Szczegółowy plan zadaniowy Instytutu Fizyki Jądrowej PAN na 2014 r.

Transkrypt

1 Szczegółowy plan zadaniowy Instytutu Fizyki Jądrowej PAN na 2014 r. Temat 1. BADANIA EKSPERYMENTALNE I TEORETYCZNE W ZAKRESIE FIZYKI I ASTROFIZYKI CZĄSTEK BADANIA EKSPERYMENTALNE zadanie 1. Eksperyment ZEUS na akceleratorze HERA w DESY Celem niniejszego zadania jest weryfikacja hadronowego sektora Modelu Standardowego oddziaływań cząstek elementarnych, czyli chromodynamiki kwantowej, w wysoko energetycznych oddziaływaniach e-p. Chromodynamika kwantowa jest daleka od kompletności ale ma duży potencjał koncepcyjny i dlatego nowe wyniki doświadczalne są niezbędnym warunkiem jej rozwoju, i w konsekwencji głębszego zrozumienia istoty podstawowych sił przyrody. Wysoko energetyczne oddziaływania lepton - nukleon od dawna są dogodnym polem weryfikacji i stymulacji QCD. Badania zderzeń elektronów lub pozytonów z protonami przy energiach ok. 300 GeV w układzie środka masy. Kontynuacja analizy fizycznej danych uzyskanych w poprzednich latach w eksperymencie ZEUS, a w szczególności analiza procesów produkcji hadronów w głęboko-nieelastycznych oddziaływaniach ep. Efekty zadania to publikacje naukowe w renomowanych czasopismach i prezentacje na prestiżowych konferencjach i warsztatach. zadanie 2. Eksperyment H1 na akceleratorze HERA w DESY Badania zderzeń elektronów lub pozytonów z protonami. 1. Obsługa eksperymentu: symulacje Monte Carlo na farmie PC w DESY, 2. Kontynuacja analizy końcowych stanów hadronowych w głęboko-nieelastycznych rozproszeniach elektron-proton przy dużych wartościach przekazu czteropędu Q 2. Publikacja na temat produkcji instantonów w głęboko-nieelastycznych rozproszeniach elektron-proton przy dużych wartościach przekazu czteropędu Q 2 (górny limit na produkcję instantonów) oraz prezentacje na międzynarodowych konferencjach i warsztatach naukowych. zadanie 3. Eksperyment Belle na akceleratorze KEKB i eksperyment Belle II na SuperKEKB (Japonia) Badanie rzadkich rozpadów mezonów B. 1. Udział w fazie intensywnej analizy danych Belle. 2. Udział w przygotowaniu do Belle II na SuperKEKB. 3. Projektowanie i prototypowanie układów ASIC i detektorów mozaikowych w technologiach SOI, DEPFET oraz budowa systemów detektora wierzchołka. 1

2 Precyzyjne pomiary obserwabli czułych na efekty spoza Modelu Standardowego w rozpadach mezonów B, B s, D, D s. i leptonów w oparciu o największą obecnie dostępną próbkę danych, zebraną w warunkach fabryki B oraz publikacje otrzymanych wyników w czasopismach z listy filadelfijskiej. Monolityczne detektory mozaikowe, rozwijane dla eksperymentów fizyki wysokich energii, mogą w przyszłości znaleźć zastosowanie w obrazowaniu medycznym i w radiobiologii. zadanie 4. Eksperyment promieniowania kosmicznego AUGER 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. Są to cząstki o najwyższych energiach, jakie znamy w przyrodzie. 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. Detekcja promieni kosmicznych o najwyższych energiach jest możliwa tylko poprzez rejestrację wywoływanych przez nie tzw. wielkich pęków atmosferycznych. Obserwatorium Pierre Auger jest wyposażone w tzw. hybrydowy układ detekcji wielkich pęków, który umożliwia pomiary wielkich pęków z bezprecedensową dokładnością. 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 prowadzone są dyżury w Obserwatorium w celu akwizycji danych eksperymentalnych oraz analiza fizyczna tych danych. Prowadzone są też prace zmierzające do rozwinięcia nowej metody detekcji wielkich pęków przy użyciu techniki mikrofalowej. Efektem prowadzonych prac będzie przede wszystkim wyznaczenie widma energii promieni kosmicznych skrajnie wysokich energii oraz ich składu masowego, a także rozkładu kierunków ich przylotu do Ziemi. Wyniki te umożliwią testowanie modeli pochodzenia promieni kosmicznych i prawdopodobnie wyjaśnienie pochodzenia cząstek o skrajnie wysokich energiach. zadanie 5. Eksperymenty neutrinowe i poszukiwanie cząstek Ciemnej Materii Badanie oddziaływań neutrin akceleratorowych, atmosferycznych, słonecznych i z wybuchu Supernowej, poszukiwanie rozpadu protonu oraz poszukiwanie cząstek Ciemnej Materii. 1. Udział w analizie danych z eksperymentu neutrinowego ICARUS T Udział w akceleratorowym eksperymencie neutrinowym T2K w Japonii. 3. Udział w europejskim projekcie LAGUNA-LBNO (7. PR UE). 4. Prace dla projektu polskiego, podziemnego laboratorium SUNLAB1. 5. Detektory dla poszukiwań cząstek Ciemnej Materii w programie WArP R&D. (propozycja skreślenia punktu wyszła od prof. Zalewskiej) 2

