymi krótkie przypomnienie. Plazma kwarkowo-gluonowa –  co to jest za stan materii?

WB: Zacznijmy od samego modelu standardowego, który opisuje podstawowe budulce materii. Zgodnie z modelem standardowym takimi podstawowymi, niepodzielnymi cząstkami są na przykład kwarki. Mamy trzy rodziny kwarków. Najlżejsze to kwark górny i dolny, budujące masę, którą obserwujemy. Następnie mamy drugą rodzinę, czyli kwark powabny i dziwny. Trzecia rodzina –  najcięższych kwarków – to  jest kwark prawdziwy i piękny.

DA: Z pierwszej rodziny mamy to wszystko co widzimy, bo one budują protony i neutrony, czyli łączą się w trójki i mamy tu proszę stół, mikrofon, mamy siebie nawzajem. Po co nam te następne rodziny? Gdzie z taką materią mamy do czynienia?

WB: Kwarki cięższe produkowane są w zdarzeniach, które obserwujemy i rejestrujemy w CERNie. Zgodnie z modelami Wielkiego Wybuchu, właśnie zaraz po Wielkim Wybuchu istniał taki stan plazmy kwarkowo-gluonowej, z którego potem, w miarę stygnięcia tej plazmy, wyprodukowała się materia, którą możemy obserwować dziś. Żeby zrozumieć skąd wzięła się ta materia, jak jest zbudowana, na takim podstawowym poziomie, musimy się cofnąć, próbować odtworzyć ten właśnie stan plazmy kwartkowo-gluonowej.

DA: Ok, to jest sprawa bardzo fundamentalna – skąd to się wszystko wzięło, czyli to jest ten moment, kiedy fizyka jądrowa łączy się z astrofizyką i z tym co było na początku. Tutaj pojawiają się te różne pozostałe kwarki, w tym dziwne. Dosłownie tak się nazywają. Dziwne, powabne i tak dalej. Jak je produkujecie? Myślę, że to jest strasznie abstrakcyjne, żeby to załapać, że da się je produkować, ale jakbyś wytłumaczył skąd wziąć taki kwark powabny.

WB: Energia przy zdarzeniach cząstek, które rejestrujemy w CERN-ie, energia jest na tyle skupiona, że gęstość energii pozwala na produkcję takich cięższych kwarków, czy cięższych cząstek. Ze słynnego wzoru Einsteina E=mc2, masa jest także formą energii, więc jak bardzo, bardzo skumulujemy taką energię, możemy z niej wyprodukować masę. To jest dokładnie to co dzieje się przy zderzeniach rejestrowanych w CERN-ie.

DA: To chyba jest jedna z takich bardziej abstrakcyjnych rzeczy, że o tym równaniu Einsteina zazwyczaj, jak się to gdzieś wprowadza, to zazwyczaj się mówi o bombie jądrowej, że uwalniamy tę energię, w sensie zamieniamy masę, na przykład plutonu lub uranu, na eksplozję, którą widzimy i raczej w tę stronę – widzimy, że znika nam masa a pojawia się jakaś energia eksplozji, temperatury i tak dalej. Tutaj w drugą stronę: ładujecie mnóstwo, mnóstwo, mnóstwo energii, żeby wyprodukować jakiś kawałek masy, jakiś kawałek kwarka. Jesteście w stanie produkować, ale czy produkujecie na sztuki, na kilogramy? Jak to wygląda?

WB: Podstawowym problemem jest to, że nie da się zbadać pojedynczego kwarka, ponieważ kwarki oddziałują oddziaływaniem silnym, które jest także opisywane przez model standardowy. Jesteśmy tak intuicyjnie przyzwyczajeni do przyciągania grawitacyjnego, czy elektrostatycznego, więc dla nas intuicyjnym wydaje się, że jak oddzielamy dwa oddziałujące obiekty, to siła oddziaływania maleje. Z oddziaływaniem silnym jest trochę inaczej, ponieważ tam oddalając od siebie dwa obiekty, siła oddziaływania rośnie. W pewnym momencie energia, którą musielibyśmy zgromadzić na odseparowanie dwóch kwarków, staje się na tyle duża, że starczy na produkcję kolejnej pary kwark-antykwark, więc zamiast dwóch rozdzielonych kwarków, skończylibyśmy z dwiema kolejnymi parami.

