Badania w zakresie fizyki i astrofizyki cząstek

Projekty/Eksperymenty

I. Eksperyment Belle przy akceleratorze KEKB i eksperyment Belle II przy SuperKEKB (Japonia)

Na program badawczy eksperymentu Belle, przeprowadzonego w latach 1999-2010 przy zderzaczu KEKB w instytucie KEK, składają się przede wszystkim szczegółowe testy Modelu Standardowego (MS) w części dotyczącej fizyki zapachu, połączone z poszukiwaniem efektów wykraczających poza teorię oddziaływań elektrosłabych. Program ten jest realizowany w sektorze mezonów pięknych i powabnych oraz ciężkich leptonów τ, w oparciu o unikalne próbki danych, sięgające blisko miliarda przypadków. Kontynuacją tego przedsięwzięcia jest eksperyment nowej generacji - Belle II, przy zderzaczu SuperKEKB. Zespół z IFJ PAN prowadzi analizy fizyczne danych z eksperymentu Belle, ze szczególnym uwzględnieniem rozpadów mezonów B z brakującą energią. Wkład do eksperymentu Belle II obejmuje udział w obsłudze i kalibracjach detektorów wierzchołka spektrometru Belle II, udział w analizie danych, oraz dyżury podczas naświetlań. Zespół z IFJ PAN uczestniczy także w pracach nad przyszłą modernizacją spektrometru Belle II i związanym z tym rozwojem nowych technologii, zwłaszcza w dziedzinie monolitycznych detektorów mozaikowych.

Zakład Oddziaływań Leptonów (NZ11)


II. Eksperymenty promieniowania kosmicznego: AUGER, CREDO i Baikal-GVD

  1. Analiza procesu detekcji wielkich pęków atmosferycznych, akwizycja i analiza danych w Obserwatorium Pierre Auger
    Celem eksperymentu Pierre Auger jest badanie promieni kosmicznych o skrajnie wysokich energiach, powyżej 1018eV. Pochodzenie tych cząstek nie jest znane – jego wyjaśnienie jest jednym z najważniejszych problemów współczesnej astrofizyki. Obserwatorium Pierre Auger jest wyposażone w tzw. hybrydowy układ detekcji wielkich pęków atmosferycznych, który umożliwia pomiary wielkich pęków z bezprecedensową dokładnością. Dodatkowo, prowadzona obecnie rozbudowa i modernizacja Obserwatorium (AugerPrime) znacznie zwiększy jego możliwości pomiarowe, szczególnie poprawi precyzję wyznaczania składu promieni kosmicznych. Aby wykorzystać te możliwości, potrzebna jest szczegółowa analiza procesów rozwoju wielkiego pęku i jego rejestracji w detektorach, a także uściślenie wielu stosowanych do tej pory przybliżeń. Prace prowadzone w IFJ PAN koncentrują się na tych właśnie zagadnieniach. Poza tym odbywane są dyżury w Obserwatorium w celu akwizycji danych eksperymentalnych oraz analiza fizyczna tych danych.
  2. Globalna analiza danych dotyczących promieniowania kosmicznego w ramach Cosmic-Ray Extremely Distributed Observatory (CREDO)
    Celem międzynarodowej Współpracy CREDO jest wykonanie zbiorczej analizy danych, dotyczących promieniowania kosmicznego, rejestrowanych przez detektory działające dotąd niezależnie. Analiza ta obejmuje wszelkie dostępne dane w pełnym zakresie widma energii. Zostaną wykorzystane możliwości zarówno dużych obserwatoriów (np. Obserwatorium Pierre Auger jak i sieci detektorów edukacyjnych (np. HiSPARC, Showers of Knowledge) oraz sieci smartfonów wyposażonych w aplikacje umożliwiające rejestrację cząstek (np. CREDO Detector).
  3. Rejestracja i badanie neutrin ze źródeł astrofizycznych w ramach eksperymentu Baikal GVD
    Eksperyment Baikal Gigaton Volume Detector (Baikal GVD) ma na celu badanie strumieni neutrin o energiach w zakresie 100 TeV- 100 PeV, pochodzących ze źródeł astrofizycznych, takich jak aktywne jądra galaktyk czy rozbłyski promieniowania gamma. Analiza danych obejmie zarówno obserwację znanych obiektów-źródeł, jak i poszukiwanie nowych, dotychczas nie obserwowanych.
    Eksperyment zlokalizowany jest na dnie jeziora Bajkał na Syberii (na głębokości powyżej 1 km). Rejestracja cząstek – produktów oddziaływań neutrin z dnem i wodą jeziora możliwa jest dzięki promieniowaniu Czerenkowa, które rejestrowane jest przez zestaw modułów optycznych zgrupowanych w tzw. klastry i pokrywających znaczną objętość wody. Eksperyment ten jest obecnie w fazie budowy, której pierwsza faza zakończy się w 2021 roku i obejmie aktywną objętość 0.4 km3. Prace prowadzone w IFJ PAN dotyczą budowy systemu laserowej kalibracji detektora, rozwoju oprogramowania do symulacji detektora oraz rekonstrukcji przypadków.