3 Efektem prac prowadzonych w eksperymentach T2K i ICARUS będzie lepsze poznanie oscylacji i oddziaływań neutrin. T2K służy dokładniejszemu wyznaczeniu dwu z sześciu parametrów oscylacji neutrin i dostarczy wstępnej informacji na temat parametru CP związanego z symetrią CP dla neutrin. W eksperymencie ICARUS technika detektorów ciekło-argonowych pozwala na identyfikację topologii przypadków. Bliski detektor T2K i detektor ICARUS poprawią pomiary przekrojów czynnych dla oddziaływań neutrin. W T2K grupa krakowska zajmuje się pomiarem przekroju czynnego dla oddziaływań neutrin mionowych z wymianą prądów naładowanych i produkcją neutralnych mezonów oraz badaniem tła od tej reakcji, a w eksperymencie ICARUS rekonstrukcją wierzchołków oddziaływań neutrin z wiązki CNGS i selekcją oraz oddziaływaniami neutrin atmosferycznych. Projekt LAGUNA-LBNO dotyczy studium dla przyszłej wiązki neutrinowej w CERN i detektorów umieszczonych poza CERN. Udział grupy krakowskiej polega na symulacjach wiązki i oscylacji neutrin dla różnych odległości. Badania dla projektu LAGUNA wskazały na bardzo dobrą lokalizację podziemnego laboratorium w Polsce, w ZG Polkowice- Sieroszowice. Są one kontynuowane pod kątem małego laboratorium SUNLAB1 w pokładach soli o wyjątkowo niskim poziomie naturalnej promieniotwórczości. Laboratorium powinno łączyć funkcje czysto badawcze z zastosowaniami. Grupa krakowska uczestniczy w pracach studyjnych WArP R&D dla poszukiwań Ciemnej Materii.. Analiza danych z testów jest na ukończeniu i trwają prace nad wykorzystaniem wyników w detektorze ciekło-argonowym LArIAT do badań nisko-energetycznych neutrin. Wszystkie zakończone analizy zostaną opublikowane. zadanie 6. Eksperyment ATLAS na akceleratorze LHC w CERN Badania oddziaływań proton-proton i ciężkich jonów przy energiach LHC. 1. Analiza danych doświadczalnych mająca na celu systematyczne zwiększanie zdolności rozdzielczej detektora oraz rozwój i testowanie pakietów oprogramowania eksperymentu. 2. Udział w analizie danych proton-proton. 3. Udział w analizie danych ołów-ołów. 4. Udział w pracach nad detektorami dla fizyki do przodu. 5. Obsługa spektrometru ATLAS w trakcie naświetlań na akceleratorze LHC. 6. Prace inżynieryjne przy modyfikacji, wymianie lub naprawie elementów aparatury. 7. Zarządzanie systemem kontroli detektora TRT, w tym rozwój oprogramowania. 8. Udział w pracach badawczo-rozwojowych (R&D) dla eksperymentów przy akceleratorze Super-LHC. 9. Rozwój infrastruktury komputerowej typu Grid dla eksperymentów na akceleratorze LHC w CERN w tym udział w zarządzaniu i rozbudowie gridowego klastra komputerowego poziomu Tier-3 w IFJ PAN. Prowadzone prace kontynuują badania szeregu szczegółowych przewidywań Modelu Standardowego oraz pozwolą wykryć lub wykluczyć istnienie bozonów pola Higgs a oraz ewentualnie badać ich własności korzystając z licznych możliwych kanałów rozpadu. Wśród szerokiego programu naukowego eksperymentu, w którym bierzemy czynny udział, należy wyróżnić analizy prowadzące do potwierdzenia przewidywań modeli supersymetrycznych, manifestujących się między innymi istnieniem nowych, nieznanych cząstek. Prowadzone przez nas analizy przyczynią się do wykrycia lub istotnego przesunięcia granic 3

