Materia hiperjądrowa z fenomenologii gwiazd neutronowych i hiperjąder
Wśród 38 badaczek i badaczy rozpoczynających karierę naukową, którzy otrzymali granty w konkursie SONATINA 7 jest dwójka naukowców związanych z UWr – dr Maria Ferenc (projekt badawcz „Mordechaj Anielewicz – biografia i pamięć”) i dr Mahboubeh Shahrbaf Motlagh (projekt „Materia hiperjądrowa z fenomenologii gwiazd neutronowych i hiperjąder”).
Na sfinansowanie wszystkich 38 dwu- i trzyletnich projektów NCN przeznaczy w sumie ponad 32 miliony złotych.
Dzisiaj prezentujemy dr Mahboubeh Shahrbaf Motlagh i jej wyróżniony projekt.
Makroskopowy świat wokół nas, znajdujący się w zakresie fizyki niskich energii, jest skomplikowaną kompozycją zawierającą wiele struktur na różnych poziomach. Cząstki fundamentalne najniższego poziomu nazywamy kwarkami. Łączą się one ze sobą, tworząc neutrony i protony – nukleony (zawierające kwarki górne i dolne) z których powstają jądra atomowe. Te jądra, otoczone elektronami, tworzą atomy które łączą się ze sobą tworząc molekuły i inne substancje chemiczne.
Naukowe osiągnięcie fizyki były zawsze zaskakujące i otwierały nowe możliwości badania wszechświata. Jednym z takich osiągnięć jest Model Standardowy Cząstek Elementarnych, który ujawnił obecność cząstek o których mieliśmy ograniczone pojęcie. Wszystkie pierwiastki oddziałowują ze sobą na różne sposoby poprzez wymianę cząstek. Na bardzo krótkich dystansach, gluony, mezony i inne bozony są najważniejszymi pośrednikami oddziaływań. Fotony i grawitony z kolei opisują długodystansowe oddziaływania elektromagnetyczne i grawitacyjne.
Najbardziej zagęszczona materia na ziemi znajduje się w jądrach ciężkich atomów, które można badać za pomocą eksperymentalnego zderzania ciężkich jonów (ang. heavy-ion collision, HIC). Badanie materii w tak wysokich gęstościach jest interesujące, ponieważ w takich warunkach można zaobserwować egzotyczne stany materii, w tym cząstki zawierające jeden lub dwa kwarki dziwne które nie pojawiają się samoistnie w normalnej materii. W modelu standardowym obecność takich stanów jest możliwa dzięki zdefiniowaniu nowej liczby kwantowej, dzwonności, co pozwala rozszerzyć klasyfikację hadronów z nukleonów o dodatkową rodzinę cząstek: hiperiony. Te niesamowite „dziwne” cząstki pozwalają nam lepiej poznać wysokoenergetyczne właściwości materii w warunkach ekstremalnych gęstości i wysokich temperatur. Najlepszym miejscem do obserwacji materii w warunkach ekstremalnych, z gęstościami nawet wyższymi niż obserwowane w HIC, są ciała niebieskie nazywane gwiazdami neutronowymi (NS).
Współczesne obserwacje astrofizyczne sugerują możliwość pojawiania się hiperonów w jądrach tych gwiazd, będących naturalnymi laboratoriami materii w warunkach ekstremalnych. Oprócz hiperonów, w jądrach gwiazd neutronowych spodziewamy się obecności wolnych kwarków, czyli przejścia fazowego z materii hadronowej do kwarkowej w wysokich gęstościach, co również sugerują obserwacje. Warto wspomnieć, że hiperony pozostawiają po sobie zauważalny ślad w ziemskich jądrach atomowych. Takie jądra z hiperonami nazywa się hiperjądrami. Istnieje dynamicznie rozwijana gałąź badań nad tymi obiektami, fizyka hiperjądrowa, a ich znaczenie dla fizyki jądrowej można porównać ze znaczeniem mezoatomów w fizyce atomowej.
Pomimo odkrycia pierwszego hiperjądra ponad 70 lat temu, w 1952, nadal napotykamy wiele niewiadomych z nimi związanych. Wiele zagadek i pytań pozostaje nierozwiązanych w tej dziedzinie fizyki. Jednym z nich jest opis oddziaływań między nukleonami i hiperionami oraz między samymi hiperionami. Rozwiązaniem tego problemu mogą być dokładne dane na temat potencjałów hiperonowych uzyskane dzięki eksperymentom HIC. Na podstawie tych danych można zbudować równania stanu (ang. equation of state, EoS) materii hiperjądrowej za pomocą technik teorii wielu ciał. Dokładna estymacja mikroskopowego równania stanu gęstej materii ma znaczny wpływ na nasze zrozumienie właściwości termodynamicznych materii.
