Aparitia Fizicii nucleare relativiste. Directii de dezvoltare

Aparitia Fizicii nucleare relativiste. Directii de dezvoltare

Studiile intense intreprinse dupa cel de al doilea razboi mondial in domeniul Fizicii nucleare si particulelor elementare au inclus si multe experimente care foloseau radiatia cosmica primara pentru inducerea unor interactii de interes. Aceste studii au permis descoperirea componentei de ioni grei relativisti a radiatiei cosmice primare. Aceasta descoperire - facuta in anul 1948 de catre Freier si colaboratorii sai - au pus bazele unui domeniu nou si extrem de interesant al Fizicii nucleare, anume: Fizica nucleara relativista. Exista foarte multe moduri de definire pentru acest domeniu. Una din definitii considera ca Fizica nucleara relativista este fizica fenomenelor multibarionice care se produc atunci cand patratul impulsului pe nucleon este mai mare decat patratul masei de repaus a nucleonului: (relatie scrisa folosind sistemul natural de unitati).

Primele studii de Fizica nucleara relativista facute in experimente cu ioni grei relativisti din radiatia cosmica primara au evidentiat unele caracteristici fundamentale ale ciocnirilor nucleu-nucleu la energii inalte. Printre acestea se numara: sectiuni eficace de interactie mari, multiplicitati mari ale particulelor cu sarcina, existenta unor fragmente nucleare grele, abundenta particulelor neutre in starea finala, dependenta dinamicii ciocnirii de geometria ciocnirii. Etapele urmatoare din evolutia Fizicii nucleare relativiste au confirmat complexitatea deosebita a interactiilor specifice domeniului.

Complexitatea deosebita a ciocnirilor nucleu-nucleu la energii inalte si foarte inalte impune mijloace si metode experimentale deosebite pentru obtinerea de informatii experimentale semnificative, utile in cunoasterea structurii materiei nucleare si a interesantelor procese si fenomene fizice care se produc aici. De aceea, este necesar ca experimentele sa asigure toate conditiile pentru obtinerea unei informatii experimentale cat mai complete si sa permita o analiza rapida, corecta si completa a acesteia. Pentru asigurarea acestora este necesara cunoasterea principiilor de baza ale principalelor mijloace experimentale existente in prezent, precum si a fundamentelor fizice ale metodelor experimentale folosite. De complexitatea si performantele mijloacelor experimentale, precum si de profunzimea bazelor fizice si adecvarea metodelor experimentale depinde calitatea informatiei fizice obtinute. De aceea, este necesara cunoasterea acestora, iar prima parte a cursului se va ocupa de prezentarea celor mai importante aspecte referitoare la mijloacele si metodele experimentale din Fizica nucleara relativista. Prezentarea lor va tine seama de cele doua etape majore din istoria acestui domeniu, anume:

(i) etapa razelor cosmice [1-3];

(ii) etapa sistemelor de accelerare [1-3].

Remarca În curs, prin sistem de accelerare se intelege aceea combinatie de mai multi acceleratori folosita pentru obtinerea energiei finale pe nucleon pentru tipul de ion accelerat, fiecare dintre acceleratori avand un rol bine definit in obtinerea tipului de fascicul dorit si a energiei acestuia.

Prima din aceste etape a debutat in anul 1948 odata cu descoperirea de catre Freier si colaboratorii sai a componentei de ioni grei relativisti a radiatiei cosmice primare si folosirea ei in experimente care foloseau ca detectori emulsiile nucleare. Acestei prime etape din dezvoltarea Fizicii nucleare relativiste ii revine meritul de a fi relevat - in pofida dificultatilor legate de conditiile experimentale - problemele fundamentale ale domeniului.

Cea de a doua etapa a inceput odata cu intrarea in functiune a primului sistem de accelerare pentru ioni grei relativisti, in luna august a anului 1970, la Institutul Unificat de Cercetari Nucleare (IUCN) de la Dubna (azi, in Rusia) [1-6]. Acest sistem de accelerare a fost Sincrofazotronul U-10 - care accelera, pana atunci, numai protoni la energii pana la 10 GeV - dotat cu o noua sursa de ioni si un accelerator liniar intermediar pentru injectarea fasciculului dorit in sincrofazotron.