DA: Nie jesteśmy w stanie zbadać jednej sztuki, to jak w ogóle je badać?

WB: Takim pomysłem jest ściśnięcie, jak największe ściśnięcie materii, bo wtedy oddziaływanie silne staje się pomijalnie małe. Możemy wtedy traktować kwarki jako cząstki swobodne. Tym jest właśnie plazma kwarkowo-gluonowa. 

DA: Czyli jak chcemy badać coś czysto grawitacyjnie, to chcemy mieć to w pustym wszechświecie, bez żadnej innej masy, odseparować, a tu dokładnie na odwrót – chcemy tak bardzo ścisnąć, żeby przestało oddziaływać silnie. Ta plazma z jednej strony jest ważna, bo wszyscy z niej się wzięli i wszystko co widzimy, ale z drugiej strony to jest sposób badania samych kwarków. Czy wy skupiacie się, na któryś szczególnych kwarkach, czy generalnie na całej tej plazmie?

WB: Dotychczasowy program fizyczny eksperymentu NA61/SHINE skupiał się na badaniu kwarku dziwnego, ponieważ masa tego kwarka jest porównywalna z energią przejścia fazowego, więc produkcja tego kwarka jest bardzo czuła na przejście fazowe. W przyszłym programie związanym z projektem, realizowanym w ramach Priorytetowych Obszarów Badawczych, skupimy się na badaniu kwarka powabnego, o którym, jak się okazuje, przy energii akceleratora SPS wiemy bardzo niewiele, ponieważ jak porównaliśmy przewidywania modelowe na temat samej produkcji kwarka, czyli takie podstawowe pytanie ile powinno się tego kwarka produkować, okazało się, że przewidywania różnią się aż o dwa rzędy wielkości.

DA: Przewidywania między różnymi modelami czy przewidywania między modelem a eksperymentem?

WB: Przewidywanie między różnymi modelami, ponieważ danych eksperymentalnych na temat produkcji powabu przy takich energiach po prostu nie ma.

DA: Czyli teraz ktoś się założył i zaraz się okaże, który zespół ma rację. Rozumiem, że temu służyła ta wakacyjna modernizacja.

WB: Tak, dokładnie, ponieważ potrzebujemy wtedy dużo większej statystyki danych. Kwarki powabne są kwarkami cięższymi. Ich wyprodukowanie wymaga większej energii. Prawdopodobieństwo produkcji kwarków powabnych jest dużo mniejsze niż prawdopodobieństwo produkcji kwarków lżejszych. Dlatego zderzenia, w których produkują się kwarki powabne są bardzo rzadkie. Z tego powodu potrzebujemy zebrać większą statystykę danych, by być w stanie studiować produkcję powabu w zderzeniach ciężkich jonów. Główną motywacją naszej modernizacji było przyspieszenie zbierania danych poprzez wymianę elektroniki odczytu na szybszą.

DA: Czyli nie wystarczy dłużej zbierać dane?

WB: Tutaj chodzi też o koszty związane z produkcją wiązki, z utrzymaniem całej infrastruktury. Prawdopodobnie uda nam się przyspieszyć zbieranie danych dziesięciokrotnie. Zamiast dziesięciu lat zbierania danych, zmieścimy się w jednym roku i będziemy w stanie zmierzyć… 

DA: Wow! To nawet pieniądze pieniędzmi, ale tyle czasu da się oszczędzić! Co byliście w stanie zrobić, aby aż dziesięciokrotnie przyspieszyć zbieranie danych? Czy to jest ten detektor wierzchołka, o którym czytam na stronie badawcza.pw.edu.pl?

