Temat 1. BADANIA EKSPERYMENTALNE I TEORETYCZNE W ZAKRESIE FIZYKI I ASTROFIZYKI CZĄSTEK

Transkrypt

1 Temat 1. BADANIA EKSPERYMENTALNE I TEORETYCZNE W ZAKRESIE FIZYKI I ASTROFIZYKI CZĄSTEK Prace eksperymentalne w tej dziedzinie prowadzone były w Zakładach NZ11,NZ12, NZ13, NZ14, NZ15, NZ16, NZ17 a prace aparaturowe w DAI. Teoretyczne prace prowadzone były w Zakładach NZ42, NZ43. Wyniki badań w tym temacie zaowocowały w 2014 r. 258 publikacjami w czasopismach objętych wykazem Journal Citation Reports (JCR). BADANIA EKSPERYMENTALNE zadanie 1. Eksperyment ZEUS na akceleratorze HERA w DESY Zakład NZ13 i NZ23 Celem zadania była dalsza weryfikacja przewidywań modelu standardowego (SM) poprzez badania własności wysoko energetycznych oddziaływań e - (e + ) p. Prace koncentrowały się na badaniach charakterystyk końcowych stanów hadronowych i otrzymane wyniki porównywano z opisem wynikającym z chromodynamiki kwantowej (QCD), hadronowego sektora SM. Kontynuowano analizę fizyczną danych uzyskanych w latach w eksperymencie ZEUS i dotyczącą badania korelacji dwucząstkowych w pośpieszności i kącie azymutalnym dla dziwnych (lambda) i naładowanych hadronów (pionów) oraz transferu spinu w procesach z produkcją cząstek lambda. Współpraca z DESY, koordynator: prof. Matthew Wing. Duża statystyka danych zebranych w latach przez eksperyment ZEUS (w porównaniu do okresu ) oraz wprowadzenie poprawionej i wydajniejszej metody rekonstrukcji danych pozwoliły na precyzyjne pomiary tzw. zmiennej Bjorkena x a w szczególności obszaru związanego z dużymi jej wartościami aż do wartości x bliskiej jedności. W tym obszarze x, ważny przyczynek do funkcji rozkładu partonów w protonie (PDFs) pochodzi od kwarków walencyjnych. Uzyskane wartości pomiaru przekroju czynnego jako funkcji zmiennej x i transferu czteropędu Q 2 (powyżej 725 GeV 2 ) pozwalają zniwelować niepewności w opisie rozkładu partonów w zakresie dużych x i uzyskania bardziej precyzyjnej postaci funkcji PDFs w szerokim zakresie x. Wyniki analizy przeprowadzonej w eksperymencie ZEUS zostały opublikowane w pracy (ZEUS Collaboration, H. Abramowicz et al., Measurement of Neutral Current e ± p Cross Sections at High Bjorken x with the ZEUS Detector, Phys. Rev. D 89 (2014) ). Funkcje rozkładu partonów w protonie PDFs są konieczne jako wejściowe dane dla obliczeń przeprowadzanych w ramach chromodynamiki kwantowej (QCD) dla przewidywania przekrojów czynnych procesów z produkcją hadronów przy dużych transferach pędu. Współpraca opublikowała w roku 2014 z udziałem zespołu z IFJ PAN 7 artykułów w czasopismach w JCR. zadanie 2. Eksperyment H1 na akceleratorze HERA w DESY Zakład NZ11 Badania zderzeń elektronów lub pozytonów z protonami. 1

2 Tematyka badawcza krakowskiej grupy H1 koncentruje się na pomiarach końcowych stanów hadronowych w głęboko-nieelastycznym rozpraszaniu ep. 1. Obsługa eksperymentu: symulacje Monte Carlo na farmie PC w DESY Całkowita statystyka wygenerowanych próbek w 2014 r. wyniosła około 2.8 miliarda przypadków. Produkcja symulowanych przypadków prowadzona jest na sieci typu GRID oraz na zarządzanej z Krakowa farmie PC w DESY. Około 13% wszystkich zadań wysłanych do realizacji przez współpracę H1 zostało wykonanych na tej farmie. 2. Kontynuacja analizy końcowych stanów hadronowych w głęboko-nieelastycznych rozpraszaniach elekron-proton przy dużych wartościach przekazu czteropędu Q 2 Poszukiwania efektów instantonów QCD w fuzji fotonowo-gluonowej prowadzone są w obszarze kinematycznym 150<Q 2 < GeV 2, 0.2<y<0.7 dla próbki o całkowitej świetlności 351/pb. Wyniki nie wskazują na występowanie jakiegokolwiek nadmiaru przypadków świadczących o procesach z udziałem instantonów QCD. Obliczona górna granica przekroju czynnego na te procesy wynosi 1.6 pb przy poziomie ufności 95%, co sugeruje wykluczenie przewidywanego teoretycznie przekroju czynnego ~10 pb. Te wstępne wyniki były przedstawiane na międzynarodowych konferencjach w 2014 roku. Analizę rozszerzono w celu uzyskania dwuwymiarowych obszarów wykluczenia na płaszczyźnie zmiennych związanych z rozmiarami instantonów i odległością między nimi. Współpraca z DESY, Koordynator: dr Stefan Schmitt. W 2014 roku współpraca H1 opublikowała pracę pt. Measurement of Inclusive ep Cross Sections at High Q 2 at s = 225 and 252 GeV and of the Longitudinal Proton Structure Function F L at HERA (V. Andreev et al., Eur.Phys.J. C74 (2014) 2814), która zawiera pomiary inkluzywnego przekroju czynnego dla dwóch wartości energii protonów (E= 460 i 575 GeV) i nieelastyczności aż do wartości Te wyniki w połączeniu z innymi pomiarami opublikowanymi przez H1 pozwoliły wyznaczyć podłużną funkcję struktury protonu F L w obszarze 1.5 Q GeV 2. Pomiar podłużnej funkcji struktury, która jest efektem QCD pozwala na krytyczny test perturbacyjnej QCD i jest związana bezpośrednio z gęstością gluonów. Stwierdzono dobrą zgodność pomiędzy pomiarami a różnymi przewidywaniami QCD w rzędzie NNLO rachunku perturbacyjnego, a otrzymana gęstość gluonów w przybliżeniu NLO zgadza się z gęstością wyznaczoną metodą pośrednią. Stosunek przekroju czynnego na absorbcję podłużnie spolaryzowanych wirtualnych fotonów do przekroju czynnego dla poprzecznej polaryzacji jest konsystentny ze stałą wartością wynoszącą 0.23±0.04. Współpraca H1 opublikowała w 2014 roku 3 artykuły w czasopismach wyróżnionych w JCR, w tym jedną wspólną pracę ze współpracą ZEUS. zadanie 3. Eksperyment Belle na akceleratorze KEKB i eksperyment Belle II na SuperKEKB (Japonia) Zakład NZ11 Badanie rzadkich rozpadów mezonów B. W eksperymencie Belle na zderzaczu KEK-B (tzw. fabryce B) badane są rzadkie rozpady 2

