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

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 doktoróww bieżącym roku akademickim 15 doktorantów, 5 magistrantów

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

Eksperymenty na jedynym w świecie zderzaczu elektron – proton HERA

w laboratorium DESY w Hamburgu

Zakład Oddziaływań LeptonówZakład 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

protonelektron

rozproszony elektron

dżet hadronowy

Głęboko nieelastyczne rozpraszanie elektron – proton

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

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

ee

ee

e

VM(VM)

p p

drabinagluonowa

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, B0 = db, …

● Tematyka badawcza : precyzyjne testy Modelu Standardowego (MS) i poszukiwania Nowej Fizyki ( wykraczającej poza MS )

Badanie zjawiska łamania parzystości kombinowanej CP w rozpadach

mezonów Bd (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

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

Eksperyment LHCb( Large Hadron Collider beauty 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 (Bd = db,

Bs = 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

Eksperyment PHOBOS

Akcelerator RHIC, USA

Relativistic Heavy Ion Collider

AGeVE

AGeVs

LAB

CM

000,20

200

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

AuAu

Chromodynamika Kwantowa

KompresjaPodgrzewaniePlazma

kwarkowo-gluonowa

Najwyższe energie AA osiągane w laboratorium !!

http://www.phobos.bnl.gov/

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 > 1019 eV

Planowane obserwatoriumAuger-North, Colorado, USA

Obserwatorium Auger-SouthMendoza, 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

Detekcja wielkich pęków promieniowania kosmicznego :hybrydowy układ detektorów

Stacje naziemne-wodne liczniki Czerenkowa 3000 km2 – Argentyna 3000 km2 – USA

Detektory fluorescencyjne (rozwój pęku w atmosferze)

Pierwsze wyniki naukowe

E > 1020 eV

35 1 expected1 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

Zakład Neutrin i Ciemnej Materii uczestniczy w kilkueksperymentach :

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

Eksperyment ICARUSImaging 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

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

Detektor: bliski w JPARC – wielofunkcyjny spektrometr magnetyczny daleki – wodny detektor SuperKamiokande w kopalni Kamioka

Zasada działania: Poszukiwanie sygnałów oddziaływań neutrin elektronowychPochodzących z oscylacji pierwotnych neutrin mionowych

Eksperyment T2K Tokai to Kamioka

Projekt LAGUNALarge 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

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 docelowozderzał 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

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

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

π0π+

π-

π+

τ jet

Symulacje fizyczne dla detektora świetlności

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 technologiawypracowana 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

Oddział 2 – eksperyment ALICEOddział 2 – eksperyment ALICE

Cel – poszukiwanie nowego stanu materii – plazmy kwarkowo-gluonowejCel – poszukiwanie nowego stanu materii – plazmy kwarkowo-gluonowej

Po Wielkim WybuchuPo Wielkim Wybuchu

A Large Ion Collider Experiment – Pb+Pb, 5.5 TeV/(N+N)A Large Ion Collider Experiment – Pb+Pb, 5.5 TeV/(N+N)

Dedykowany eksperyment ciężkojonowy na LHCDedykowany eksperyment ciężkojonowy na LHC

22

77 instytucji77 instytucji28 krajów28 krajów

TPC „nasz”detektorTPC „nasz”detektor

Symulacje, rekonstrukcja, Symulacje, rekonstrukcja, analiza danych testowych, analiza danych testowych, zakupy elektronikizakupy elektroniki

1/40 centralnego zderzenia Pb+Pb1/40 centralnego zderzenia Pb+Pb widziana w ALICE - symulacjawidziana w ALICE - symulacja

TPCTPC

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

Student idealny III/IVr

• Pasja badacza

• Język angielski

• Podstawy programowania – C++, FORTRAN

• Umiejętność pracy w zespole

25

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