WB: Główną zasługą szybszego zbierania danych jest wymiana elektroniki z naszych głównych detektorów śledzących trajektorie cząstek. Detektor wierzchołka przyczyni się do lepszej rozdzielczości badania punktu samego zderzenia. Cząstki niosące te kwarki powabne rozpadają się bardzo, bardzo szybko zaraz po produkcji, dlatego potrzebujemy bardzo dużej dokładności w rekonstrukcji trajektorii cząstek, aby być w stanie zrekonstruować ten ślad rozpadu i oddzielić go od pierwotnego wierzchołka reakcji, czyli od punktu, w którym ta pierwotna reakcja zaszła.

DA: Tutaj zachęcamy do wejścia na badawcza.pw.edu.pl i odnalezienie artykułu na temat właśnie tych badań, ponieważ można zobaczyć ten obrazek, o którym rozmawiamy. Można sobie wyobrażać właśnie taką dziurę wlotową, gdzie jest takie miejsce, gdzie następuje jakaś eksplozja i za nią widać cały ciąg wiązek, taką piramidę, która gdzieś dalej się przesuwa właśnie w stronę detektora. Rozumiem, że mówisz o początku, o tym miejscu, gdzie następuje właśnie ten wierzchołek, czy następuje to zderzenie. O jakich my tu rozmawiamy skalach? O jakich tutaj rozmawiamy czasach i rozmiarach? Jak duży jest sam detektor, gdzie dochodzi do zderzenia?

WB: Same czasy, jeśli chodzi o skalę produkcji plazmy kwarkowo-gluonowej, produkuje się ona około 10 do -23 sekundy, więc tak naprawdę wprost nie jesteśmy w stanie samej plazmy badać. Następuje szybkie wymrożenie, z którego produkują się cząstki, które jesteśmy w stanie zarejestrować w naszych detektorach, w naszym spektrometrze. Całe zadanie dla fizyków, cała zagadka polega na tym, żeby mając informacje o wyprodukowanych cząstkach, być w stanie zrekonstruować co się stało w tym pierwotnym punkcie reakcji, w którym doszło do zderzenia.

DA: Takie puzzle 3D, tylko skomplikowane. Jeśli mamy samo to miejsce zderzenia, czy to jest tak jak w LHC, tak że mamy dwie przeciwbieżne związki, które się przecinają i zderzają?

WB: Eksperyment NA61/SHINE jest tak zwanym eksperymentem stacjonarnej tarczy, czyli mamy rozpędzoną wiązkę, która uderza w nieruchomą tarczę i w tej tarczy dochodzi do reakcji i ze względu na zasadę zachowania pędu, cząstki produkują się głównie do przodu. Także kształt eksperymentu jest zupełnie inny niż tych eksperymentów przy LHC.

DA: Tak, ALICE i ATLAS to są takie najbardziej znane obrazki. Widać ten olbrzymi pierścień, który otacza dwie maleńkie rurki. Ponieważ zderzają się przeciwbieżnie, to wszystko się rozlatuje dookoła. Tu możecie za punktem zderzenia ustawić detektory, ale czy one też są aż takie spektakularne, że to są trzy piętra budynku, czy są takie normalne.

WB: Nasz eksperyment należy to jednego z większych spośród tych mniejszych eksperymentów w CERN-ie. Sam eksperyment jest bardzo spektakularny. Znajduje się na dwóch kondygnacjach. To jest niesamowite, że wykorzystując tak ogromną aparaturę, staramy się badać coś tak bardzo małego.