3 mezonów B, które testują model standardowy (MS) oraz jego rozszerzenia w sposób komplementarny do bezpośrednich poszukiwań tzw. nowej fizyki (obecnie prowadzonych na LHC). Dzięki dużym próbkom czystych par mezonów B, w eksperymencie Belle realizowane są pomiary procesów o trudnych sygnaturach, niewykonalne w innych warunkach doświadczalnych. 1. Udział w fazie intensywnej analizy danych Belle Współpraca Belle koncentruje się obecnie na uzyskaniu końcowych wyników z wykorzystaniem pełnej zarejestrowanej próbki danych. W 2014 r. prowadzono badania rzadkich rozpadów w sektorze kwarków b i c. Opublikowano m.in. wyniki dotyczące rozpadów B ωk, w tym pierwsze pomiary asymetrii CP w kanale B 0 ωk s (Phys. Rev. D 90, , 2014). Uzyskano również najdokładniejsze obecnie pomiary asymetrii CP wprost i zależnej od czasu w rozpadach B 0 η K s (JHEP 10, 2014: ,2014). Wszystkie wyniki pomiarów są zgodne w granicach niepewności doświadczalnych, z przewidywaniami modelu standardowego. Kontynuowano poszukiwania nowych stanów rezonansowych zawierających ciężkie kwarki b i c, które przyniosły m.in. obserwację nowego stanu czterokwarkowego (Phys. Rev. D 90, , 2014). W 2014 r. zakończono prace nad monografią The Physics of B Factories, przygotowaną wspólnie przez współprace Belle i BaBar oraz grupę teoretyków (Eur. Phys. J C74:3026, 2014). 2. Udział w przygotowaniu do Belle II na SuperKEKB. Udział krakowskiego zespołu w przygotowaniach eksperymentu Belle II obejmował prace przy budowie systemu detektorów do rekonstrukcji wierzchołków rozpadu, składający się z detektora pikselowego (PXD) oraz krzemowego detektora paskowego (SVD). Prace obejmowały przygotowanie modułu zabezpieczającego przed przepięciami dla systemu zasilania detektora PXD, oraz przygotowanie produkcji modułów do integracji odczytu SVD z centralnym systemem akwizycji danych Belle II. Członkowie zespołu z IFJ PAN koordynowali prace nad rozwojem ogólnego oprogramowania dla detektora SVD oraz pakietu do obsługi detektora, tzw. slow control. 3. Projektowanie i prototypowanie układów ASIC i detektorów mozaikowych w technologiach SOI i DEPFET, oraz budowa systemów detektora wierzchołka. Przeprowadzono szczegółowe testy laboratoryjne kilku wersji detektorów mozaikowych DIPIX, zbudowanych na różnych podłożach. Badano równoważny ładunek szumów (ENC) i wzmocnienie ładunkowe dla poszczególnych struktur, oraz oszacowano prąd upływu detektorów. Charakterystyki detektorów były analizowane w szerokim zakresie temperatur przy różnych napięciach polaryzujących. Prace wykonano we współpracy z instytutem KEK (Tsukuba Japonia) oraz AGH (Kraków). Realizowane prace były współfinansowane ze środków NCN. Współpraca z KEK, koordynator: prof. M. Yamauchi Pierwszy pomiar asymetrii przód-tył w inkluzywnych przejściach b s l + l, jednej z najważniejszych obserwabli przy poszukiwaniu efektów spoza modelu standardowego, oraz odkrycie nowego rezonansu Z c (4200) +, złożonego z czterech kwarków. Jest to już siódma cząstka o egzotycznych liczbach kwantowych zaobserwowana w Belle. W 2014 r. współpraca Belle opublikowała 23 artykuły z udziałem zespołu z IFJ PAN w czasopismach wyróżnionych w JCR. 3