Zakład Promieni Kosmicznych i Neutrin (NZ15)


III. Badanie oddziaływań i oscylacji neutrin

Celem prowadzonych prac jest poznanie własności neutrin poprzez badanie ich oddziaływań i oscylacji, głównie w oparciu o eksperymenty z wiązkami neutrin akceleratorowych.

  1. Udział w akceleratorowym eksperymencie neutrinowym T2K i przygotowania do T2K-II w Japonii. T2K dostarcza dokładnego pomiaru dwóch z sześciu parametrów oscylacji neutrin i jako pierwszy zmierzy parametr δCP, związany z fundamentalną symetrią CP, z dokładnością trzech odchyleń standardowych. Dokładniejszy pomiar δCP jest priorytetem T2K na następne lata. W eksperymencie T2K grupa krakowska zajmuje się pomiarami przekrojów czynnych dla oddziaływań neutrin mionowych w bliskim detektorze ND280 oraz rozwijaniem programu rekonstrukcji i analizy danych.
  2. Prace przygotowawcze dla programu badań neutrin z krótką i długą bazą pomiarową w Fermilab z wykorzystaniem europejskiej platformy neutrinowej w CERN.

Zakład Promieni Kosmicznych i Neutrin (NZ15)


IV. Eksperyment ATLAS na akceleratorze LHC w CERN

Badania oddziaływań proton-proton i ciężkich jonów przy energiach LHC.

  1. Analiza danych doświadczalnych w celu zwiększenia zdolności rozdzielczej detektora oraz rozwój i testowanie pakietów oprogramowania.
  2. Udział w analizie danych proton-proton.
  3. Udział w analizie danych ołów-ołów i proton-ołów.
  4. Obsługa spektrometru ATLAS w trakcie naświetlań.
  5. Prace inżynieryjne przy modyfikacji, wymianie lub naprawie aparatury.
  6. Zarządzanie systemem kontroli detektora TRT.
  7. Udział w pracach badawczo-rozwojowych dla Super(HL)-LHC.
  8. Modernizacja i przystosowanie detektora ATLAS do eksperymentu przy akceleratorze HL-LHC w CERN.
  9. Rozwój infrastruktury komputerowej typu Grid dla eksperymentów LHC, w tym udział w zarządzaniu i rozbudowie gridowego klastra komputerowego Tier-3 w IFJ PAN.

Zakład Eksperymentu ATLAS (NZ14)


V. Eksperyment LHCb na akceleratorze LHC w CERN

Badania nad niezachowaniem parzystości kombinowanej CP w rozpadach mezonów B, badanie rzadkich rozpadów mezonów B oraz poszukiwanie efektów spoza Modelu Standardowego.