DA: Ok, czyli to nie jest tak, że co mniejsze energie, więc to nie jest takie desktopowe, taka maszyna, którą stawiamy. To też jest taki, ale nie czteropiętrowy, ale dwupiętrowy. Patrząc na ten dotychczasowy rozwój, wcześniej zderzaliście ciężkie jony. Patrząc na te obrazki z poprzednich badań, właśnie widzę, że tą wiązką i tarczą były na przykład ołów i ołów albo był to ksenon i lantan. Pojawiają się tu takie liczby jak 150 GeV. Jak tę jednostkę energii rozumieć, jeśli nie jest się fizykiem jądrowym? To dużo, czy to mało?

WB: Same energie takich zderzeń nie są spektakularnie duże. Słyszałem fajne porównanie, jeśli chodzi o energie zderzeń protonów w LHC. Mówimy tutaj już o TeVach. Sama energia jest porównywalna do zderzenia dwóch lecących komarów. Natomiast, energia jest tak bardzo skumulowana, że jej gęstość pozwala na produkcję nowej materii.

DA:  150 GeV jak na CERN to nie za dużo, ale jak na cząstką elementarną bardzo dużo. Dobra, to macie ten wierzchołek. Czy dużą różnicę robi co z czym zderzacie właśnie? Czy to jest ten ołów-ołów, czy ksenon z lantanem? Czemu się właśnie zmieniają te tarcze i materiały? Czy to jest jakaś głęboka fizyka? Czy prozaicznie, że łatwiej jest wykonać tarcze z ołowiu?

WB: Tutaj nasz eksperyment przeprowadzał taki cały skan. Zderzaliśmy różne systemy, rozpoczynając od zderzeń proton-proton, beryl-beryl, argon-skand, ksenon-lantan aż po ołów-ołów, przy pięciu różnych energiach. Ten skan z różnymi rozmiarami systemów i przy różnych energiach, miał na celu badanie diagramu fazowego silnie oddziałującej materii. Tak jak mamy różne fazy wody i możemy narysować w zależności od temperatury i ciśnienia taki diagram fazowy, czyli jaka faza występuje w określonych warunkach, tak samo próbujemy właśnie badać diagram fazowy dla silnie oddziałującej materii. Skanując, zderzając różne systemy, przy różnych energiach, jesteśmy w stanie poruszać się w różnych miejscach tego diagramu fazowego i badać czy plazma kwarkowo-gluonowa powstaje, starać się zbadać dokładnie, gdzie występuje ta linia przejścia fazowego, zlokalizować ją, tak żeby jak najwięcej się dowiedzieć o samym przejściu fazowym.

DA: Z wodą jest prosto. Możemy sobie wyobrazić, czyli mamy te obszary: wysoka temperatura i, właściwie niezależnie już od ciśnienia, jak jest odpowiednio wysoka temperatura to mam parę wodną, gdy temperatura spada to przy dużych ciśnieniach i tak to się zgniecie do wody, a jeśli idziemy w niższe temperatury to mamy lód. Czyli mamy trzy główne obszary. Jak przychodzimy do tego diagramu jądrowego, do tego diagramu plazmowego. Mamy też temperaturę i ciśnienie? Czy coś tu się zmienia?

WB: Diagram fazowy silnie oddziaływującej materii jest rozważany w nieco innej dziedzinie. Także mamy tutaj temperaturę, natomiast drugą zmienną  jest określenie dysproporcji między produkowanymi barionami i antybarionami. Przy niskiej temperaturze mamy gaz hadronowy, czyli materię, którą możemy obserwować na co dzień. Przy wyższych wartościach temperatury, czy wyższym potencjale bariochemicznym, jesteśmy w stanie zaobserwować plazmę gwarkowo-gluonową. My w eksperymencie NA61/SHINE staramy się zbadać charakter tego przejścia fazowego i dokładnie wyznaczyć linię tego przejścia.

DA: Z temperaturą jest łatwo, bo wiadomo co to znaczy. Nawet jeśli idzie to w miliony stopni, nawet jeśli jest to wyrażone w megaelektronowoltach to wiadomo, że duża temperatura, duża energia. Natomiast o co chodzi z tymi barionami? Może zacznijmy od przypomnienia czym są bariony.

