1 Doświadczalna fizyka cząstek elementarnych ( Fizyka wysokich energii ) Badania fundamentalnych / elementarnych składników materii i ich oddziaływań Specjalizacja.

Prezentacja na temat: "1 Doświadczalna fizyka cząstek elementarnych ( Fizyka wysokich energii ) Badania fundamentalnych / elementarnych składników materii i ich oddziaływań Specjalizacja."— Zapis prezentacji:

1 1 Doświadczalna fizyka cząstek elementarnych ( Fizyka wysokich energii ) Badania fundamentalnych / elementarnych składników materii i ich oddziaływań Specjalizacja prowadzona w Instytucie Fizyki UJ wspólnie z Instytutem Fizyki Jądrowej PAN im. Henryka Niewodniczańskiego ● Badania prowadzone w dużych, międzynarodowych zespołach naukowych ● Eksperymenty z użyciem akceleratorów wysokich energii ● Badania nad promieniowaniem kosmicznym

2 2 Oddział Fizyki i Astrofizyki Cząstek w Instytucie Fizyki Jądrowej PAN ● Zakład Oddziaływań Leptonów (NZ11) dr hab. Grażyna Nowak ● Zakład Struktury Hadronów (NZ12) prof. Jan Figiel ● Zakład Liniowego Zderzacza (NZ13) dr hab. Leszek Zawiejski ● Zakład Eksperymentu ATLAS (NZ14) prof. Barbara Wosiek ● Zakład Promieni Kosmicznych (NZ15) prof. Henryk Wilczyński ● Zakład Neutrin i Ciemnej Materii (NZ16) prof. Agnieszka Zalewska Kierownik Oddziału prof. Piotr Malecki kierownicy Zakładów 17 samodzielnych pracowników naukowych, 20 doktorów w bieżącym roku akademickim 15 doktorantów, 5 magistrantów

3 3 Udział w eksperymentach i przyszłych projektach naukowych Oddział Fizyki i Astrofizyki Cząstek IFJ PAN Zderzacz e – p HERA (1992 – 2007) Wielki zderzacz hadronów LHC ( CERN ) Zderzacz e+e־ w KEK Zderzacz ciężkich jonów RHIC (2000 – 2005) Projekt związany z przyszłym międzynarodowym liniowym zderzaczem e+e־ ILC Eksperymenty neutrinowe, poszukiwanie ciemnej materii

4 4 Eksperymenty na jedynym w świecie zderzaczu elektron – proton HERA w laboratorium DESY w Hamburgu Zakład Oddziaływań Leptonów Zakład Struktury Hadronów Eksperyment H1 Eksperyment ZEUS ● Główne cele : badanie fundamentalnych oddziaływań podstawowych składników materii – eletronów, kwarków i gluonów ; testowanie teorii oddziaływań silnych : chromodynamiki kwantowej ● Zbieranie danych w latach 1992 – 2007, analizy fizyczne przynajmniej do roku 2012 ● Bogaty materiał doświadczalny na prace magisterskie i doktoraty proton elektron rozproszony elektron dżet hadronowy Głęboko nieelastyczne rozpraszanie elektron – proton

5 5 Tematyka naukowa krakowskiej grupy H1 : Badanie końcowych stanów hadronowych w głęboko nieelastycznym rozpraszaniu e – p ● ” fizyka małych x” - analiza procesów z długimi kaskadami partonowymi ● poszukiwanie instantonów - nieperturbacyjnych fluktuacji pól gluonowych w chromodynamice kwantowej ● pomiar asymetrii azymtualnych w produkcji naładowanych cząstek Dynamika kaskady partonowej – bardzo ciekawy problem chromodynamiki kwantowej (QCD) Interpretacja wyników doświadczalnych w ramach QCD

6 6 Tematyka naukowa krakowskiej grupy ZEUS : ● Dyfrakcyjna fotoprodukcja mezonów wektorowych ,  i J/  Czy ”pomeron” QCD to 2 gluony czy drabina gluonowa : ● Szczegółowe własności wielo-hadronowych stanów końcowych produkowanych w głęboko nieelastycznych oddziaływaniach e-p korelacje między hadronami, fluktuacje krotności hadronów, momenty hadronów interpretacja w ramach perturbacyjnej chromodynamiki kwantowej mezon wektorowy e e e e e VM (VM) p p drabina gluonowa

