Eksperymentalne aspekty badania korelacji femtoskopowych w zderzeniach relatywistycznych ciężkich jonów

Przedstawione tu opracowanie zawiera 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, oraz roli uzyskiwanych wyników w rozumieniu mechanizmów badanych procesów. Dlatego eksperymentalne aspekty tej metody przedstawione zostały na tle jej historycznego rozwoju oraz w zestawieniu z opisem podstaw teoretycznego formalizmu i parametryzacji efektów korelacyjnych, a także roli femtoskopii w rozwoju modeli teoretycznych. Praca rozpoczyna się od wstępu, po którym następuje wprowadzenie w zderzenia ciężkich jonów. Mimo iż większość pracy opisuje badania z zakresu zderzeń ciężkich jonów, wspomniane zostaną także wyniki femtoskopowe pochodzące ze zderzeń elementarnych, np. protonproton, które są traktowane jako dane 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 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 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 przełomowym odkryciom. Kilkanaście lat później okazało się, że 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 idealnego plazma okazała się być niemalże idealną 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, że obecnie planowane jest uruchomienie kolejnych kompleksów, które pozwolą eksplorować ten obszar diagramu fazowego z jeszcze większą precyzją. Po przeglądzie dotychczasowych osiągnięć oraz omówieniu potencjalnych perspektyw rozwoju został opisany formalizm korelacji femtoskopowych, skupiający się zarówno na omówieniu różnych efektów korelacyjnych dla różnych 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 różnym parametryzacjom funkcji korelacyjnej, począwszy od prac Kopyłowa-Podgoreckiego, po klasyczną, najczęściej teraz stosowaną parametryzację gaussowską, poprzez różne 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, a także tym dopiero planowanym: CBM czy MPD. Bardzo wiele miejsca poświęcono w pracy na opis procedur analizy danych doświadczalnych, począwszy od omówienia kryteriów selekcji danych eksperymentalnych, aż po różne korekcje, którym należy poddać eksperymentalną funkcję korelacyjną: ze względu na zmierzone tło zawierające korelacje niefemtoskopowe (zostało omówione kilka różnych, niezwykle istotnych 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 również 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 najczęściej są wykorzystywane w femtoskopii. Pracę zamyka krótkie podsumowanie, wnioski i możliwości dalszego rozwoju dziedziny femtoskopii korelacyjnej.