WB:  Hadrony są to cząstki zbudowane z kwarków. Wyróżniamy głównie mezony i bariony. Mezony są zbudowane z pary kwarków: kwark-antykwark. Natomiast w barionach mamy trzy kwarki, tak jak np. w protonie. Mamy też bardziej egzotyczne cząstki, które produkują się jeszcze rzadziej, jak tetrakwarki, czy pentakwarki. Głównie odkrywane przez eksperyment LHCB. Większość produkowanych cząstek stanowią mezony i bariony.

DA: Te pentakwarki zdaje się to być jakieś sprzed dwóch lat doniesienie, jak dobrze mi się wydaje że jest to bardzo świeże. Pamiętam jak ja jeszcze byłem na studiach, to mówiło się o tych dwóch albo trzech. Widać, że szybko się ta wiedza zmienia. Szybko będzie trzeba podręczniki przepisywać z każdym kolejnym rokiem pracy LHC. Ok, jak coś ma kwarki to jest hadronem, jak coś ma dwa kwarki to jest mezonem, jak ma trzy kwarki to jest barionem. Mówiąc o takim protonie i neutronie to nie dość, że to jest hadron, to jeszcze jest to barion. Dobra. Czyli ten potencjał barionowy możemy rozumieć tak, że jak dużo barionów się nam produkuje.

WB: Tak. Ponieważ w zderzeniach produkujemy i materię i antymaterię, ten potencjał barionowy mówi nam o nadwyżce produkowanych barionów względem antybarionów.

DA: Bo jeśli mamy mezony, tam mamy kwark i antykwark, czyli jeśli mamy niski ten potencjał to więcej nam się będzie tworzyło mezonów, a jeśli mamy więcej to nam się tworzą bariony. Bardzo głęboko staram sobie to przypominać i uporządkowywać, więc jeśli ktoś z naszych słuchaczy, jeśli dla kogoś jest to wysiłek intelektualny, to uwierzcie, że dla mnie też, więc jesteśmy w tym razem.

Mamy większe gęstości materii, większe energie, więcej produkujemy barionów, Dobra. Wy jesteście na tej granicy. Czemu akurat się skupiacie na tej granicy? Bo są ci, którzy idą więcej i więcej, żeby jak najwięcej tej energii wpakować. Wy jesteś akurat na granicy tego przejścia fazowego. Czy coś w tym przejściu fazowym jest faktycznie takiego szczególnie ciekawego? Czy to może jest to coś ważnego dla historii naszego wszechświata, czy to po prostu jest jakiś obszar, który jest niezbadany i chcecie mu się przyjrzeć?

WB: Chcemy dokładnie zbadać charakter i rodzaj tego przejścia fazowego. Właśnie wracając wstecz do początku wszechświata, takie przejście fazowe miało miejsce zaraz po Wielkim Wybuchu, gdy plazma kwarkowo-gluonowa stygła i mieliśmy to przejście fazowe do gazu hadrowego i żeby tak dogłębnie zrozumieć mechanizmy rządzące tym przejściem fazowym, my właśnie studiujemy zderzenia ciężkich jonów w eksperymencie NA61/SHINE. Samo przejście fazowe jest również bardzo ciekawe, ponieważ linia przejścia fazowego została przewidziana przez modele teoretyczne jako linia przejścia fazowego pierwszego rodzaju, zmieniająca swój charakter na przejście fazowe, tak zwane typu crossover, gdzie wszystkie zmienne zmieniają się w sposób ciągły. Jeśli modele teoretyczne mają rację, to na końcu linii fazowej pierwszego rodzaju przejścia fazowego pierwszego rodzaju powinien znajdować się tak zwany punkt krytyczny. Znalezienie tego punktu krytycznego potwierdziłoby wiele z modeli teoretycznych, natomiast sam punkt krytyczny jeszcze nie został znaleziony.