7 7 Eksperyment Belle ( Zakład Oddziaływań Leptonów ) Pomiary na zderzaczu elektron – pozyton o bardzo wysokiej świetlności w laboratorium KEKB w Japonii ● Fabryka mezonów B : e + e -  (4S) BB, ponad milion par BB / dzień piękne mezony B składają się z kwarka lekkiego i ciężkiego kwarka b, B + = ub, B 0 = db, … ● Tematyka badawcza : precyzyjne testy Modelu Standardowego (MS) i poszukiwania Nowej Fizyki ( wykraczającej poza MS ) Badanie zjawiska łamania parzystości kombinowanej CP w rozpadach mezonów B d (db) ( parzystość przestrzenna P x ↔ – x, sprzężenie ładunkowe C cząstka ↔ antycząstka) ● Analizy krakowskiej grupy Belle : - pomiar rzadkich rozpadów B ( b → d B →  ) - rozpady B do stanów sc ( mezony składajace się z kwarka dziwnego i powabnego) - rozpady B z brakującą energią ( b → c   ) – –– http://belle.kek.jp – –

8 8 Niezwykle ciekawe wyniki fizyczne, prosta i bardzo atrakcyjna fizyka. Wiele tematów prac magisterskich i doktoratów Nobel 2008 : Makoto Kobayashi i Toshihide Maskawa ” za odkrycie mechanizmu złamanej symetrii, przewidującego istnienie przynajmniej trzech rodzin kwarków w przyrodzie” (50% nagrody) czyli za wyjaśnienie jak uzyskać łamanie CP w Modelu Standardowym Wyniki eksperymentów BaBar ( SLAC/USA ) i Belle, potwierdzające model KM, przyczyniły się do przyznania tej nagrody Nobla. Obydwa eksperymenty zostały wymienione w komunikacie prasowym Komitetu Noblowskiego.

9 9 Eksperyment LHCb ( L arge H adron C ollider b eauty experiment ) Zakład Oddziaływań Leptonów Detektor LHCb Krakowska grupa LHCb wniosła znaczący wkład do projektu i budowy Zewnętrznego Detektora Śladów ( Outer Tracker, detektor słomkowy ) ● Eksperyment na Wielkim Zderzaczu Hadronów w Europejskim Ośrodku Fizyki Cząstek – CERN pod Genewą ● Detektor jest rozbudowany tylko w kierunku jednej z wiązek protonów ● Motywacja fizyczna : badanie łamania symetrii parzystości przestrzenno- ładunkowej ( CP ) w układzie neutralnych mezonów B ( B d = db, B s = sb), poszukiwanie rzadkich rozpadów mezonu B ● krakowska grupa LHCb jest odpowiedzialna za rozwój algorytmów selekcyjnych dla Trygerów Wyższego Poziomu dedykowanych rozpadom mezonu B w kanałach z fotonami i elektronami ● Wielkie pole do popisu dla młodych ludzi : software, hardware, analiza danych prace magisterskie, doktoraty http://lhcb.cern.ch ––

10 10 Eksperyment PHOBOS Akcelerator RHIC, USA Relativistic Heavy Ion Collider  Zbieranie danych 2000-2005  Ciekawe wyniki fizyczne  Bogaty materiał doświadczalny  Przyszłość ATLAS-HI (LHC  s = 5,500 AGeV) Cel: Fizyka relatywistycznych zderzeń ciężkich jonów – Badania silnie oddziaływującej materii w warunkach ekstremalnych Au Chromodynamika Kwantowa KompresjaPodgrzewanie Plazma kwarkowo-gluonowa Najwyższe energie AA osiągane w laboratorium !! http://www.phobos.bnl.gov/

11 11 Eksperyment Pierre Auger ( Zakład Promieni Kosmicznych ) Międzynarodowy program do badania cząstek promieniowania kosmicznego o skrajnie wysokich energiach. Rozwiązanie aktualnych problemów współczesnej astrofizyki: pochodzenie i mechanizm przyśpieszania cząstek prom. kosmicznego E > 10 19 eV Planowane obserwatorium Auger-North, Colorado, USA Obserwatorium Auger-South Mendoza, Argentyna ● Budowa Obserwatorium Południowego ukończona ● Oficjalne otwarcie eksperymentu w listopadzie 2008 ● Program naukowy Obserwatorium planowany na ponad 15 lat http://auger.ifj.edu.pl/

12 12 Detekcja wielkich pęków promieniowania kosmicznego : hybrydowy układ detektorów Stacje naziemne-wodne liczniki Czerenkowa 3000 km 2 – Argentyna 3000 km 2 – USA Detektory fluorescencyjne (rozwój pęku w atmosferze) Pierwsze wyniki naukowe E > 10 20 eV 35  1 expected 1 observed  6  effect Obserwacja efektu Greisena – Zatsepina – Kuzmina ( obcięcie widma energetycznego w wyniku oddz. cząstek promieniowania kosmicznego z fotonami tła mikrofalowego ) Widmo energii ( 2008 ) Pierwsze pomiary wskazują, że aktywne jądra galaktyk są prawdopodobnymi kandydatami na źródła promieni kosmicznych najwyższych energii ( 2007)