4 zadanie 4. Eksperyment promieniowania kosmicznego AUGER Zakład NZ15 Analiza procesu detekcji wielkich pęków atmosferycznych w Obserwatorium Pierre Auger oraz akwizycja i analiza danych. Celem eksperymentu Pierre Auger jest badanie promieni kosmicznych o skrajnie wysokich energiach, powyżej ev. Pochodzenie tych cząstek nie jest znane jego wyjaśnienie jest jednym z najważniejszych problemów współczesnej astrofizyki. Zadaniem Obserwatorium Pierre Auger jest zgromadzenie danych eksperymentalnych potrzebnych dla wyjaśnienia pochodzenia tych cząstek. Prace wykonywane są w ramach Współpracy Pierre Auger; szczególnie ścisła współpraca z Karlsruhe Institute of Technology (Niemcy). Prace prowadzone w IFJ PAN koncentrują się na szczegółowej analizie procesów rozwoju wielkiego pęku atmosferycznego i jego rejestracji w detektorach, a także uściślenie wielu stosowanych do tej pory przybliżeń. 1. Badanie możliwości mikrofalowej detekcji wielkich pęków: W ramach tego zadania prowadzono analizę danych eksperymentu CROME nastawionego na detekcję emisji wielkich pęków w zakresie mikrofalowym. Prowadzono również analizę możliwości radarowej detekcji wielkich pęków, poprzez rejestrację fali radiowej odbitej od plazmy wytworzonej przez wielki pęk w powietrzu. 2. Badanie własności wielkich pęków atmosferycznych wywołanych przez fotony ultrawysokich energii w zależności od wystąpienia lub niewystąpienia konwersji pierwotnego fotonu na parę elektronową w polu magnetycznym Ziemi. Na tej podstawie można wykalibrować skalę energii wielkich pęków. 3. Analiza danych Obserwatorium Pierre Auger: Szczegółowa analiza głębokości atmosferycznej maksimum rozwoju wielkiego pęku pozwala na wyznaczenie składu promieni kosmicznych. Wyniki wskazują na znaczący udział jąder o pośrednich masach, a nie tylko protonów i jąder żelaza. Opracowano procedurę wyznaczania składu promieni kosmicznych na podstawie atmosferycznej głębokości produkcji mionów. Wyznaczono ograniczenia na strumień fotonów i neutronów emitowanych przez hipotetyczne źródła punktowe. Przeprowadzono poszukiwanie anizotropii wielkoskalowej w rozkładzie kierunków promieni kosmicznych rejestrowanych w Obserwatorium Pierre Auger i w detektorze Telescope Array. Wyznaczono górne granice na anizotropię dipolową i kwadrupolową w zakresie energii powyżej ev. 1. Wyznaczenie po raz pierwszy charakterystyki promieniowania mikrofalowego wielkich pęków atmosferycznych w eksperymencie CROME (Cosmic-Ray Observation via Microwave Emission). Korzystając z triggera aparatury KASCADE-Grande (w Forschungszentrum Karlsruhe), zarejestrowano promieniowanie mikrofalowe 30 wielkich pęków o energiach powyżej ev. Analiza wskazuje, że jest to spolaryzowane promieniowanie radiowe pęków w zakresie GHz. Rezultat ten otwiera nowe możliwości badania wielkich pęków. Publikacja: R. Smida et al., Phys. Rev. Lett. 113, (2014). 2. Opracowanie metody absolutnej kalibracji energii wielkich pęków atmosferycznych na podstawie własności pęków zidentyfikowanych jako wywołane przez fotony skrajnie wysokich energii. Metoda ta jest niezależna od użytej techniki eksperymentalnej, a więc pozwala na interkalibrację różnych eksperymentów, a co za tym idzie, eliminację systematycznych różnic w ich skalach energii. Publikacja: P. Homola i M. Risse, Phys. 4

5 Rev. Lett. 112, (2014). Opublikowano w 2014 roku 11 artykułów w czasopismach wyróżnionych w JCR. zadanie 5. Eksperymenty neutrinowe i poszukiwanie cząstek Ciemnej Materii Zakład NZ16 Badanie oddziaływań neutrin akceleratorowych, atmosferycznych, słonecznych i z wybuchu Supernowej, poszukiwanie rozpadu protonu oraz poszukiwanie cząstek Ciemnej Materii. Obecnie szczególny nacisk położony jest na badania oddziaływań neutrin akceleratorowych w eksperymentach z długą baza pomiarową celem wyznaczenia parametrów oscylacji neutrin. W realizacji większości poniższych zadań grupa neutrinowa z IFJ PAN współpracuje w ramach Polskiej Grupy Neutrinowej z grupami z NCBJ, Politechniki Warszawskiej oraz Uniwersytetów Śląskiego, Warszawskiego i Wrocławskiego. 1. Udział w eksperymencie neutrinowym ICARUS T600 w Gran Sasso we Włoszech. Prowadzona była analiza mionów kosmicznych, pochodzących z oddziaływań promieniowania kosmicznego z atmosferą ziemską i zarejestrowanych w wielkim ciekłoargonowym detektorze eksperymentu ICARUS w podziemnym laboratorium Gran Sasso. Ponadto prowadzone były prace mające na celu wybór zdarzeń odpowiadającym oddziaływaniom neutrin atmosferycznych w detektorze ICARUS. 2. Udział w akceleratorowym eksperymencie neutrinowym T2K w Japonii Kontynuowane (rozpoczęte) były analizy dotyczące pomiarów przekrojów czynnych dla oddziaływań neutrin mionowych z wiązki z inkluzywną produkcją pojedynczego mezonu π 0 dla wymiany prądów naładowanych (neutralnych) oraz z produkcją naładowanego mezonu π dla wymiany prądów naładowanych. Ponadto dr Wąchała z grupy z IFJ PAN był jednym z dwóch koordynatorów grupy odpowiedzialnej za rekonstrukcję przypadków oddziaływań w bliskim detektorze T2K. 3. Prace dla projektu polskiego, podziemnego laboratorium SUNLAB 1 (Sieroszowice Underground Laboratory). Kontynuowano realizację projektu ISOTTA (7. PR UE), w szczególności prowadzone były pomiary tła w ZG Polkowice-Sieroszowice. Ponadto kontynuowane były symulacje eksperymentu oscylacyjnego przy założeniu wiązki neutrin z CERN-u i ciekłoargonowego detektora umieszczonego w ZG Polkowice-Sieroszowice. 5. Prace dla eksperymentu LArIAT Doktorant z Zakładu 16 otrzymał stypendium w laboratorium Fermilab (USA) i włączył się w prace dla ciekło-argonowego eksperymentu LArIAT. Zakres jego badań obejmuje symulacje generacji i rejestracji światła dla tego eksperymentu oraz udział w przygotowaniu detektora LArIAT do zbierania danych, które rozpocznie się w maju 2015 roku. W eksperymencie T2K dokonano pierwszej statystycznie znaczącej obserwacji pojawiania się neutrin elektronowych w wiązce akceleratorowych neutrin mionowych o energii w maksimum rozkładu równej 0.6 GeV i dla długości bazy pomiarowej 295 km. Przy ustalonych parametrach oscylacji m 2 32 = ev 2, sin 2 θ 23 = 0.5, δ CP = 0 i dwóch założeń 5