DA: Czyli gdzieś w tym obszarze podejrzewamy, że jest, ale nie wiadomo czy na pewno, ale jeśli to  gdzie dokładnie?

WB: Stąd też skan motywowany jest także szukaniem tego punktu krytycznego. Zmieniając energię zderzeń i rozmiar zderzanego systemu, jesteśmy w stanie poruszać się po diagramie fazowym w poszukiwaniu także tego hipotetycznego punktu krytycznego.

DA: Jasne, czyli używanie różnych jąder atomowych to jest też różna gęstość, czyli przesuwamy się prawo-lewo, a rozpędzając się przesuwamy je góra-dół i w ten sposób robimy sobie taką ramkę na tym diagramie. Ok, wszystko zaczyna się składać w całość. Myślę sobie o tych samych detektorach. Powiedzmy, że jesteście na tym etapie, że przeprowadziliście badania, połączyliście to z teorią, to mamy takie proste w sumie obrazki jak ten diagram fazowy, czy model standardowy, gdzie mamy te cegiełki, ale to już ten efekt końcowy, żeby komuś wyjaśnić o co chodzi. Natomiast na etapie, kiedy jesteście w CERN-ie, widzicie sygnał z detektora to rozumiem, że to jeszcze nie jest tak oczywiste co z tego wynika. Mam takie podwójne pytanie. Co to są właściwie za detektory, bo mówimy tak bardzo ogólnie, że jest detektor, ale co to jest, bo raczej to nie jest prosty Geiger-Müller, który jest tam włożony. Tak bardziej technicznie co to są za detektory. Druga rzecz: co w związku z tym w tych detektorach widać?

WB: Zwykle układy detekcyjne eksperymentów, tych skomplikowanych eksperymentów w CERN-ie, są ogromne. Potrafią sięgać czterech, pięciu pięter. Nasz układ detekcyjny w eksperymencie NA61/SHINE składa się z głównie z detektorów gazowych. Są to ogromne komory projekcji czasowej, czyli tak zwane TPC. Głównie taki detektor składa się z dużej objętości odpowiedniej mieszanki gazowej otoczonej taką klatką, która gwarantuje jednorodne pole elektryczne wzdłuż całej objętości detektora. Jak taka cząstka jonizująca przeleci przez gaz, to zaczyna zostawiać swobodne elektrony z aktów jonizacji. Elektrony zaczynają dryfować w polu elektrycznym do części odczytowej, gdzie możemy wzmocnić sygnał z pojedynczych detektorów i zarejestrować w naszej elektronice odczytu. W ten sposób dostajemy takie dwuwymiarowe zdjęcie trajektorii przejścia naszej cząstki przez detektor.

DA: Ok, ale zaczyna się od po prostu takiego elektrycznego impulsu, że o, tutaj trafił elektron, mamy jakiś tam po prostu prąd w tym konkretnym detektorze, który jasne, że znamy jego położenie, bo my go tam zamontowaliśmy. Czyli w ten sposób uzyskujecie trajektorię cząstki.

WB: W ten sposób dostajemy taką dwuwymiarową trajektorię cząstki, ponieważ nasza elektronika, nasz cały system odczytowy to jest taka matryca, w której możemy znać dokładnie położenia danego piksela i wiedzieć, w którym miejscu mamy sygnał wzbudzony właśnie naszymi elektronami. Trzecią współrzędną w detektorach typu komora projekcji czasowej otrzymujemy z czasu, w którym cząstka doleciała do naszego detektora i prędkości dryfu elektronów w konkretnej mieszance gazowej, która jest non stop monitorowana.

DA: Czyli mieszanki też się zmieniają w trakcie eksperymentu?

WB: Mieszanka jest, gaz jest cały czas przetłaczany przez TPC, ponieważ gaz też w czasie jonizacji ulega pewnej degradacji, więc cały czas taki bardzo wolny przepływ jest otrzymany przez cały detektor.

