Zameranie

Oddelenie sa orientuje na výskum štruktúry elementárnych častíc a jadrovej hmoty v ambicióznych experimentálnych projektoch svetových urýchľovačových centier, akými v minulosti boli Spojený ústav jadrových výskumov v Dubne pri Moskve, ústav Deutsches Elektronen Synchrotron v Hamburgu a v súčasnosti ústav Fermilab v Batavii, USA a hlavne CERN Ženeva. V súčasnosti profilujú oddelenie dve hlavné výskumné témy a to štúdium vlastností top kvarku a skúmanie vlastností jadrovej hmoty v extrémnych podmienkach.

Top kvark

Poznanie  základných elementárnych jednotiek štruktúry matérie je cieľom poznania už od čias Democrita, teda viac ako 2000 rokov. Avšak iba za posledných niečo vyše 100 rokov táto snaha  dostala reálny obsah, ktorý za rovnaké obdobie prechádzal radikálnymi zmenami. Najskôr za najzákladnejšie jednotky matérie boli považované atómy, čoskoro sa zistilo, že vnútri atómov existujú jadrá, v jadrách nukleóny, v nukleónoch kvarky.

Súčasný pohľad na štruktúru matérie vyjadruje obrázok vyššie. Prvý riadok reprezentujú kvarky a leptóny, druhý riadok častice sprostredkujúce interakcie medzi kvarkami a leptónmi a v poslednom riadku sa nachádza jediná častica, ktorej existencia je teoreticky predpovedaná avšak zatiaľ nebola experimentálne objavená – tzv. Higgsova častica. Dôležitosť objavu tejto častice podčiarkuje skutočnosť, že  jej objav je hlavým cieľom mnohomiliardového projektu LHC v medzinárodnom centre pre jadrový výskum  CERN v Ženeve.

Oddelenie subjadrovej fyziky (OSF) sa aktívne podieľalo na  najvýznamnejšom objave vo fyzike vysokých energií za posledných dvadsať rokov – objave top kvarku a skúmaniu jeho vlastností.  Top kvark bol experimentálne objavený v roku 1995 kolaboráciami CDF a D0 na urýchľovacom komplexe TEVATRON v Batavii, USA.

Urychľovač Tevatron v ústave Fermilab v Batavii pre štúdium protón antiprotónových zrážok – miesto objavu top kvarku.

Top kvark má v porovnaní s ostatnými kvarkami rad unikátnych vlastností. Jeho hmotnosť  je zhruba rovnaká ako jadra wolfrámu, rozpadá sa veľmi rýchlo takže počas života nedokáže vytvoriť s iným kvarkom viazaný stav. Tým pádom z rozpadových produktov top kvarku je možné zrekonštruovať jeho pôvodné parametre, ktoré nie sú deformované viazaným stavom. Presné meranie hmotnosti top kvarku napríklad upresní oblasť hmotností kde by sa mohla nachádzať Higgsova častica a dopomôže k jej objavu na LHC.

Skupina z OSF sa zamerala na meranie parametrov top kvarku –  hmotnosti, náboja, spinových vlastností. Vyvinula niekoľko originálnych metód merania týchto parametrov a výsledky (okrem publikácie v renomovaných časopisoch) získali aj niekoľkokrát ocenenie “Výsledok týždňa” v časopise  Fermilab Today.

Skúmanie nového stavu jadrovej hmoty

Protóny a neutróny sú tvorené kvarkami, ktoré spolu drží sila známa ako silná interakcia. Jej zdrojom je výmena častíc zvaných gluóny. Doposiaľ nebol pozorovaný žiaden izolovaný kvark ani gluón – sú navždy uväznené vnútri kompozitných častíc ako sú protóny a neutróny.

Súčasná teória silnej interakcie predpovedá „oslobodenie“ kvarkov a gluónov pri teplotách prevyšujúcich 2000 miliárd K a prechod jadrovej hmoty do stavu kvarkovo-gluónovej plazmy. Také extrémne podmienky existovali v prírode niekoľko milióntin sekundy po Veľkom Tresku. Zrážka dvoch jadier olova urýchlených v LHC na rýchlosť blízku rýchlosti svetla nám umožní získať kvapku horúcej hmoty veľkosti atómového jadra a pozorovať ako prejde procesom rozpínania a ochladenia do stavu normálnej hmoty. Štúdiom takýchto zrážok na LHC nám experiment ALICE  dovolí  nazrieť hlboko do procesov vyvolaných silnou interakciou a nakrátko zhliadnuť na hmotu takú, aká bola okamžite po Veľkom Tresku. Naša účasť v experimente ALICE je pokračovaním 20 ročnej spolupráce s CERN na experimentoch HELIOS, WA-94, WA-97 a NA-57. Aj vďaka našim výsledkom CERN mohol v roku 2000 oficiálne oznámiť, že nový stav hmoty s charakteristikami kvarkovo-gluónovej plazmy bol vytvorený v laboratóriu. Naše výsledky boli odmenené v roku 2002 Cenou SAV.

Schematické zobrazenie umiestnenia urýchľovača LHC (Large Hadron Collider) v ústave CERN Ženeva

Detektor experimentu ALICE na urýchľovači LHC v ústave CERN Ženeva pre štúdium zrážok ťažkých iónov