Eksperymentalne aspekty badania korelacji femtoskopowych w zderzeniach relatywistycznych ciężkich jonów (Hanna Zbroszczyk)

Przedstawione tu opracowanie mieści dane dotyczące metody pomiarów czasowo-przestrzennych charakterystyk zderzeń relatywistycznych hadronów i ciężkich jonów przez analizę korelacji cząstek emitowanych w badanych zderzeniach.

Rozwijana poprzez prawie pół wieku metoda femtoskopii korelacyjnej stanowi spektakularny przykład związków odległych na pozór działów fizyki, wzajemnej stymulacji metod eksperymentalnych i opisu teoretycznego, oraz roli uzyskiwanych wyników w rozumieniu mechanizmów badanych procesów.

Dlatego eksperymentalne aspekty tej metody przedstawione zostały na tle jej historycznego rozwoju i w zestawieniu z opisem podstaw teoretycznego formalizmu i atrybutyzacji efektów korelacyjnych oraz roli femtoskopii w rozwoju modeli teoretycznych.

Praca początkuje się od wstępu, po którym następuje wprowadzenie w zderzenia ciężkich jonów. Mimo że większość pracy opisuje badania z zakresu zderzeń ciężkich jonów, wspomniane zostaną także wyniki femtoskopowe pochodzące ze zderzeń elementarnych, np.

protonproton, które są traktowane jako informacje referencyjne - punkt odniesienia. Rozdział trzeci został poświęcony drodze rozwoju femtoskopii korelacyjnej, w którym zostały zebrane najważniejsze, femtoskopowe „kamienie milowe", począwszy od prekursorów, inspiracji, poprzez pierwsze rozważania teoretyczne oparte na interferometrii pionów i opisie statystyki kwantowej, korelacje układu dwóch protonów oraz ich oddziaływaniu w stanach końcowych.

Pokazano także pierwsze wyniki eksperymentalne dotyczące układów neutralnych mezonów π0 i neutronów, kiedy to skupiano się na geometrycznej interpretacji rezultatów femtoskopowych. Końcowe lata ubiegłego wieku to niezwykle dynamiczny rozwój nowych aspektów, to czas, kiedy zainteresowano się pojęciem asymetrii czasowo-przestrzennej w przypadku korelacji cząstek nieidentycznych, to także jakże intensywny rozwój nowych technik (m.in.

„imaging’u"). Wraz z uruchomieniem kompleksu RHIC w laboratorium w Brookhaven, XXI wiek otworzył przed naukowcami zupełnie nowe możliwości. Po raz pierwszy w historii zarejestrowane zostało przejście materii ze stanu hadronowego do stanu kwarkowego, korelacje femtoskopowe naturalnie towarzyszyły bezprecedensowym odkryciom.

Kilkanaście lat później okazało się, że o ile rejestracja nowego stanu była bezprecedensowa, kiedy to eksperymenty realizujące zderzenia ciężkich jonów zweryfikowały przypuszczenie odnośnie stanu plazmy kwarkowo-gluonowej, kiedy zamiast spodziewanych własności gazu doskonałego plazma okazała się być niemalże nadzwyczajną cieczą - to sam moment przejścia fazowego ze stanu hadronowego do kwarkowego wydał się także, o ile choćby nie bardziej, ciekawy.

W tym celu fizycy eksperymentalni skierowali swoje zainteresowanie w stronę niższych energii zderzenia, które pozwoliły przyjrzeć się charakterystykom przejścia fazowego. Badania okazały się być na tyle fascynujące,obecnie planowane jest uruchomienie kolejnych kompleksów, które pozwolą eksplorować ten obszar diagramu fazowego z jeszcze większą precyzją.

Po przeglądzie dotychczasowych osiągnięć i omówieniu potencjalnych perspektyw rozwoju został opisany formalizm korelacji femtoskopowych, skupiający się zarówno na omówieniu zróżnicowanych efektów korelacyjnych dla rozmaitych układów par (nieoddziałujących mezonów, barionów, cząstek nieidentycznych, itd.) z uwzględnieniem zarówno efektów statystyki kwantowej, jak i oddziaływań w stanach końcowych.

Oddzielna część pracy została poświęcona przeróżnym właściwościzacjom funkcji korelacyjnej, począwszy od prac Kopyłowa-Podgoreckiego, po tradycyjną, typowo dzisiaj używaną właściwościzację gaussowską, przez przeróżne układy odniesienia, w jakich mierzone są korelacje femtoskopowe, aż po alternatywne właściwościzacje funkcji korelacyjnych: sferyczne funkcje harmoniczne czy zależności azymutalne.

Kolejny rozdział został poświęcony eksperymentom zderzeń ciężkich jonów, jakie obecnie zajmują się badaniami korelacji femtoskopowych, m.in. STAR, ALICE, NA49 i NA61/SHINE, a także tym dopiero planowanym: CBM czy MPD.

nad wyraz dużo miejsca poświęcono w pracy na opis procedur analizy danych doświadczalnych, począwszy od omówienia kryteriów selekcji informacji eksperymentalnych, aż po najróżniejsze korekcje, którym należy poddać eksperymentalną funkcję korelacyjną: ze względu na zmierzone tło zawierające korelacje niefemtoskopowe (zostało omówione kilka rozmaitych, niezwykle znacznych przykładów takich korelacji, których nieuwzględnienie może prowadzić do błędnej interpretacji wyników), korekcje na skończoną rozdzielczość detektora czy możliwość poprawnej identyfikacji cząstki - ze względu na jej typ, jak na dodatek ze względu na niemożność odseparowania produktów rozpadów od cząstek pierwotnych.

Ostatni rozdział opowiada o tym, jakie znaczenie ma femtoskopia dla rozwoju modeli teoretycznych, zostały omówione przykładowe modele, które przede wszystkim są używane w femtoskopii. Pracę zamyka krótkie podsumowanie, wnioski i możliwości dalszego rozwoju dziedziny femtoskopii korelacyjnej.