DA: Ok. Patrzę iloma rzeczami można żonglować. Ok, skoro do tego detektora przyszło szybciej, do tego dalej to jasne, gdzie to się zaczęło, a gdzie się skończyło. Koniec końców dostajecie trajektorię i czas przelotu, ale to jak z tego coś jeszcze wywnioskować?

WB: Oprócz tego dwie komory z naszych czterech największych komór projekcji czasowej umieszczone są w magnesie nadprzyrodzonym. Cząstki naładowane przechodząc przez pole magnetyczne ulegają zakrzywieniu. Promień zakrzywienia trajektorii naładowanej cząstki zależy od pędu, od pędu takiej cząstki. Mając promień zakrzywienia możemy wywnioskować, możemy zdobyć informacje o pędzie danej cząsteczki. Także mając samą trajektorię i czas przelotu możemy obliczyć prędkość danej cząsteczki. A mając pęd i prędkość jesteśmy w stanie obliczyć masę, czyli zidentyfikować, dokładnie zidentyfikować typ wyprodukowanej cząstki.

DA: Przeszliśmy z tak abstrakcyjnej fizyki do takich trywialnych rzeczy jak, że P to jest M razy V. Skoro znamy P i znamy V to wiemy jakie jest M. To taka wręcz podstawówkowa fizyka tutaj wróciła. Rozumiem, że na tej podstawie, skoro jest znana masa to wiadomo co to jest za cząstka. Czyli jesteście w stanie identyfikować co zostało wyprodukowane.

WB: Dokładnie.

DA: Jeszcze to czy zakrzywiona jest prawo, czy lewo. To jeszcze nam mówi jak jest ładunek. Czyli właściwie bardzo to się nie różni od tego co kiedyś się robiło na kliszach fotograficznych, czyli na tych kliszach jądrowych, tyle że tam się linijką mierzyło i kątomierzem co się wyprodukowało na kliszy. Rozumiem, że teraz to wszystko jest elektroniczne i robi się, no może nie samo, ale na pewno łatwiej.

WB: Tak, potem potrzebujemy właśnie tych skomplikowanych algorytmów komputerowych, które łączą wszystkie kropki zarejestrowane dla danej cząsteczki w ślad pojedynczej cząstki i na bazie tego są w stanie zdobyć jak najwięcej informacji na temat produkcji danej cząsteczki.

DA: Tak, bo ja właśnie sobie myślałem, teraz miałem w głowie właśnie taki pojedynczy ślad i patrzymy co na nim się dzieje. Wy patrzycie na to, gdzie ten ślad w ogóle się zaczął. Dobra. Było tu dużo skomplikowanej fizyki, natomiast chciałem jeszcze przejść do takiej rzeczy bardziej organizacyjnej. Wspominałeś, że pracujecie w CERN-ie, który jest największym ośrodkiem naukowym na świecie i tam są tysiące ludzi na miejscu i dziesiątki tysięcy na całym świecie kolaborujące non-stop. Pytanie jak to wygląda na co dzień. Na ile stacjonarnie siedzisz tutaj na Politechnice, a na ile siedzisz w CERN-ie, skoro tutaj robisz doktorat, ale na bazie badań wykonywanych tam na miejscu.

WB: Tak, jestem doktorantem na Politechnice Warszawskiej. Udało mi się zdobyć kontrakt CERN-ie, tak zwany kontrakt doctoral student, który gwarantuje trzyletni pobyt na miejscu. W ramach tego kontraktu przebywając w CERN-ie przeprowadzam badania, które wykorzystuje do swojego doktoratu.

DA: Ok, czyli siedzisz tam głównie na miejscu, a tutaj tylko wpadasz od czasu do czasu.

WB: Tak, dokładnie.

DA: Czy to jest taka ścieżka typowa ścieżka dla fizyka jądrowego?

