Krok w kierunku wrzenia próżni
2025-07-11
Wydział Fizyki Uniwersytetu Warszawskiego jest członkiem międzynarodowego projektu LUXE, przygotowującego eksperyment w laboratorium Europejskiego Lasera na Swobodnych Elektronach (Eu.XFEL) w Hamburgu. Jednym z kluczowych elementów przygotowań do eksperymentu były testy prototypu wysokiej gęstości kalorymetru ECAL-P, zaprojektowanego do pomiaru energii i widma pozytonów. W pracach przygotowawczych oraz testach prototypu na wiązce DESY II uczestniczyło trzech pracowników naszego Wydziału: dr hab. Grzegorz Grzelak, dr inż. Piotr Zbińkowski oraz prof. Aleksander Filip Żarnecki, którzy współpracowali z 20 członkami zespołu realizującego ten projekt.
Wydział Fizyki Uniwersytetu Warszawskiego jest członkiem międzynarodowego projektu LUXE (Laser Und XFEL Experiment). Projekt zakłada przeprowadzenie przełomowego eksperymentu w laboratorium Europejskiego Lasera na Swobodnych Elektronach (Eu.XFEL) w Hamburgu. Jego celem jest badanie zjawisk elektrodynamiki kwantowej (QED) w obszarze bardzo silnych pól elektromagnetycznych.
Podczas eksperymentu planowane jest zderzenie silnie zogniskowanej wiązki lasera o dużej mocy (350 TW) z wysokoenergetyczną wiązką elektronów (16,5 GeV). W wyniku tego zderzenia po raz pierwszy w warunkach laboratoryjnych zostanie wytworzone pole elektryczne o natężeniu przekraczającym wartość krytyczną 1018 V/m. W tak silnych polach dochodzi do spontanicznej kreacji par elektron–pozyton (e⁻e⁺), określanej jako „tunelowanie z próżni”. W zależności od natężenia wiązki światła lasera, w pojedynczym zderzeniu może powstać ponad milion par cząstek. W ognisku lasera dochodzi wówczas do tzw. "wrzenia próżni".
Jednym z kluczowych elementów przygotowań do eksperymentu LUXE były testy prototypu wysokiej gęstości kalorymetru ECAL-P, zaprojektowanego do precyzyjnego pomiaru energii i widma pozytonów powstających podczas zderzeń. Testy przeprowadzono w czerwcu 2025 roku na wiązce testowej w ośrodku DESY w Hamburgu.
Kalorymetr ECAL-P ma warstwową strukturę zbudowaną z naprzemiennie ułożonych płyt wolframowego absorbera o grubości 3,5 mm oraz umieszczonych pomiędzy nimi sensorów krzemowych o grubości 320 mikronów. Wydział Fizyki UW odpowiada za projekt i konstrukcję mechanicznych elementów kalorymetru, w szczególności systemu precyzyjnego pozycjonowania płyt wolframowych i sensorów krzemowych.
W testach kalorymetru uczestniczyli trzej pracownicy naszego Wydziału: dr hab. Grzegorz Grzelak, dr inż. Piotr Zbińkowski oraz prof. Aleksander Filip Żarnecki, wspólnie z 20 członkami międzynarodowego zespołu współpracującego przy projekcie. W trakcie tygodniowych testów z sukcesem zbadano działanie podstawowych podzespołów: sensorów krzemowych wraz z okablowaniem z folii kaptonowej, elektroniki odczytu oraz infrastruktury mechanicznej. Podczas testów zebrano około 30 TB danych zawierających ponad 300 milionów przypadków pojedynczych torów cząstek oraz kaskad elektromagnetycznych powstających w kalorymetrze. Zgromadzony materiał stanowi cenny zestaw danych do oceny działania prototypu i jego dalszego rozwoju.
Instytucje uczestniczące w projekcie LUXE ECAL-P:
- Wydział Fizyki, Uniwersytet Warszawski, Polska
- Wydział Fizyki i Informatyki Stosowanej, Akademia Górniczo-Hutnicza w Krakowie, Polska
- IFIC, Uniwersytet w Walencji i CSIC, Paterna, Hiszpania
- Instytut Nauk Kosmicznych (ISS), Bukareszt, Rumunia
- Uniwersytet w Tel Awiwie, Tel Awiw, Izrael
- Niemiecki Synchrotron Elektronowy DESY, Hamburg, Niemcy
Więcej informacji o projekcie:
LUXE Collaboration, Abramowicz, H., Almanza Soto, M. et al. Technical Design Report for the LUXE experiment. Eur. Phys. J. Spec. Top. 233, 1709–1974 (2024). https://doi.org/10.1140/epjs/s11734-024-01164-9