6 dotyczących hierarchii mas neutrin m 2 32 >0 ( m 2 32<0), uzyskana najbardziej prawdopodobna wartość sin 2 2θ 13 = ( ) przy znaczącości statystycznej 7.3σ względem hipotezy zakładającej sin 2 2θ 13 = 0. Zespół z IFJ PAN wniósł znaczący wkład w uzyskanie tego wyniku. Połączenie wyniku T2K ze światową średnią wartością θ 13 z eksperymentów reaktorowych pozwoliło na wykluczenie pewnych wartości fazy δ CP na poziomie ufności 90%. Jest to pierwsza obserwacja dotycząca zachowania/niezachowania symetrii CP dla neutrin i publikacja wyniku (Observation of Electron Neutrino Appearance in a Muon Neutrino Beam; Phys.Rev.Lett. 112 (2014) ) doczekała się już ponad stu cytowań. Opublikowano w 2014 roku 8 artykułów w czasopismach wyróżnionych w JCR. zadanie 6. Eksperyment ATLAS na akceleratorze LHC w CERN Zakład NZ14 Badania oddziaływań proton-proton i ciężkich jonów przy energiach LHC mające na celu weryfikację Modelu Standardowego (MS) i poszukiwanie efektów spoza MS. 1. Przygotowanie detektora ATLAS do drugiego seansu fizycznego LHC (Run 2: ) W 2014 roku, podczas przerwy w działaniu akceleratora LHC, zespół z IFJ PAN sprawował nadzór nad całością prac przy systemie kontroli detektora wewnętrznego (DCS), wnosząc istotny wkład w uaktualnienie i rozwój oprogramowania systemu DCS detektorów TRT i SCT. Prowadzono prace nad poprawą wydajności działania systemu gazowego zasilania detektora TRT. Kierowano pracami związanymi z pozycjonowaniem (ang. alignment) detektora wewnętrznego wykorzystując dane doświadczalne dla mionów promieniowania kosmicznego zarejestrowane w detektorze ATLAS specjalnie w tym celu. Pracownicy zakładu brali udział i wnieśli istotny wkład w przygotowanie detektora ALFA do Run 2. Pracowano na systemem monitoringu, akwizycji danych, i nad oszacowaniem tła dla tego detektora. Prace wykonane przez zespół z NZ14 miały istotne znaczenie dla zapewnienia poprawnego działania detektora podczas Run Analiza oddziaływań proton-proton W oparciu o dane uzyskane podczas Run 1 (przeprowadzonego w latach ) pracowano nad dalszym rozwojem i testowaniem pakietów oprogramowania służącego do rekonstrukcji leptonów tau i do badania wydajności systemów wyzwalania. Zakończono prace nad publikacją dotyczącą poszukiwania naładowanego bozonu Higgsa w oparciu o dane ze zderzeń proton-proton przy energii 7 i 8 TeV. Analizując dane doświadczalne dla zderzeń proton-proton badano również możliwość pomiaru polaryzacji leptonów tau w rozpadach Z ττ. 3. Badanie zderzeń proton-proton w obszarze małych kątów Zakończono prace nad publikacją dotyczącą pomiaru całkowitego przekroju czynnego w oddziaływaniach proton-proton przy użyciu danych z detektora ALFA. 6

7 Pracownicy zakładu brali udział w przygotowaniu Technical Design Report (TDR) dla detektora AFP (ATLAS Forward Physics). 4. Badanie oddziaływań ciężkich jonów Przeprowadzono ulepszoną rekonstrukcję próbek dla zderzeń p+pb i Pb+Pb. Zarządzano zasobami gridowymi i dyskowymi grupy ciężkich jonów eksperymentu ATLAS i przeprowadzono szereg symulacji Monte Carlo oddziaływań ciężkich jonów. Dla danych Pb+Pb zakończono analizę pomiaru azymutalnych asymetrii wyprodukowanych cząstek w oparciu o metodę płaszczyzny reakcji i metodę korelacji wielocząstkowych. 5. Faza II modernizacji detektora ATLAS W ramach międzynarodowej współpracy, prowadzono prace nad projektem nowego detektora wewnętrznego eksperymentu ATLAS, dostosowanego do zwiększonej świetlności akceleratora, High Luminosity LHC, którego uruchomienie przewidywane jest ok. roku Współpraca z CERN, koordynator: prof. D. Charlton Współpracowano z WFiIS AGH oraz z ACK Cyfronet AGH i PCSS Poznań przy rozwoju usług dla eksperymentów fizyki wysokich energii w projekcie PLGrid+. Zespół z NZ14 przeprowadził badania asymetrii rozkładów kątów azymutalnych cząstek naładowanych, dla których wyznaczono współczynniki Fouriera v 2, v 3 i v 4 w szerokim zakresie przestrzeni fazowej, używając metody korelacji wielocząstkowych. Metoda ta pozwala na separację globalnych efektów kolektywnych od krótkozasięgowych korelacji. Stwierdzono, że v n zmierzone przy pomocy 4-, 6- i 8-cząstkowych korelacji są znacznie mniejsze od v n wyznaczanych przy pomocy 2-cząstkowych korelacji. Publikacja: Eur. Phys. J. C (2014) 74: Opublikowano w 2014 roku z udziałem grupy z IFJ PAN 85 artykułów w czasopismach wyróżnionych w JCR. zadanie 7. Eksperyment LHCb na akceleratorze LHC w CERN Zakład NZ17 Badania nad niezachowaniem parzystości kombinowanej CP w rozpadach mezonów B, badanie rzadkich rozpadów mezonów B oraz poszukiwanie efektów spoza Modelu Standardowego. Współpraca z CERN, koordynator: prof. P. Campana 1. Udział w obsłudze eksperymentu LHCb i jego przygotowaniach do pracy przy zwiększonej świetlności wiązki. W 2014 roku zderzacz LHC był modernizowany i nie dostarczał nowych przypadków zderzeń proton-proton. Prace grupy koncentrowały się na przystosowaniu detektora LHCb 7

