Detektor WASA pomoże wyjaśnić tajemnicę istnienia materii

Detektor WASA działa przy akceleratorze COSY w niemieckim ośrodku Forschungszentrum w Julich niedaleko Bonn. Trafił tam ze Szwecji, gdzie powstała jego pierwsza wersja, zbudowana przy akceleratorze CELSIUS w Uppsali we współpracy fizyków szwedzkich i polskich.

Odpowiedzi na pytania dotyczące pochodzenia materii we wszechświecie poszukuje się również m.in. w akceleratorze LHC, gdzie cząstki elementarne są rozpędzane do największych obecnie dostępnych w laboratoriach energii. Jednak nie jest wykluczone - zwraca uwagę rzecznik IPJ - że nowe informacje o łamaniu podstawowych symetrii obowiązujących w procesach fizycznych można uzyskać także przy znacznie niższych energiach:
w rozpadach niektórych cząstek elementarnych.

Operacja polegająca na zamianie cząstki w antycząstkę
w połączeniu z odbiciem lustrzanym jest przez fizyków określana jako symetria CP. Łamanie tej symetrii udało się już wcześniej zauważyć w rozpadach niektórych tzw. mezonów K oraz B (mezony to cząstki nietrwałe, składające się z jednego kwarka
i jednego antykwarka).

"Skala tych zjawisk nie pozwala jednak wytłumaczyć obserwacji astronomicznych, wyraźnie wskazujących na dominację materii nad antymaterią we wszechświecie. W pomiarach rozpoczętych niedawno przy detektorze WASA próbuje się więc zaobserwować łamanie symetrii CP w rozpadach mezonów eta, które składają się
z kwarków najlżejszych, najbardziej rozpowszechnionych we Wszechświecie" - informuje dr Pawłowski.

Podkreśla, że zadanie jest jednak niezwykle trudne. "Nasza najlepsza teoria opisująca budowę materii, Model Standardowy, przewiduje, że do niektórych specyficznych rozpadów mezonów eta dochodzi zaledwie raz na wiele milionów zdarzeń" - przypomina.

Detektor WASA z wyglądu przypomina najeżoną wypustkami kulę. Jego charakterystyczną cechą jest możliwość identyfikacji i pomiaru cząstek rozbiegających się pod różnymi kątami. "Za pomocą WASY potrafimy zarejestrować produkty rozpadu rozchodzące się od punktu, w którym zaszło oddziaływanie, niezależnie od tego, czy polecą one w przód, do tyłu czy też na boki" - opisuje prof. Joanna Stepaniak z IPJ.

Jak tłumaczy dr Pawłowski, eksperyment WASA-at-COSY jest realizowany w wielu kilkotygodniowych sesjach pomiarowych, podczas których za każdym razem gromadzi się terabajty danych. Ich analiza, prowadzona m.in. przez badaczy z IPJ, jest żmudna
i skomplikowana. Do tej pory naukowcy zarejestrowali dziesiątki milionów zdarzeń z udziałem mezonów eta i wyselekcjonowali z nich około 100 przypadków interesujących rozpadów.

Pierwsze wnioski naukowcy będą mogli sformułować dopiero po przeprowadzeniu analizy statystycznej przynajmniej kilku tysięcy przypadków. Aby zebrać odpowiednią ilość danych, doświadczenia z udziałem detektora WASA będą prowadzone jeszcze przynajmniej dwa lata.

Przy okazji badacze szukają w zgromadzonych danych śladów zjawisk sugerujących istnienie nowych praw fizycznych. Zgodnie
z przewidywaniami Modelu Standardowego, niektóre procesy
z udziałem cząstek elementarnych powinny występować nie częściej niż np. raz na bilion przypadków. Gdyby naukowcy rejestrowali je częściej, byłaby to sugestia, że widzimy zjawisko nieopisane przez obecne teorie budowy materii.

"Możemy się pochwalić, że wyniki eksperymentalne przedstawione w dwóch pracach przygotowanych z dużym wkładem naszego instytutu znalazły się w światowej bazie danych Particle Data Group jako te, które wyznaczają najlepsze ograniczenia na częstość występowania tego typu procesów" - podkreśla prof. Stepaniak.

Rzecznik IPJ dodaje, że naukowcy z Instytutu Problemów Jądrowych w Świerku wnieśli do eksperymentu WASA-at-COSY nie tylko wkład teoretyczny. Zbudowali również kilka warstw detekcyjnych detektora WASA otaczających nadprzewodzącą cewkę.

"W IPJ zaprojektowano również część mechaniczną detektora,
a oddział w Łodzi zbudował system do kalibrowania za pomocą światła laserowego ponad 2 tys. elementów detektora" - opisał dr Pawłowski.