13 13 Zakład Neutrin i Ciemnej Materii uczestniczy w kilku eksperymentach : eksp. ICARUS w Gran Sasso / Włochy eksp. WARP w Gran Sasso eksp. T2K w laboratorium JPARC / Japonia http://jnusrv01.kek.jp/public/t2k/ Projekt LAGUNA - R&D dla wielkich detektorów do badań neutrin i poszukiwania rozpadu protonu Działalność naukowa w ścisłej współpracy z fizykami z Katowic, Warszawy i Wrocławia tworzącymi Polską Grupę Neutrinową

14 14 Eksperyment ICARUS Imaging Cosmic And Rare Underground Signals Badanie oddziaływań i oscylacji neutrin słonecznych, z Supernowej, atmosferycznych i akceleratorowych; szukanie rozpadu protonu. Detektor: Komory projekcji czasowej wypełnione ciekłym argonem http://www.aquila.infn.it/icarus/ Moduł T600:  500 ton ‘czynnej’ masy Zalety: Widoczne ślady cząstek w 3-ech wymiarach Bardzo dobry pomiar energii, identyfikacja wolnych hadronów  Obecnie: końcowa faza instalacji modułu T600 w Gran Sasso i jego uruchamianie Kaskada elektromagnetyczna Długi ślad  (14m)   e

15 15 Eksperyment WARP WIMP Argon PRogramme Poszukiwanie WIMP’ów ( weakly interacting massive particle ) kandydaci na cząstki Ciemnej Materii pochodzenia astrofizycznego Detektor: Dwufazowy (ciecz i gaz) detektor argonowy http://warp.pv.infn.it Zasada działania: Poszukiwanie sygnałów odrzutu jądra powstałego w wyniku oddziaływania WIMP-jądro  Obecnie: od 2004 roku zbiera dane mały detektor 2.3 l  Wkrótce rozpocznie pracę detektor 100 l

16 16 Detektor: bliski w JPARC – wielofunkcyjny spektrometr magnetyczny daleki – wodny detektor SuperKamiokande w kopalni Kamioka Zasada działania: Poszukiwanie sygnałów oddziaływań neutrin elektronowych Pochodzących z oscylacji pierwotnych neutrin mionowych Eksperyment T2K Tokai to Kamioka Projekt LAGUNA Large Apparatus for Grand Unification and Neutrino Astrophysics Pomiar kąta mieszania  13 poprzez poszukiwanie oscylacji neutrin   e w akceleratotorowym eksperymencie z długą bazą pomiarową Europejskie R&D dla przyszłych wielkich detektorów w podziemnych laboratoriach : 1 Mtona wody, 100 kton ciekłego argonu, 50 kton ciekłego scyntylatora  Planowane zakończenie budowy bliskiego detektora do X 2009  Start zbierania danych pod koniec 2009 roku  Finansowanie w ramach 7FP EU na okres 2 lat ( 2008-2010 )  Grupy polskie - studium wykonalności dot. umiejscowienia podziemnego laboratorium w kopalni Polkowice – Sieroszowice SUNLAB – Sieroszowice UNderground LABoratory

17 17 Eksperyment ATLAS ( Zakład Eksperymentu ATLAS ) Detektor ATLAS na zderzaczu LHC Zespoły z IFJ PAN i WFiTJ AGH uczestniczą w projekcie ATLAS od r. 1990 Uruchamiany Wielki Zderzacz Hadronów LHC będzie docelowo zderzał 2 wiązki protonów o energiach 7 TeV/proton każda. W jednym tylko punkcie przecięcia wiązek będzie zachodzić blisko miliard oddziaływań na sekundę. Wkład Krakowskiej Grupy ATLAS do budowy i obsługi detektora koncentruje się na detektorze wewnętrznym Półprzewodnikowy Detektor Torów (SCT ) projektowanie i badanie elektroniki odczytu integracja systemu i testy podzespołów projekt zasilaczy dla detektorów analiza danych z testu wiązki, programy symulacyjne Detektor Promieniowania Przejścia (TRT) Detector Control System – koordynacja projektu analiza danych z testu wiązki, system chłodzenia Alignment Detektora Wewnętrznego pozycjonowanie za pomocą zrekonstruowanych śladów