  1. Udział w przygotowaniach eksperymentu LHCb do pracy przy zwiększonej świetlności wiązki LHCb-Upgrade.
  2. Rozwój i obsługa oprogramowania eksperymentu LHCb.
  3. Analiza danych eksperymentu LHCb.
  4. Rozbudowa lokalnej infrastruktury obliczeniowej i rozwój narzędzi do analizy danych eksperymentalnych w systemach rozproszonych typu Grid i systemach typu „Cloud Computing”.
  5. Udział w projektach GAMBIT oraz HFLAV.
  6. Udział w projektowaniu i produkcji detektorów śladowych Magnet Station dla zmodernizowanego detektora LHCb.

Zakład Eksperymentu LHCb (NZ17)


VI. Projekt zderzaczy elektron-pozyton (linowych ILC i CLIC oraz kołowego FCC), badanie ich potencjału fizycznego

Liniowy zderzacz (ILC) wykorzystujący zderzenia elektron-pozyton wielkiej energii rzędu 1 TeV w środku masy może zostać uruchomiony do końca trzeciej dekady naszego wieku. Równocześnie w ośrodku CERN rozwijany jest projekt liniowego zderzacza CLIC, o większej energii zderzeń (do 3 TeV), wykorzystującego nowatorską technologię przyśpieszania oraz projekt zderzacza kołowego o bardzo wysokiej świetlności o nazwie FCC (Future Circular Collider). Realizacja programu fizycznego każdego z tych zderzaczy wymaga precyzyjnego pomiaru świetlności. Do tego celu zaprojektowano, przy aktywnym udziale grupy z IFJ PAN, detektor LumiCal zawierający dwa elektromagnetyczne kalorymetry. Trwają prace nad zastosowaniem programowalnych układów logicznych FPGA do nowej struktury elektroniki oraz systemu akwizycji danych. Przeprowadzenie dedykowanych symulacji Monte Carlo z udziałem detektora LumiCal pozwoli na oszacowanie czułości eksperymentalnej pomiaru wybranych obserwabli Modelu Standardowego. Prace wykonywane są w ramach międzynarodowych współprac FCAL, ILD, CLICdp oraz FCC-ee (TLEP).

Zakład Eksperymentu LHCb (NZ17)


VII. Eksperyment MUonE na akceleratorze SPS w CERN

Precyzyjne pomiary poprawki hadronowej do anomalnego momentu magnetycznego mionu wykorzystujące elastyczne rozpraszanie mionów na elektronach atomów o niskiej liczbie atomowej w celu poszukiwania zjawisk spoza Modelu Standardowego.

  1. Udział w przygotowaniach do uruchomienia eksperymentu MUonE w ramach tzw. Pilot Run w roku 2021.
  2. Rozwój algorytmów rekonstrukcji w trybie online i offline.
  3. Analiza danych z testowej wiązki mionów zebranych w roku 2018.
  4. Wykorzystanie technik sztucznych sieci neuronowych do optymalizacji algorytmów rekonstrukcji przypadków.
  5. Rozwój programu pełnej symulacji detektora.
Prowadzone prace związane są z badaniami, w które zaangażowana jest grupa z IFJ PAN w ramach współpracy eksperymentu MUonE na akceleratorze SPS w CERN-ie, który jest eksperymentem na wiązce mionów planowanym na lata 2022-2026. Obserwowane obecnie odstępstwo zmierzonego anomalnego momentu magnetycznego od wartości przewidzianej w Modelu Standardowym na poziomie 3.6 σ sugeruje możliwość występowania zjawisk Nowej Fizyki. Eksperyment MUonE pozwoli precyzyjnie zmierzyć przyczynek od procesów hadronowych, a co za tym idzie ograniczyć znacząco błąd teoretyczny. Pozwoli to na zwiększenie znaczącości ewentualnego odkrycia do około 7σ.