W ramach tego projektu, zamierzam opracować bardziej wszechstronne równania stanu za pomocą dwóch różnych metod teoretycznych. Jedna z nich jest oparta o aproksymację średniego pola oddziaływania barionów z mezonami, wykorzystując chiralnych partnerów barionowych do uzyskania opisu restoracji symetrii chiralnej w sektorze hadronowym, nazywana modelem dubletu parzystości. Druga metoda wykorzystuje realistyczne potencjały par barionowych i nazywa się metodą ograniczonych wariacji najniższego rzędu (ang. lowest order constrained variational method, LOCV). Zamierzam obie metody porównać pod kątem możliwości odtwarzania danych eksperymentalnych i obserwacyjnych. Dodatkowo, zamierzam wykorzystać stworzone równania stanu w konstrukcji przejścia fazowego pierwszego rzędu lub crossover z materii hiperjądrowej do materii złożonej z wolnych kwarków i zbadam warunki wystąpienia takiego przejścia. Obserwacje gwiazd neutronowych mogą służyć do ograniczenia zakresu w jakim może dojść do takich przejść fazowych. Dodanie hiperonowych stopni swobody znacznie wpływa na właściwości termodynamiczne materii w jądrach gwiazd neutronowych oraz gęstej ciepłej materii oddziałującej silnie zgodnie z opisem zawartym w teorii chromodynamiki kwantowej (ang. quantum chromodynamics, QCD).
Z fizycznego punktu widzenia, można się spodziewać wystąpienia tego stopnia swobody w wysokich gęstościach, dlatego wyniki uzyskane z wykorzystaniem takich rozszerzonych równań stanu byłyby bardziej wiarygodnym świadectwem struktury fazowej materii oddziałującej silnie w pełnym zakresie gęstości i temperatur. Te nowe równania stanu powinny pozostać w zgodznie z właściwościami obserwowanymi w niskich gęstościach w okolicy nasycenia jądrowego oraz z ograniczeniami wynikającymi z obserwacji mas i promieni gwiazd neutronowych w wysokich gęstościach. Takie równanie stanu może być wykorzystane w badaniach astrofizycznych oraz w teoretycznym opisie zderzeń ciężkich jonów, a jego wyniki będą mogły zostać przetestowane w przyszłych eksperymentach HIC w placówkach FAIR, NICA oraz w innych nisko energetycznych eksperymentach.
Biogram
Mahboubeh Shahrbaf Motlagh jest obecnie wizytującą badaczką we Frankfurckim Instytucie Studiów Zaawansowanych (Frankfurt Institute for Advanced Studies) we Frankfurcie nad Menem w Niemczech.
Zgłosiła się do Sonatiny 7, będąc stażystką podoktorską (postdoc fellow) w Instytucie Fizyki Teoretycznej Uniwersytetu Wrocławskiego w ramach grantu OPUS nr 2018/31/B/ST2/01663 pod opieką prof. Chihiro Sasaki przez rok. Wcześniej przez rok była stypendystką na stanowisku postdoc w tym samym instytucie jako współpracowniczka grantu OPUS nr 2019/33/B/ST9/03059 pod kierunkiem prof. Davida Blaschke. Mahboubeh Shahrbaf uzyskała tytuł doktora na Uniwersytecie Teherańskim w Iranie w dziedzinie astrofizyki jądrowej w 2020 roku. Jej zainteresowania badawcze obejmują równanie stanu silnie oddziałującej materii, materię hadronową, materię QCD i gwiazdy neutronowe.
Lista nagród i wyróżnień:
– Stypendium Ferdows dla elitarnych doktorantów (Ferdows scholarship for Elite Ph.D. students), Katedra Fizyki Jądrowej, Wydział Fizyki, Uniwersytet w Teheranie – Iran, lato 2018-2019.
– Stypendium Uniwersytetu Teherańskiego na spędzenie 6 miesięcy jako visiting researcher na Uniwersytecie Wrocławskim, luty-sierpień 2019.
– Stypendium na krótkoterminowy wyjazd naukowy (STSM) w ramach akcji COST THOR, na spędzenie 2 tygodni jako visiting researcher na Uniwersytecie w Darmstadt, Niemcy, w czerwcu 2019 r.
Mahboubeh Shahrbaf pracowała jako doktorantka, postdoc i visiting researcher na Uniwersytecie Teherańskim, Uniwersytecie Technicznym w Darmstadt, Uniwersytecie Wrocławskim i Uniwersytecie Goethego we Frankfurcie, co zaowocowało następującymi publikacjami w recenzowanych czasopismach:
1. doi: 10.1103/PhysRevD.107.054011
2. doi: 10.1103/PhysRevD.105.103005
3. doi: 10.1103/PhysRevC.100.044314
4. doi: 10.1103/PhysRevC.101.025807
5. doi: 10.1088/1361-6471/abaa9a
6. doi: 10.1016/j.aop.2019.01.008
oraz dwa artykuły konferencyjne:
1. doi: 10.1088/1742-6596/2536/1/012001
2. doi: 10.1051/epjconf/202227407011
oraz współtworzenie rozdziału książki:
doi: org/10.1142/9789811220913_0008
Mahboubeh Shahrbaf przez 9 lat prowadziła wykłady z fizyki, takie jak: Fizyka Ogólna II (Elektryczność i Magnetyzm) i Laboratorium, Fizyka I (Mechanika) i Laboratorium, Optyka, Metody Matematyczne dla Fizyki I, Elektromagnetyzm, Mechanika Kwantowa.