8 do pracy przy zwiększonej świetlności wiązki planowanej na rok Główny nacisk położony został na udział w opracowaniu nowej wersji detektora RICH (projektowanie prototypu elektroniki odczytu) oraz na symulacjach łańcucha odczytu z detektora RICH. 2. Rozwój i obsługa oprogramowania centralnego eksperymentu LHCb. Przeprowadzono przegląd algorytmów do rekonstrukcji wierzchołków oddziaływania. W związku ze zmianami w systemie wyzwalania HLT (High Level Trigger) zbadano możliwość opracowania zmodyfikowanych algorytmów w celu zwiększenia kompatybilności rekonstrukcji wierzchołków pierwotnych on-line i off-line. Opracowano udoskonalony punkt pracy algorytmów rekonstrukcji pozwalający na zwiększenie wydajności rekonstrukcji przy jednoczesnej redukcji poziomu fałszywie zrekonstruowanych wierzchołków. Opracowano nowe metody do zoptymalizowanej selekcji przypadków. 3. Analiza danych doświadczalnych eksperymentu LHCb. Ukończono analizę dotyczącą łamania symetrii CP w rozpadach B s D s K dla danych z 2011 roku i przeprowadzono pierwsze kroki analizy dla danych z roku Ukończono analizę dotycząca poszukiwania wzbronionych rozpadów leptonów tau na trzy miony, wyznaczając górną granicę na stosunek tego rozpadu. Kontynuowano analizy dotyczące poszukiwania procesów produkcji bozonu Higgsa, pomiaru przekroju czynnego na produkcję kwarków pięknych oraz poszukiwania rzadkich lub wzbronionych w ramach Modelu Standardowego rozpadów hadronów pięknych i powabnych. 4. Rozbudowa lokalnej infrastruktury obliczeniowej i rozwój narzędzi do analizy danych eksperymentalnych w systemach rozproszonych typu Grid i systemach typu Cloud Computing. W czerwcu 2014 zakończono realizację projektu Cloud Computing (POIG /09-04). Opracowany w ramach projektu system obliczeniowy CC1 oraz zasoby sprzętowe przygotowano do okresu podtrzymania. W 2014 roku system CC1 był intensywnie wykorzystywany do generacji próbek Monte Carlo. Dodatkowo przy użyciu lokalnego klastra Tier-3 przeprowadzano masowe przetwarzanie danych rozmieszczonych w infrastrukturze WLCG (Woldwide LHC Computing Grid). W 2014 roku ukończono analizę dotyczącą pomiaru parametrów łamania symetrii CP w rozpadach B s D s K. Zastosowano nowatorską metodę analizy minimalizującą użycie informacji z symulacji Monte Carlo. Drugim pomiarem było poszukiwanie wzbronionego w ramach Modelu Standardowego (MS) rozpadu leptonu tau na trzy miony, który łamie zachowanie zapachu leptonu. Wyniki obu analiz zostały opublikowane w czasopismach z listy JCR. Współpraca LHCb wyznaczyła stosunek rozpadu mezonu B s na dwa miony. Rozpad ten jest silnie tłumiony, a jego stosunek rozpadu przewidywany w ramach MS jest rzędu Kombinacja wyników z eksperymentów LHCb i CMS dla tego rozpadu pozwoliła na jego obserwację. Wynik okazał się zbyć zgodnym z przewidywaniami MS, dzięki czemu wyznaczono silne ograniczenia dla modeli, które są rozszerzeniami MS, w szczególności dotyczy to modeli postulujących istnienie tzw. Supersymetrii. Grupa LHCb z IFJ prowadzi kilka innych analiz, które będą sukcesywnie publikowane w kolejnych latach. Łącznie z udziałem zespołu z IFJ PAN opublikowano 73 prace w czasopismach wyróżnionych w JCR. zadanie 8. Projekt liniowego zderzacza elektron-pozyton oraz badanie jego potencjału 8

9 fizycznego. Zakład NZ13 Zadanie ma na celu przygotowanie udziału w fazie projektowej przyszłego liniowego zderzacza elektron-pozyton oraz wstępne oszacowanie potencjału badań fizycznych procesów zachodzących z łamaniem zapachu leptonu i/lub liczb leptonowej i barionowej. Realizowano je w ramach współprac ILC (ILD) oraz CLIC (CLICdp). W roku 2014 przeprowadzono wstępne konsultacje z udziałem władz współprac ILC i CLIC oraz pracowników IFJ PAN, dotyczące potencjalnego wkładu naszego Instytutu w badania nad optymalizacją wnęk rezonansowych oraz diagnostyką wiązki. Wykonano także szereg symulacji fizycznych w celu zbadania możliwości rejestracji w aparaturze przyszłych eksperymentów ILD i CLICdp, procesów zachodzących z łamaniem zapachu leptonu i/lub liczby leptonowej i barionowej. Dotyczyły one w szczególności dwu leptonowych stanów końcowych t-tbar oraz b-bbar, badania własności bozonu Higgsa oraz niektórych teorii fizycznych, będących rozszerzeniem modelu standardowego (zwłaszcza tzw. modelu ukrytej doliny ). Symulacje dwu leptonowych stanów końcowych t-tbar oraz b-bbar zostały docenione przez władze współpracy CLICdp, jako istotny przyczynek do oszacowania potencjału badań fizycznych tego przyszłego eksperymentu. W uwagi na fakt, iż prace rozpoczęto w 2014 r., jedyną formą wykorzystania wyników badań było ich kilkakrotne prezentowanie podczas roboczych zebrań współprac ILD oraz CLICdp. zadanie 9. Projekt i budowa detektora dla liniowego zderzacza elektronów Zakład NZ13 Zadanie polega na uczestniczeniu w budowie docelowego prototypu detektora do pomiaru świetlności, LumiCal, przeznaczonego dla przyszłego liniowego akceleratora ILC/CLIC (punkt 1), oraz na przygotowaniu programu fizycznego, włączającego LumiCal w analizę (punkt 2). Badania te były prowadzone jako wkład własny w ramach międzynarodowej współpracy FCAL i projektu AIDA (7.PR UE) i stanowiły one kontynuację prac z lat ubiegłych. 1. Uzyskano dalszy postęp w pracach nad docelową wersją prototypu detektora LumiCal. Po pierwsze otrzymano końcowe wyniki analizy danych zebranych z pomiarów prototypów detektorów współpracy FCAL (LumiCal i BeamCal) na testowej wiązce elektronowej w DESY. Rezultaty te zostały przedstawione w publikacji współpracy FCAL (H. Abramowicz et al., Performance of fully instrumented detector planes of the forward calorimeter of a Linear Collider detector), która została wysłana do czasopisma JINST. Przeprowadzono kolejne pomiary na testowej wiązce akceleratorowej w CERN, używając udoskonalonej konstrukcji prototypu kalorymetru z czterema warstwami sensorów krzemowych i rozszerzonej liczby kanałów odczytu. Grupa z IFJ PAN uczestniczyła w przygotowaniach do testu (sporządzenie elementu, fan-out, symulacje Monte Carlo) jak i 9