WB: Raczej te badania prowadzi się, przynajmniej większość, jeśli chodzi o studia doktoranckie to raczej zostaje się na swojej uczelni macierzystej i na CERN można wyjechać na krótkie okresy, krótkie praktyki, czyli na przykład przyjechać na wakacje. CERN daje możliwość takich krótkich pobytów, aby mieć też okazję popracować trochę ze sprzętem, nie tylko nad analizą danych, bo tak naprawdę analizę danych można robić zewsząd, offline. Jest to głównie praca zdalna, natomiast praca ze sprzętem wymaga już obecności w CERN-ie.

DA: Mowa jest o tym jeszcze, że tam są te tysiące, tysiące, tysiące ludzi, ale koniec końców jesteście podzieleni na zespoły, a ktoś siedzi przy komputerze i stuka w te klawisze. Zastanawiam się nad przejściem między tą skalą. Jak to na co dzień jest? Jak często sam siedzisz z lutownicą, czy z komputerem, a jak często jest to praca w zespole? Jak to tak na co dzień wygląda?

WB: Teraz akurat kończymy modernizację. Zorganizowane jest to w ramach takich okresów testowych. To znaczy mamy taki dwutygodniowy lub trzymiesięczny okres, podczas którego przyjeżdża jak najwięcej osób, jak najwięcej ekspertów, do CERN-u i staramy się wtedy zrobić jak najwięcej, jeśli chodzi o harware i instalację tej nowej elektroniki chociażby. Na co dzień moja grupa w CERN-ie jest dosyć mała, więc głównie na co dzień pracuję sam.

DA: Ok, to dobra to jeszcze pytanie o to skąd ty się tam w sumie wziąłeś? Zakład Fizyki Jądrowej na Politechnice Warszawskiej jest całkiem duży, ale chyba większość osób siedzi na miejscu. Czy łatwo jest zostać takim fizykiem jądrowym?

WB: Pierwszy raz kontakt z CERN-em miałem podczas studiów inżynierskich, gdzie po prostu po wykładzie porozmawialiśmy jak wygląda taka praca naukowca na Politechnice Warszawskiej i dostaliśmy wtedy zaproszenie do grupy na Politechnice, zajmującej się fizyką zderzeń ciężkich jonów. Po spotkaniu grupy mieliśmy przyjemność rozmowy z różnymi osobami i tak wyraziliśmy chęć wyjazdu do CERN-u. Okazało się, że taki wyjazd był możliwy w ramach naszych praktyk wakacyjnych i tak udało się złapać pierwszy kontakt z CERN-em. Po przejściu na studia magisterskie znalazłem możliwość wyjazdu na kontrakty gwarantowane już przez sam CERN. Takim kontraktem jest właśnie doctoral student, na którym jestem, dzięki któremu mogę przebywać w CERN-ie przez 3 lata, prowadząc badania.

DA: Nie wiem, czy miałeś przyjemność słuchać naszych poprzednich rozmów, ale to bardzo często właśnie wychodzi, że jak się myśli o takiej wielkiej skomplikowanej współpracy międzynarodowej, to jak ktoś tego nie robił, to się wydaje strasznie trudne, a właściwie wszyscy rozmówcy mówią z grubsza to samo: poszliśmy, zagadaliśmy albo napisaliśmy maila, odpisali i zaczęliśmy międzynarodowy projekt i tak dalej, i tak dalej. Wszystkim, którzy jeszcze szukają tego pomysłu na współpracę albo studentom, którzy marzą o takiej karierze, to polecamy. Warto pójść i zagadać, a nie siedzieć biernie w ostatnim rzędzie. Wojtku pozostaje mi życzyć skończenia tej modernizacji i owocnych wyników i liczymy na to, że w końcu dowiemy się jak to było z tym przejściem fazowym z początku wszechświata. Dziękuję bardzo za rozmowę. Do usłyszenia w następnym odcinku podcastu.