Doświadczalna fizyka cząstek elementarnych

1. Doświadczalna fizyka cząstek elementarnych ( Fizyka wysokich energii ) Specjalizacja prowadzona w Instytucie Fizyki UJ wspólnie z Instytutem Fizyki Jądrowej PAN im. Henryka Niewodniczańskiego Badania fundamentalnych / elementarnych składników materii i ich oddziaływań ●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 Kierownik Oddziału prof. Piotr Malecki kierownicy Zakładów ●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 17 samodzielnych pracowników naukowych, 20doktorów w bieżącym roku akademickim 15 doktorantów, 5 magistrantów

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

4. Eksperymenty na jedynym w świecie zderzaczu elektron – proton HERA w laboratorium DESY w Hamburgu dżet hadronowy Głęboko nieelastyczne rozpraszanie elektron –proton proton elektron Eksperyment H1 Eksperyment ZEUS rozproszony elektron Zakład Oddziaływań Leptonów Zakład Struktury Hadronów ●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

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 Dynamika kaskady partonowej – bardzo ciekawy problem chromodynamiki kwantowej (QCD) ● poszukiwanie instantonów - nieperturbacyjnych fluktuacji pól gluonowych w chromodynamice kwantowej ● pomiar asymetrii azymtualnych w produkcji naładowanych cząstek Interpretacja wyników doświadczalnych w ramach QCD

6. Tematyka naukowa krakowskiej grupy ZEUS : ●Dyfrakcyjna fotoprodukcja mezonów wektorowychr, fi J/y Czy ”pomeron” QCD to 2 gluony czy drabina gluonowa : e e e e mezon wektorowy VM (VM) drabina gluonowa p p ●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 e

7. Eksperyment Belle ( Zakład Oddziaływań Leptonów ) Pomiary na zderzaczu elektron –pozyton o bardzo wysokiej świetlności w laboratorium KEKB w Japonii http://belle.kek.jp – ●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 Ccząstka ↔ antycząstka) ● Analizy krakowskiej grupy Belle : - pomiar rzadkich rozpadów B (b → d B → fp) - rozpadyB do stanówsc ( mezony składajace się z kwarka dziwnego ipowabnego) -rozpady B z brakującą energią ( b → c t nt ) – – – –

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 ●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 Poziomudedykowanych rozpadom mezonu B w kanałach z fotonami i elektronami ●Wielkie pole do popisu dla młodych ludzi : software, hardware, analiza danych prace magisterskie, doktoraty – – Krakowska grupa LHCb wniosła znaczący wkład do projektu i budowy Zewnętrznego Detektora Śladów ( Outer Tracker, detektor słomkowy ) http://lhcb.cern.ch

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

11. Eksperyment Pierre Auger ( Zakład Promieni Kosmicznych ) Międzynarodowy program do badania cząstek promieniowania kosmicznego o skrajnie wysokich energiach. E > 1019 eV Rozwiązanie aktualnych problemów współczesnej astrofizyki: pochodzenie i mechanizm przyśpieszania cząstek prom. kosmicznego Obserwatorium Auger-South Mendoza, Argentyna Planowane obserwatorium Auger-North, Colorado, USA ●BudowaObserwatorium 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 E > 1020 eV 35  1 expected 1 observed  6 effect Detektory fluorescencyjne (rozwój pęku w atmosferze) Stacje naziemne-wodne liczniki Czerenkowa 3000 km2 – Argentyna 3000 km2 – USA Pierwsze wyniki naukowe Pierwsze pomiary wskazują, że aktywne jądra galaktyk są prawdopodobnymi kandydatami na źródła promieni kosmicznych najwyższych energii ( 2007) Widmo energii ( 2008 ) Obserwacja efektu Greisena – Zatsepina – Kuzmina ( obcięcie widma energetycznego w wyniku oddz. cząstek promieniowania kosmicznego z fotonami tła mikrofalowego )

13. Zakład Neutrin i Ciemnej Materii uczestniczy w kilku eksperymentach : eksp.ICARUSw Gran Sasso / Włochy eksp.WARPw Gran Sasso eksp. T2Kw 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 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 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   e Długi ślad  (14m) http://www.aquila.infn.it/icarus/

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 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 http://warp.pv.infn.it

16. Eksperyment T2K Tokai to Kamioka Pomiar kąta mieszania q13 poprzez poszukiwanie oscylacji neutrin nm <-> ne w akceleratotorowym eksperymencie z długą bazą pomiarową 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 • Planowane zakończenie budowy bliskiego detektora do X 2009 • Start zbierania danych pod koniec 2009 roku Projekt LAGUNA Large Apparatus for Grand Unification and Neutrino Astrophysics Europejskie R&D dla przyszłych wielkich detektorów w podziemnych laboratoriach :1 Mtona wody, 100 kton ciekłego argonu, 50 kton ciekłego scyntylatora • 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. Detektor ATLAS na zderzaczu LHC Eksperyment ATLAS ( Zakład Eksperymentu ATLAS ) Zespoły z IFJ PAN i WFiTJ AGH uczestniczą w projekcie ATLAS od r. 1990 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 Uruchamiany Wielki Zderzacz Hadronów LHC będzie docelowo zderzał2 wiązki protonów o energiach 7 TeV/proton każda. W jednym tylko punkcie przecięcia wiązek będzie zachodzić blisko miliard oddziaływań na sekundę. • 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? Skalarna cząstka Higgsazwiązana z mechanizmem spontanicznego łamania symetrii w zunifikowanej teorii oddziaływań elektrosłabych Modelu Standardowego Model Standardowy • 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.) Nowa Fizyka • poszukiwanie cząstek • supersymetrycznych (SUSY…) • poszukiwanie supersymetrycznych • cząstek Higgsa (h, H, A, H) • anomalne sprzężenia W, Z, g • ciężkie bozony cechowania (W’, Z’) • „extra dimensions” • ??? LHC – fabryka supersymetrii ?? Supersymetria – symetria łącząca cząstki o różnych spinach fermion ↔ bozon

19. π0 π+ π+ τjet π- Nad czym pracujemy? • Przygotowanie programu fizycznego eksperymentu • Analiza procesów z ciężkimi leptonami t 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 Symulacje fizyczne dla detektora świetlności

20. Detektory pod małymi kątami dla przyszłego liniowego zderzacza e+e־ ( International Linear Collider, ILC ) Zakład Liniowego Zderzacza 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 ForwardCalorimetry 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. 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. LumiCal : 26<  < 82 mrad,BeamCal :4<  < 28 mrad,PhotoCal:100<  < 400 rad • 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.

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

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

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