10 przy zbieraniu danych. Są one obecnie analizowane. Brak końcowej postaci globalnego systemu akwizycji danych (DAQ) dla głównego detektora (którego częścią jest LumiCal) powodował konieczność użycia do zbieraniu i transmisji danych lokalnego systemu DAQ. Trwają wstępne prace nad stworzeniem odpowiedniego modułu umożliwiającego w przyszłości pełną komunikację z globalnym DAQ. Grupa z IFJ PAN pracowała również nad projektem laserowego systemu (LAS) przeznaczonego do pomiaru przemieszczeń detektora LumiCal. Roboczy projekt systemu LAS zakłada użycie dwóch różnych sposobów laserowego pomiaru przemieszczeń detektora i jego warstw wewnętrznych. Zostały zbudowane laboratoryjne prototypy wykorzystujące każdą z tych metod. Wstępne pomiary z udziałem prototypów potwierdziły ich przydatność w docelowym systemie LAS. 2. Detektor LumiCal będzie dostarczać informacje przydatne dla analiz fizycznych wymagających wiedzy o cząstkach produkowanych w obszarze małych kątów biegunowych w stosunku do osi wiązki. Jedna z nich wiąże się wyznaczeniem funkcji struktury fotonu w eksperymentach na akceleratorach ILC/CLIC. W tych badaniach, dla poprawienia precyzji pomiaru energii zarejestrowanych, wtórnych elektronów, przeprowadzono kalibrację detektora LumiCal uwzględniającą zależność od kąta pod jakim rejestrowana cząstka trafia w detektor. Uzyskane wyniki posłużyły następnie do wykreślenia krzywych kalibracyjnych dla poszczególnych przedziałów kątowych wykorzystanych w analizie funkcji struktury fotonu. Pierwsze wyniki analizy dotyczącej funkcji struktury fotonu zostały przedstawione na konferencji LCWS2014 i zebraniu współpracy FCAL w Belgradzie w październiku Dalsze prace dotyczące tej tematyki są w toku. Publikacja współpracy FCAL dotycząca przeprowadzonych w latach poprzednich testów prototypów detektorów LumiCal i BeamCal, w druku w JINST. Udział w testach na wiązce akceleratorowej rozszerzonego prototypu detektora LumiCal. Zbudowanie różnych prototypów laserowego systemu do pozycjonowania detektora LumiCal. Pierwsze wyniki analizy fizycznej dotyczącej pomiaru funkcji struktury fotonu. Wyniki prac współpracy FCAL w roku 2014 z udziałem zespołu z IFJ PAN przedstawiane zostały również w raporcie dla komitetu ECFA, na szeregu zebraniach współpracy FCAL, projektu AIDA i konferencjach międzynarodowych. zadanie 10. Badania w zakresie astronomii gamma Zakład NZ12 Prowadzenie badań w zakresie obserwacyjnej astrofizyki promieniowania gamma poprzez udział w eksperymencie H.E.S.S. (High Energy Stereoscopic System) oraz w fazie projektowej obserwatorium CTA (Cherenkov Telescope Array). Prowadzono projekty obserwacyjne dotyczące astrofizycznych źródeł gamma w zakresie najwyższych energii (100 GeV 100 TeV) w ramach współpracy H.E.S.S. Zespół fizyków IFJ PAN był również zaangażowany w prace techniczno-rozwojowe 10

11 zmierzające do budowy obserwatorium CTA oraz opracowanie celów naukowych projektu. Obserwatorium H.E.S.S. (High Energy Stereoscopic System) odkryło trzy wyjątkowo jasne źródła promieniowania gamma najwyższych obserwowalnych energii w Wielkim Obłoku Magellana - bliskiej galaktyce karłowatej stowarzyszonej z naszą Galaktyką. "The exceptionally powerful TeV γ-ray emitters in the Large Magellanic Cloud", H.E.S.S. Collaboration, Science 347, 406 (2015). Odkryto także obiekt HESS J , który w zakresie VHE charakteryzuje się bardzo płaskim widmem. Jeśli rejestrowane promieniowanie pochodzi od protonów promieniowania kosmicznego oddziałujących z gazem ośrodka, to widmo protonów musi się rozciągać do 1 PeV. Obiekty takie jak HESS J mogą więc być poszukiwanymi od niemal stu lat źródłami galaktycznych promieni kosmicznych. We współpracy HESS opublikowano w 2014 roku 12 artykułów z udziałem grupy z IFJ PAN w czasopismach wyróżnionych w JCR. Prace inżynieryjne wykonywane w Dziale DAI doprowadziły do otwarcia w IFJ PAN prototypu teleskopu SST-1M dla projektu Cherenkov Telescope Array. Elementy mechaniczne zostały wykonane w zakładzie Ponar-Żywiec wg założeń przygotowanych przez konsorcjum CTA. Zadanie11: Eksperyment STAR na akceleratorze RHIC w Brookhaven National Laboratory Zakłady NZ11, NZ13 1. Analiza danych zderzeń proton-proton przy energii 200 GeV z trygerem dyfrakcyjnym z naboru w 2009 roku. 2. Przygotowanie naboru danych z trygerem dyfrakcyjnym przy energii 500 GeV w 2013 roku. 3. Udział w obsłudze naboru danych dla eksperymentu STAR. Ad 1. Opracowano nową metodę pozycjonowania aparatury pp2pp. Metoda ta posłużyła do oszacowania błędów systematycznych w pomiarze asymetrii rozpraszania na spolaryzowanej tarczy Przeprowadzono analizę danych dyfrakcyjnego rozproszenie protonów z produkcją par przeciwnie naładowanych mezonów rejestrowanych w centralnym detektorze eksperymentu STAR Wyniki analizy przedstawiono na wielu międzynarodowych konferencjach oraz w opublikowanej pracy przeglądowej Opracowano i opublikowano w sieci program GenEx: A simple generator structure for exclusive processes in high energy collisions (arxiv: ) umożliwiający konstruowanie generatorów procesów peryferyjnych z określoną liczbą cząstek w stanie końcowym (procesów ekskluzywnych). Przy użyciu programu GenEx zaimplementowano modele nierezonansowej produkcji par mezonów w procesach podwójnej dyfrakcji (produkcja centralna) i wykorzystano je do interpretacji danych STAR. Jedna z wersji programu została zaimplementowana w softwarze eksperymentu STAR. Publikacja opisu generatora w przygotowaniu. Wykonano studium możliwości pomiaru procesu dyfrakcyjnego bremsstrahlungu przy 11

