Problemy naukowe podejmowane w ZFGM:

Zgodnie z powszechnie akceptowanym modelem ewolucji Wszechświata w chwili czasu 10-5 sekundy po Wielkim Wybuchu nastąpiło przejście fazowe pomiędzy plazmą kwarkowo- gluonowo a materią hadronową. Przez krótką chwilę Wszechświat był wypełniony protonami, neutronami, elektronami, fotonami i neutrinami. Po upływie około sekundy temperatura obniżyła się wystarczająco aby rozpoczęła się synteza jąder atomowych. W tej wczesnej fazie ewolucji Wszechświata uformowały się najlżejsze jądra atomowe o masach mniejszych niż 8 jednostek masy atomowej (jądro 12C ma masę 12 j. m. a.). W następnych etapach ewolucji Wszechświata w procesach odbywających się we wnętrzach gwiazd były i są formowane jądra atomowe cięższych pierwiastków. W przypadku gwiazd o masie 10 razy większej niż masa Słońca w końcowej fazie ich życia w procesie eksplozji przestrzeń międzygwiezdna wzbogacana jest o jądra atomowe od helu do uranu. W wyniku tego procesu formowane są także gwiazdy neutronowe. Są one makroskopowymi obiektami jądrowymi o masach około 1.4 masy Słońca i promieniach rzędu 10 km.
Jedyną drogą poznania własności tej formy materii w szerokim zakresie temperatur i gęstości jest studiowanie zderzeń jąder atomowych. W takich zderzeniach tworzymy na krótką chwilę gorące obiekty jądrowe, których gęstość może znacznie odbiegać od gęstości zimnych jąder atomowych. Badania własności takich mikroskopowych kawałków materii jądrowej pomaga w  diagram fazowy materii jądrowej konstrukcji diagramu fazowego (patrz rysunek) oraz poznaniu równania stanu tej formy materii.
Po prawie pięćdziesięciu latach badań zderzeń ciężkich jąder ich mechanizm jest relatywnie dobrze poznany. Odkryto wiele interesujących zjawisk towarzyszących odziaływaniu jąder atomowych przy różnych energiach zderzeń. Przy najniższych energiach zaobserwowano zjawisko kompletnej fuzji, w czasie którego obydwa zderzające się jądra łączą się w jeden gorący obiekt jądrowy, który po krótkim czasie rozpada się emitując lekkie cząstki lub rozszczepia się na dwa fragmenty o podobnych masach. Dla najniższych energii zderzeń, porównywalnych z wysokością bariery kulombowskiej, w procesie fuzji udało się wytworzyć najcięższe znane do tej pory jądra. Na przykład w reakcji 48Ca + 249Cf wytworzono jądro atomowe o liczbie atomowej 118. Przy bardzo wysokich energiach zderzeń dostępnych na akceleratorach: AGS, RHIC (BNL, Brookhaven), SPS, LHC (CERN, Genewa) istnieje możliwość badania własności materii jądrowej przy wysokich gęstościach i temperaturach. Takie warunki umożliwiają poznanie własności przejścia fazowego pomiędzy materią hadronową a plazmą kwarkowo-gluonową. W eksperymentach prowadzonych na akceleratorach RHIC i LHC bada się własności plazmy kwarkowo-gluonowej przy temperaturach rzędu 150 MeV w warunkach jakie panowały w chwili 10-5 sekundy po Wielkim Wybuchu. Nowobudowany akcelerator SIS100 (FAIR, Darmstadt) zapewni możliwość badania własności materii jądrowej przy gęstościach jakie panują we wnętrzach gwiazd neutronowych.
Badania materii jądrowej w pobliżu oczekiwanego punktu krytycznego prowadzone są w ramach eksperymentów STAR i NA61/SHINE. Frank Wilczek, laureat nagrody Nobla z roku 2004 wyraził następującą opinię o projekcie eksperymentu NA61/SHINE: „…według mnie należy podkreślić, że istnienie tego punktu krytycznego jest ważnym przewidywaniem teorii QCD oraz że określenie jego lokalizacji dostarczy bardzo wartościowych wskazówek dla skonstruowania diagramu fazowego silnie oddziaływującej materii”.
Jeśli jesteś zainteresowany badaniem własności silnie oddziaływującej materii w pobliżu jej punktu krytycznego i/lub poszukiwaniem najcięższych jąder atomowych to zapraszamy do Zakładu Fizyki Gorącej Materii.
Prof. dr hab. Roman Płaneta