Działalność Zakładu obejmuje następujące problemy z fizyki jądrowej:
Badanie rezonansów jądrowych w rozpadach elektromagnetycznych przy użyciu promieniowania dielektronowego oraz spektrometru HADES@GSI
Badanie stanów wzbudzonych nukleonu (tzw. rezonansów) jest doskonałym narzędziem do zrozumienia natury oddziaływań silnych, które odpowiedzialne są za istnienie hadronów oraz generację masy materii widzialnej we Wszechświecie. Głównym celem badań jest zrozumienie widma mas rezonansów, w szczególności rozwiązanie problemu tzw. brakujących rezonansów, przewidzianych przez model kwarkowy, a niepotwierdzonych eksperymentalnie, oraz ich wewnętrznej struktury. Bazując na dotychczasowych obserwacjach wiemy, że nukleon oraz jego rezonanse nie są prostymi stanami, złożonymi z trzech statycznych kwarków, i że bardzo dużą rolę odgrywa dynamika oddziaływania gluonów, która jest odpowiedzialna za generowanie masy kwarków lekkich \((u, d, s)\) oraz spontaniczne łamanie symetrii chiralnej. Efektem złamania symetrii chiralnej jest pojawienie się kondensatów kwarkowych, które można interpretować jako chmurę otaczającą kwarki i generującą ich masę efektywną. Istotną rolę w opisie własności nukleonów (i rezonansów) odgrywa także chmura mezonowa otaczającej rdzeń kwarkowy.
Produkcja i rozpady rezonansów barionowych w reakcjach indukowanych pionami
Program eksperymentalny HADES koncentruje się na dwóch głównych celach. Pierwszym z nich jest pomiar emisji dielektronów (par elektron – pozyton) ze skompresowanej materii barionowej powstałej w zderzeniach ciężkich jonów oraz zbadanie właściwości hadronu w ośrodku. Drugim celem jest zbadanie produkcji dielektronów w elementarnych zderzeniach proton – proton \((pp)\) i pion – proton \((\pi p)\) oraz poznanie struktury elektromagnetycznej barionów. Oba cele są komplementarne w tym sensie, że zrozumienie efektów w ośrodkach obejmuje również badania dielektronowych niezmiennych widm masowych w elementarnych reakcjach \(\pi p\), \(pp\). Zderzenia elementarne, zwłaszcza te z wiązkami pionów, dają również doskonałą okazję do badania rezonansów barionowych, czyli krótkotrwałych stanów wzbudzonych nukleonów i ich sprzężenia z lekkimi mezonami wektorowymi \((\rho/\omega)\), które odgrywają zasadniczą rolę w modyfikacjach ich własności w ośrodku.
Badanie produkcji i rozpadów elektromagnetycznych hiperonów przy energiach SIS18/FAIR z wykorzystaniem nowego detektora trakującego w układzie detekcyjnym HADES
Poszukiwanie efektów łamania symetrii odwrócenia czasu
Jako laboratorium w tych badaniach wykorzystujemy rozpad swobodnych neutronów. Poszukiwane źródło łamania symetrii, może ujawnić się w niezerowej wartości elektrycznego momentu dipolowego neutronu jak również w egzotycznych, bo niezwykle trudnych do zmierzenia współczynnikach korelacji w tym rozpadzie (jak na przykład współczynnik \(R\), pomiędzy spinem neutronu, pędem elektronu pochodzącego z jego rozpadu oraz poprzeczną polaryzacją tego elektronu). Eksperymenty prowadzone są w Instytucie Paula Scherrera, Villigen w Szwajcarii.
Badanie własności materii jądrowej w zderzeniach ciężkich jonów przy pośrednich energiach
Wiodącą tematyką w tym zakresie jest badanie zależności energii symetrii od gęstości. Zależność ta ma istotne znaczenie nie tylko w fizyce jądrowej ale także w astrofizyce. Badania eksperymentalne prowadzone były w GSI (eksperyment ASY-EOS) oraz kontynuowane w RIKEN (współpraca S\(\pi\)RIT). Z badaniami eksperymentalnymi związany jest rozwój innowacyjnych technik detekcyjnych (detektory KRATTA oraz KATANA) jak również rozwój metod analizy danych i symulacji modelowych badanych reakcji oraz układów detekcyjnych.
Badanie oddziaływań hadronowych w materii jądrowej
Dobrym laboratorium do badania oddziaływań hadronowych w materii jądrowej są reakcje spalacji jądrowej. Gdy cząstką bombardującą jadro atomowe jest hadron (np. proton) oddziałuje on z nukleonami ośrodka, przekazując do układu jądra energię i pęd. Powoduje też powstanie wewnątrzjądrowej kaskady oddziaływań nukleonów, które zyskały energię w reakcji zderzenia. Mechanizm tego oddziaływania, szybkość dyssypacji energii w bombardowanym jądrze oraz ilość zaangażowanych w kaskadę nukleonów znacząco wpływają na rodzaje, energie i pędy cząstek emitowanych ze wzbudzonego jądra. Odwikływanie mechanizmu oddziaływania hadronowego w materii jądrowej polega na precyzyjnych pomiarach rozkładów cząstek emitowanych w reakcjach spalacji oraz tworzeniu teoretycznych modeli oddziaływania i wzajemnym porównywaniu rezultatów. Wykorzystuje się dane eksperymentu PISA (Proton Induced SpAllation) oraz liczne dane dostępne w literaturze naukowej. Przebieg oddziaływań symuluje się przy pomocy modeli poszczególnych faz reakcji, zarówno własnych – SMC++ (Spallation Model with Cascade++) jak i innych dostępnych modeli takich jak INCL, GEM, ABLA, SMM, GEMINI. Szczególnie interesującym zagadnieniem związanym z oddziaływaniem hadronów w materii jądrowej jest całkiem nieznany jak dotąd mechanizm powstawania cząstek wielonukleonowych (deuterony, trytony, 3He, 4He, ….) o dużych energiach, licznie występujących w danych eksperymentalnych.
Badanie dynamiki oddziaływania jądrowego w układach kilkunukleonowych
Prowadzone prace dotyczą poszukiwania efektów działania różnych składników dynamiki (jak siła 3-ciałowa, oddziaływanie kulombowskie, efekty relatywistyczne) w układach trzy- i cztero-nukleonowych, badanych w dedykowanych eksperymentach przeprowadzonych w Instytucie Fizyki Jądrowej w Groningen (KVI), Forschungszentrum Juelich oraz realizowanych obecnie w Centrum Cyklotronowym Bronowice.