Zakład Eksperymentu LHCb (NZ17)


VIII. Badania w zakresie astronomii gamma

  1. Udział w eksperymencie H.E.S.S. (High-Energy Stereoscopic System)
    • Akwizycja i analiza danych obserwacyjnych, w szczególności dotyczących pozostałości po supernowych oraz aktywnych jąder galaktyk.
    • Przygotowywanie projektów obserwacyjnych.
  2. Udział w eksperymencie HAWC (High Altitude Water Cherenkov)
    • Akwizycja i analiza danych obserwacyjnych, w szczególności w celu poszukiwania źródeł promieniowania kosmicznego wysokich energii.
    • Udział w obsłudze detektora.
  3. Udział w fazie projektowej obserwatorium CTA (Cherenkov Telescope Array)
    • Przygotowywanie podstaw naukowych projektu.
    • Prowadzenie i koordynowanie prac prototypowych nad strukturą mechaniczną teleskopu Czerenkova SST-1M (Single-mirror Small-Size Telescope).
    • Konstrukcja zwierciadeł kompozytowych dla średnich teleskopów sieci CTA.
  4. Badanie nietermicznej emisji Dysku Galaktycznego
    • Modelowanie procesów transportu promieniowania kosmicznego oraz emisji promieniowania gamma obiektów rozciągłych w Galaktyce, porównanie przewidywań modelowych z danymi obserwacyjnymi projektów Fermi-LAT, H.E.S.S. i HAWC.

Zakład Astrofizyki Promieniowania Gamma (NZ12)


IX. Badanie procesów elastycznego rozpraszania, miękkiej i twardej dyfrakcji

  1. Udział w analizie danych i w pracach nad detektorami ATLAS Roman Pots (ARP).
    • Analiza rozpraszania elastycznego przy energiach LHC.
    • Analiza wielocząstkowych stanów końcowych w pojedynczej dysocjacji dyfrakcyjnej w oddziaływaniach proton-proton z wykorzystaniem detektorów ARP.
    • Analiza produkcji dżetów w procesach pojedynczej i ekskluzywnej produkcji dyfrakcyjnej.
    • Analiza produkcji dwu-fotonowej par leptonów.
    • Zarządzanie systemem kontroli detektora ARP.
    • Zarządzanie systemem trygera i akwizycji danych detektora ARP.
  2. Eksperyment STAR przy akceleratorze RHIC w Brookhaven National Laboratory.
    • Pomiar całkowitego przekroju czynnego i parametru B rozkładu różniczkowego d\sigma/dt = Cexp(-Bt) przy energiach RHIC (\sqrt{s} = 200, 500 GeV)
    Udział w zbieraniu danych przez współpracę STAR w roku 2020.

Zakład Fizyki Procesów Dyfrakcyjnych (NZ13)


X. Projekty zakończone: PHOBOS, SuperB, WARP, ZEUS na akceleratorze HERA w DESY, H1 na akceleratorze HERA w DESY.


XI. Zakończone projekty w ramach 7. Programu Ramowego UE: LAGUNA, LAGUNA-LBNO, EuCARD, TIARA, AIDA, MC-PAD.


XII. Projekty w ramach programu UE HORYZONT 2020

Program: MSCA-RISE Marie Skłodowska-Curie Research And Innovation Staff Exchange
Projekt: "Japan and Europe Network for Neutrino and Intensity Frontier Experimental Research" (JENNIFER)
Kontrakt nr: 654168 (2015-2019)

Program: INFRA-Detectors for future accelerators
Projekt: "Advanced European Infrastructures for Detectors at Accelerators" (AIDA 2020)
Kontrakt nr: 262025 (2015-2019)

Program: INFRAINNOVFostering the innovation potential of Research Infrastructures
Projekt: "Accelerator and Magnet Infrastructure for Cooperation and Innovation" (AMICI)
Kontrakt nr: 731086 (2017-2019)

Program MSCA-RISE Marie Skłodowska-Curie Research And Innovation Staff Exchange
Projekt: "Japan and Europe Network for Neutrino and Intensity Frontier Experimental Research 2" (JENNIFER 2)
Kontrakt nr: 822070 (2019-2023)