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

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

Rozwijana przez prawie pół wieku metoda femtoskopii korelacyjnej stanowi piękny przykład związków odległych na pozór działów fizyki, wzajemnej stymulacji metod eksperymentalnych i opisu teoretycznego,, a także 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 cechyzacji efektów korelacyjnych, a także roli femtoskopii w rozwoju modeli teoretycznych.

Praca zaczyna 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, przez 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 oraz neutronów, kiedy to skupiano się na geometrycznej interpretacji rezultatów femtoskopowych. Końcowe lata ubiegłego wieku to bardzo dynamiczny rozwój nowych aspektów, to czas, kiedy zainteresowano się pojęciem asymetrii czasowo-przestrzennej w sytuacji 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 świeże możliwości. Po raz pierwszy w historii zarejestrowane zostało przejście materii ze stanu hadronowego do stanu kwarkowego, korelacje femtoskopowe naturalnie towarzyszyły rewolucyjnym odkryciom.

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

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,aktualnie planowane jest uruchomienie kolejnych kompleksów, które pozwolą eksplorować ten obszar diagramu fazowego z jeszcze pokaźniejszą precyzją.

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

Oddzielna część pracy została poświęcona rozmaitym właściwościzacjom funkcji korelacyjnej, począwszy od prac Kopyłowa-Podgoreckiego, po klasyczną, typowo teraz stosowaną właściwościzację gaussowską, przez przeróżne układy odniesienia, w jakich mierzone są korelacje femtoskopowe, aż po alternatywne parametryzacje 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 i tym dopiero planowanym: CBM czy MPD.

nad wyraz sporo 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 zróżnicowanych, wyjątkowo 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 rodzaj, jak dodatkowo 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 z reguły są używane w femtoskopii. Pracę zamyka niedługie podsumowanie, wnioski i możliwości dalszego rozwoju dziedziny femtoskopii korelacyjnej.