12 uzyciu detektora STAR. Wyniki tej analizy opublikowano na sieci (Exclusive Diffractive Photon Bremsstrahlung at RHIC Feasibility Study arxiv: ), publikacja w przygotowaniu Ad 2. Ta część programu została zastąpiona przez prace nad trygerem dyfrakcyjnym w nowym ustawieniu aparatury pp2pp i naboru danych w 2015 roku. Tryger dyfrakcyjny jest obecnie (2015 r.) wykorzystywany do naboru danych Ad 3. Grupa krakowska wykonała w roku 2014 wszystkie przypadające na nią zadania związane z obsługą eksperymentu (dyżury przy naborze danych eksperymentu STAR). W pracy L. Adamczyk et al. [STAR Collab.] Measurement of longitudinal spin asymmetries for weak boson production in polarized proton-proton collisions at RHIC ; Phys.Rev.Lett.113,072301(2014), zaprezentowano pomiary pojedynczych i podwójnych asymetrii spinowych dla produkcji naładowanych W i neutralnych Z/γ bozonów w zderzeniach podłużnie spolaryzowanych protonów w eksperymencie STAR. Włączenie tych pomiarów do globalnej analizy danych znacznie poprawi oszacowanie polaryzacji antykwarków w protonie. W pracy Central exclusive production at RHIC L.Adamczyk, W.Guryn, J.Turnau opublikowanej w Int.J.Mod.Phys. A29 (2014) 28, (e-print: arxiv: [hep-ex] ) przedstawiono pomiar przekroju czynnego na ekskluzywną centralną produkcję par mezonów w procesach dyfrakcyjnych przy użyciu detektorów Roman Pot oraz dalsze perspektywy tego rodzaju pomiarów na akceleratorze RHIC. Opublikowano w 2014 roku 14 artykułów w czasopismach wyróżnionych w JCR. BADANIA TEORETYCZNE zadanie 12. Teoria i fenomenologia oddziaływań fundamentalnych z uwzględnieniem eksperymentów fizyki cząstek elementarnych Zakład NZ42 Prowadzenie obliczeń teoretycznych, numerycznych i symulacji Monte Carlo dla potrzeb analizy danych z eksperymentów prowadzonych przy działających i planowanych zderzaczach cząstek (LHC, fabryki B, fabryki mezonów, ILC, CLIC i inne). Precyzja obliczeń jest kluczowym parametrem i musi być wyższa niż precyzja pomiarów aby nie wpływać na ostateczną dokładność wyniku. Obliczenia prowadzone są w oparciu o kwantową teorię pola i obejmują cztery fundamentalne oddziaływania przyrody: elektromagnetyczne, słabe, silne oraz grawitacyjne. Prowadzono prace nad rozwojem komputerowych programów symulacyjnych dla procesu produkcji i rozpadu bozonu Higgsa oraz bozonów W i Z, które stanowią najważniejszy front w fenomenologii eksperymentów akceleratorowych, w tym w LHC. Generacja rozpadów leptonów tau i efektów emisji fotonów jest istotna częścią w/w symulacji (współpraca z grupą naukowców zespołu prof. Arbuzowa z JINR). Kontynuowano prace nad nową metodą uwzględniania efektów niewiodących QCD w kaskadzie partonowej. 12

13 Kontynuowano prace na temat rozkładów partonowych i twardych elementów macierzowych w tym sformułowanie i aplikacja do procesów w LHC. Prowadzono studia nad rozpadami leptonów tau w modelu opartym o Teorię Rezonansów Chiralnych oraz implementacją w generatorze TAUOLA. Przy ich użyciu analizowano dane z eksperymentów Belle i BaBar dla 3-pionowych kanałów rozpadu. Przewidywania rachunków perturbacyjnych w modelu standardowym i modelach efektywnych, Budker Institute of Nuclear Physics (Rosja), grupa prof. S. Edelmana - projekt protokolarny w latach ( ). Współpraca dotycząca badania rozpadów leptonów tau jest owocnie wspólnie rozwijana od wielu lat. Fizycy z instytutu Budkera uczestniczyli z referatami w mini konferencjach z cyklu Workshop on tau lepton decays organizowanych przez IFJ w latach 2012 i Brali także udział w przygotowaniach konferencji Belle II Theory Interface Platform (B2TIP) Kraków Realizowane prace były współfinansowane ze środków FP7. Prace wykonano we współpracy m. in. z: CERN, DESY, ZIBJ, University of Aachen (Niemcy); LAPP Annecy i Ecole Polytechnique, Paryż (Francja); Baylor University (USA), Hangzhou Normal University (Chiny); Nagoya University (Japonia); University of Manchester (Wielka Brytania). Praca na temat badania własności cząstki Higgsa w LHC: T.Przedziński, E.Richter-Wąs and Z.Wąs TauSpinner: a tool for simulating CP effects in H to tau tau decays at LHC, Eur.Phys.J. C 74, 3177 (2014); we współpracy z grupą ATLAS IFJ PAN. Efektem współpracy z Universitat de Valencia, i Ecole Polytechnique, Paryż, jest publikacja: A. van Hameren, P.Kotko, K.Kutak, C.Marquet, S.Sapeta Saturation effects in forward-forward..., Phys.Rev. D89 (2014) We współpracy z ośrodkami CERN i University of Manchester powstała praca: O.Gituliar, S.Jadach, A.Kusina, M.Skrzypek On regularizing the infrared singularities in QCD NLO splitting functions..., Phys.Lett. B732 (2014) na temat efektów niewiodących QCD w kaskadzie partonowej Publikacja Small-x dynamics in forward-central dijet decorrelations at the LHC" A. van Hameren, P.Kotko, K.Kutak, S.Sapeta, Phys.Lett. B737 (2014) , Publikacja Saturation effects in forward-forward dijet production... A. van Hameren, P.Kotko, K.Kutak, C.Marquet, S.Sapeta, Phys.Rev. D89 (2014) , oraz Wilson lines and gauge invariant off-shell amplitudes P. Kotko, JHEP 1407 (2014) 128. Opublikowano w 2014 roku 10 artykułów w czasopismach wyróżnionych w JCR. zadanie 13. Astrofizyczne i kosmologiczne aspekty fizyki cząstek Zakład NZ43, NZ12 1. Badania nad budową galaktyk spiralnych: rozkładem materii, masą, zawartością ciemnej materii niebarionowej. Analiza konsekwencji modelu dyskowego dla wyjaśnienia własności galaktyk spiralnych, porównanie przewidywań teoretycznych z danymi obserwacyjnymi (strukturą rotacji, ruchem obiektów satelitarnych, mikrosoczewkowaniem). 13