În cadrul acestei a doua etape putem distinge cateva perioade care au trasaturi specifice, atat in plan experimental, cat si in cel al abordarilor teoretice. Obiectivele urmarite in experimente au depins de acestea. Se pot distinge trei perioade importante in cadrul etapei sistemelor de accelerare. Prima perioada este cuprinsa intre anii 1970 si 1986. Ea se caracterizeaza prin sisteme de accelerare care permit energii de accelerare de cativa GeV/nucleon si are ca obiective fundamentale determinarea unor caracteristici generale ale ciocnirilor nucleare relativiste si stabilirea unor mecanisme de producere de particule. Cea de a doua perioada incepe in anul 1986, prin intrarea in functiune a unor sisteme de accelerare care permit energii de accelerare de zeci si sute de GeV/nucleon, cum sunt cele de la Centrul European de Cercetari Nucleare [Centre Européen des Récherches Nucléaires (CERN)] din Geneva (Elvetia) si de la Laboratorul National Brookhaven [Brookhaven National Laboratory (BNL)] din Upton, New York, SUA. Obiectivelor anterioare ale experimentelor de Fizica nucleara relativista le pot fi adaugate cautari mai sistematice ale semnalelor experimentale ale unor tranzitii de faza in materia nucleara, cu accent deosebit pe cautarea tranzitiei de faza la plasma de cuarci si gluoni. Aceasta perioada a etapei a doua este continuata de cea de a treia perioada, anume cea a sistemelor de accelerare de tip "collider". Ea debuteaza in anul 1999 prin intrarea in functiune a Collider-ului pentru ioni grei relativisti [Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC)] de la Laboratorul National Brookhaven (SUA). Obiectivul major al celei de a treia perioade este punerea in evidenta a tranzitiei de faza la plasma de cuarci si gluoni in ciocniri nucleu-nucleu la energii peste 100 A GeV, in sistemul laboratorului. Evidentierea formarii plasmei de cuarci si gluoni va permite stabilirea unor conexiuni cu fenomenele care au avut loc in prima microsecunda de la "Explozia primordiala" ("Big Bang"). Se va implini astfel ceea ce David Scott spunea cu aproape doua decenii in urma: "Fizica nucleara relativista a inceput in ceruri si tot acolo se va implini" [2]. Prin aceasta se va demonstra rolul fundamental al Fizicii nucleare relativiste, anume cel de punte de legatura intre Fizica nucleara clasica, Fizica particulelor elementare si Cosmologie [3,7].

Sistemele de accelerare construite in cele trei perioade ale etapei a doua coexista, aducandu-si contributiile specifice la dezvoltarea domeniului Fizicii nucleare relativiste.

O problema majora care se pune in studiul ciocnirilor nucleu-nucleu la energii inalte este aceea a detectarii numeroaselor particule si fragmente create in astfel de ciocniri. Datorita ratei mari de informatii si necesitatii stabilirii unui numar mare de marimi care sa caracterizeze o particula detectata sau un fragment detectat este de dorit ca in astfel de experimente sa se foloseasca sisteme de detectori care sa dispuna de un anumit numar de nivele de decizie. În prezent se considera 5 nivele de decizie pentru un sistem de detectori dintr-un aranjament experimental pentru studiul ciocnirilor nucleu-nucleu la energii inalte, si anume:

(i) declansare primara;

(ii) declansare secundara;

(iii) lucrul 'in linie' cu microprocesoare programabile;

(iv) filtrare 'in linie' a informatiei inainte de inregistrare;

(v) monitorare si control 'in linie' cu ajutorul calculatorului.

Detectorii care fac parte din astfel de sisteme folosite in prezent in experimente de Fizica nucleara relativista nu au la baza principii de detectie noi [1,3,5-12]. Ei sunt inclusi in aranjamente experimentale complexe pentru a se obtine maxim de informatie experimentala in problema de interes abordata. Intrarea in functiune a sistemelor de accelerare de tip 'collider' va face necesara aparitia unor principii de detectie noi [13-15].

Gama de detectori folositi in experimentele de pana acum este extrem de larga - de la emulsii nucleare la detectori solizi de urme si calorimetre - iar aranjamentele experimentale cuprind mai multe tipuri de astfel de detectori. Toate marile laboratoare care lucreaza in domeniul Fizicii nucleare relativiste dispun de mai multe sisteme de detectori deosebit de complexe, dedicate unor anumite tipuri de experimente [1,3,6-12].

Metodele experimentale asociate sunt in concordanta cu sistemele de accelerare si sistemele de detectori folosite. În cele ce urmeaza se vor prezenta unele notiuni de baza pentru Fizica acceleratorilor si Fizica detectarii radiatiilor nucleare pentru o mai buna intelegere a problemelor care se pun intr-un experiment de Fizica nucleara relativista. Sunt prezentate si cele mai folosite sisteme de acceleratori si de detectori in cateva mari laboratoare din lume care fac studii in domeniu.