18 18 W jakim celu zbudowano eksperyment ATLAS? poszukiwanie cząstki Higgsa – ostatniej brakującej cegiełki Modelu Standardowego precyzyjny pomiar masy bozonu W precyzyjny pomiar masy, właściwości najcięższego kwarka – top bogaty program fizyki b (łamanie parzystości CP, etc.) Model Standardowy poszukiwanie cząstek supersymetrycznych (SUSY…) poszukiwanie supersymetrycznych cząstek Higgsa (h, H, A, H  ) anomalne sprzężenia W, Z,  ciężkie bozony cechowania (W’, Z’) „extra dimensions” ??? Nowa Fizyka LHC – fabryka supersymetrii ?? Supersymetria – symetria łącząca cząstki o różnych spinach fermion ↔ bozon Skalarna cząstka Higgsa związana z mechanizmem spontanicznego łamania symetrii w zunifikowanej teorii oddziaływań elektrosłabych Modelu Standardowego

19 19 Nad czym pracujemy? Przygotowanie programu fizycznego eksperymentu Analiza procesów z ciężkimi leptonami  w stanie końcowym → sygnatura ważna dla poszukiwań cząstek supersymetrycznych, cząstek Higgsa Modelu Standardowego i jego rozszerzeń Modelowanie oddziaływań ciężkich jonów Program „fizyki do przodu” – badanie procesów dyfrakcyjnych Produkcja przypadków Monte Carlo - tzw. „Data Challenges Trigger ( układ wyzwalania ) Modelowanie wyższych poziomów systemu wyzwalania Przygotowanie infrastruktury komputerowej dla kalibracji i szacowania wydajności oprogramowania systemu wyzwalania detektora ATLAS π0π0 π+π+ π-π- π+π+ τ jet Symulacje fizyczne dla detektora świetlności

20 20 Detektory pod małymi kątami dla przyszłego liniowego zderzacza e + e־ ( International Linear Collider, ILC ) Zakład Liniowego Zderzacza Precyzyjny pomiar świetlności O(10 –4 ) ( LumiCal ); Szybka diagnostyka i monitorowanie zderzających się wiązek ( BeamCal, PhotoCal ); Detekcja wysoko energetycznych elektronów i fotonów – pomoc w poszukiwaniu supersymetrycznych cząstek i Nowej Fizyki. Działalność krakowskiej grupy ILC ( IFJ PAN, AGH, UJ ) projekt prototypu dla LumiCAl – wolfram (W - absorber) i krzem ( Si - sensory). symulacje Monte Carlo detektora przy różnych jego strukturach wewnętrznych rozwój metody laserowego, precyzyjnego pomiaru przestrzennych położeń LumiCal (względem IP i rur akceleratora) i monitorowania on-line tego położenia. LumiCal : 26<  < 82 mrad, BeamCal : 4<  < 28 mrad, PhotoCal : 100<  < 400  rad ILC : nadprzewodzące rezonatory przyśpieszające ( zimna technologia wypracowana i testowana w DESY - projekt TESLA). Energia elektronów 0. 5 – 1 TeV. Udział IFJ PAN we współpracy FCAL ( International Forward Calorimetry Collaboration, 10 instytucji naukowych z 9 krajów ) : projektowanie, rozwijanie i budowa aparatury rejestrującej cząstki w zakresie małych kątów 4 – 82 mrad, towarzyszące zderzającym się wiązkom e + e־ na ILC.

21 21 Oddział 2 – eksperyment ALICE Cel – poszukiwanie nowego stanu materii – plazmy kwarkowo-gluonowej Po Wielkim Wybuchu A Large Ion Collider Experiment – Pb+Pb, 5.5 TeV/(N+N) Dedykowany eksperyment ciężkojonowy na LHC

22 22 77 instytucji 28 krajów TPC „nasz”detektor Symulacje, rekonstrukcja, analiza danych testowych, zakupy elektroniki 1/40 centralnego zderzenia Pb+Pb widziana w ALICE - symulacja widziana w ALICE - symulacja TPC

23 23 Co możemy zaoferować ? Udział w bardzo ciekawych badaniach podstawowych Przyjazne i poważne traktowanie studentów Wsparcie ekspertów, zapaleńców Możliwość rozwoju naukowego dopasowanego do zainteresowań (analiza danych, hardware, software) Letnie praktyki za granicą i w IFJ PAN Możliwość dalszej ‘kariery naukowej’ dla utalentowanych i pracowitych studentów

24 24 Student idealny III/IVr Pasja badacza Język angielski Podstawy programowania – C++, FORTRAN Umiejętność pracy w zespole

25 25 Więcej informacji o specjalizacji: http://fwe.ifj.edu.pl