14 2. Mikrofizyka procesów formowania się fal uderzeniowych w plazmie bezzderzeniowej, procesów injekcji oraz przyśpieszania cząstek, generowania turbulencji magnetycznej w sąsiedztwie fal uderzeniowych oraz emisji promieniowania elektromagnetycznego. Ad 1. Przy wykorzystaniu zjawisk obserwacyjnych (takich jak wertykalny gradient prędkości azymutalnej, mikrosoczewkowanie grawitacyjne, czy ruch obiektów halo wokół naszej Galaktyki) starano się znaleźć odpowiedź na pytanie o rozkład materii barionowe oraz o ilość ciemnej materii niebarionowej w galaktykach spiralnych. Modelowano zachowanie gradientu, ruchu obiektów halo, czy mikrosoczewkowanie w modelu dyskowym, a następnie sprawdzamy zgodność wyników z obserwacjami. Rozpoczęto badanie zagadnienia stabilności galaktyk spiralnych modelowanych jako obiekty dyskopodobne (spłaszczone), bez masywnej komponenty sferycznej. Badania prowadzone we współpracy z Obserwatorium Astronomicznym oraz Instytutem Fizyki Uniwersytetu Jagiellońskiego. Ad 2. Badano mikrofizykę prostopadłych fal uderzeniowych o dużych liczbach Macha dla parametrów odpowiadających warunkom fizycznym panującym w szokach młodych pozostałości po supernowych, w których za formowanie się fali odpowiada magnetyczna niestabilność dwustrumieniowa. Analizie poddano także efekty elektronowej niestabilności Kelvina-Helmholtza (KHI), która prowadzi do generacji turbulencji EM oraz przyspieszania cząstek w warstwie brzegowej dżetów aktywnych jąder galaktyk oraz błysków gamma. Prace wykonywane są we współpracy m.in. z Uniwersytetem Poczdamskim. Wyniki badań wskazują, że do modelowania galaktyk spiralnych i zjawisk w nich zachodzących, założenie o istnieniu masywnego halo ciemnej materii niebarionowej nie jest konieczne. Co więcej, niejednokrotnie to model dyskowy znacznie lepiej się sprawdza (np. przy zgodnym z obserwacjami opisem wertykalnego gradientu rotacji galaktyk). Szczególnie ciekawe są wyniki dotyczące Drogi Mlecznej wskazują one, że w obszarze Galaktyki od centrum do Słońca, najprawdopodobniej nie ma dużo ciemnej materii niebarionowej (być może nie ma jej wcale). Co może tłumaczyć problemy z jej eksperymentalna detekcją. Procesy wstępnej akceleracji cząstek w przypadku prostopadłych fal uderzeniowych w słabo namagnetyzowanej plazmie zachodzą efektywnie tylko dla protonów. Proces surfowania elektronów na szoku jest nieefektywny ze względu na mała amplitudę niestabilności Bunemana w obszarze prekursora fali. Cykliczne zmiany efektywności odbijania jonów od frontu fali świadczą o występowaniu zjawiska tzw. reformacji szoków znanego z badań szoków występujących w przestrzeni okołosłonecznej. Elektronowa niestabilność KH prowadzi do generacji turbulencji magnetycznej i przyspieszania cząstek w warstwie brzegowej ze ścinaniem prędkości relatywistycznych dżetów w materii elektronowo-protonowej i elektronowo-pozytronowej; w procesach tych rolę odgrywa również relatywistyczna niestabilność Weibla, będąca wynikiem mieszania się ze sobą populacji cząstek występujących po obu stronach warstwy brzegowej. 14

15 Opublikowano w 2014 r. 4 artykuły w czasopismach wyróżnionym w JCR. zadanie 14. Wybrane problemy fizyki matematycznej Zakład NZ43 Zastosowanie metod algebraicznych i matematyki dyskretnej w rozwiązywaniu zagadnień fizyki kwantowej. Konstrukcja modeli kwantowych bazujących na opisie kombinatorycznym. Badanie własności uogólnionych stanów koherentnych. 1. Opracowanie i zastosowanie metod algebraicznych oraz matematyki dyskretnej w rozwiązywaniu zagadnień fizyki kwantowej. Budowa i analiza modeli układów kwantowych bazujących na opisie kombinatorycznym. (współpraca z Uniwersytetami Paris VI, XIII, Francja) 2. Konstrukcja uogólnionych stanów koherentnych w oparciu o własność reprodukowania. Analiza własności schematów kwantowania bazujących na uogólnionych stanach koherentnych (współpraca z Uniwersytetami Paris VI, VII, Francja oraz Instytutem Matematyki UJ). 3. Badanie klasycznych i kwantowych własności geometrycznych modeli cząstek (tzw. układów fundamentalnych) i ich oddziaływania z polami. Badano możliwość rekonstrukcji kontekstualnego zachowania obserwabli w mechanice kwantowej. Skonstruowano dyskretny model symulujący zachowanie kwantowych obserwabli w tzw. Mermin-Peres square. Wynik pokazuje, że tego typu zachowanie nie jest cechą typową wyłącznie dla układów kwantowych. P. Błasiak, Classical systems can be contextual too: Analogue of the Mermin Peres square, praca ukazała sie drukiem w lutym 2015 Ann. Phys (2015). Opis zjawiska fotoluminescencji nanokryształów krzemu bazujący na wykorzystaniu rozkładów Levy'ego, uzyskanych ściśle i jednoznacznie. Nasze podejścia bardzo dobrze odtwarza dane doświadczalne oraz dostarcza argumentów świadczących że dynamika prowadząca do opisu fotoluminescencji poprzez tzw. stretched exponentials jest opisywana frakcyjnymi równaniami Fokkera-Plancka. G.Dattoli, K.Górska, A.Horzela, K.A.Penson; Photolumiescence decay of silicon nanocrystals and Levy stable distributions, Phys.Lett.A 378 (2014) Opublikowano w 2014 roku łącznie 6 artykułów w czasopismach wyróżnionych w JCR z tej tematyki. 15