4 obserwowalności efektów tzw. Nowej Fizyki fizyki spoza opisów Modelu Standardowego takich jak na przykład przejawów istnienia dodatkowych wymiarów przestrzeni. Istotnymi efektami naukowymi będą wyniki badań oddziaływań ciężkich jonów, które prowadzimy intensywnie, a które pozwolą na dalsze poznanie własności nowego stanu materii plazmy kwarkowo-gluonowej. Do efektów praktycznych tych badań sensu stricte podstawowych będą należeć nasze liczne publikacje w renomowanych czasopismach naukowych oraz wystąpienia na ważnych międzynarodowych konferencjach. Należy tu także wyliczyć kilka planowanych doktoratów i habilitacji. Prowadzone przez nas prace dyplomowe na współpracujących z nami uczelniach (UJ, PK, AGH), praktyki i staże studenckie przyczyniają się do istotnego podniesienia poziomu wiedzy i kwalifikacji studentów fizyki, informatyki i elektroniki. zadanie 7. Eksperyment LHC-b 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 obsłudze eksperymentu LHCb i jego przygotowaniach do pracy przy zwiększonej świetlności wiązki. 2. Rozwój i obsługa oprogramowania centralnego eksperymentu LHCb. 3. Analiza danych doświadczalnych eksperymentu LHCb. 4. Rozbudowa lokalnej infrastruktury obliczeniowej i rozwój narzędzi do analizy danych eksperymentalnych w systemach rozproszonych typu Grid i systemach typu Cloud Computing. Do roku 2014 eksperyment LHCb zebrał ogromną próbkę danych o bardzo dobrej jakości. Grupa LHCb z IFJ PAN jest zaangażowana w kilka analiz fizycznych. Prowadzone dwie analizy dla pomiaru kąta γ trójkąta unitarności pozwolą na zasadniczą poprawę precyzji tego ważnego parametru opisującego łamanie symetrii CP oraz stanowią potencjalne pole do odkrycia efektów spoza Modelu Standardowego (SM) poprzez poszukiwanie niezgodności z innymi pomiarami tego kąta. Kolejna prowadzona analiza dotyczy kąta mieszania dla mezonów Bs dla którego niektóre modele teoretyczne przewidują znaczne odchylenia od wartości obliczonej w ramach SM. Poszukiwane są także procesy z łamaniem liczby leptonowej lub liczby barionowej. Grupa z IFJ PAN uczestniczy także w badaniach dżetów kwarkowych b oraz poszukiwania dżetów oddalonych od wierzchołka oddziaływania. Planowane jest rozpoczęcie nowej analizy dotyczącej korelacji Bosego-Einsteina dla produktów zderzeń proton-proton. Wyniki analiz będą sukcesywnie publikowane w czasopismach z listy filadelfijskiej. Drugą dziedziną działalności jest rozwój oprogramowania dla eksperymentu i rozwój nowych technik obliczeniowych. Opracowano i oddano do użytku system wykorzystujący technikę Cloud Computing, który będzie rozwijany w 2014 w mniejszej skali. Grupa uczestniczy także w rozwoju narzędzi analizy w ramach techniki obliczeń Grid, w szczególności zapewniających efektywne środowisko obliczeń dla końcowych faz analiz fizycznych. W ramach tej działalności utrzymywany jest klaster poziomu Tier-3 zintegrowany z ogólnoświatową siecią WLCG (Worldwide LHC Computing Grid). zadanie 8. Projekt liniowego zderzacza elektron-pozyton oraz badanie jego potencjału fizycznego. 4

5 Udział w fazie projektowej liniowego zderzacza elektron-pozyton oraz przygotowanie badań procesów zachodzących z łamaniem zapachu leptonu i/lub liczb leptonowej i barionowej. 1. Prace dotyczące optymalizacji wnęk rezonansowych oraz diagnostyki wiązki. 2. Symulacje fizyczne dotyczące rozpadów leptonu tau oraz hadronów powabnych i pięknych, zachodzących z łamaniem zapachu leptonu i/lub liczb leptonowej i barionowej. Liniowy zderzacz (ang. International Linear Collider, ILC) wykorzystujący zderzenia elektronpozyton wielkiej energii rzędu 1 TeV w środku masy ma zostać uruchomiony do końca trzeciej dekady naszego wieku. Istotnym etapem prac zmierzających do budowy tego zderzacza było wydanie w czerwcu 2013 r. tzw. Technical Design Report (TDR). ILC jako nowe, wielkie urządzenie badawcze oferować ma unikalny i bardzo bogaty program fizyczny, który może jakościowo poprawić stan badań podstawowych składników materii oraz ich oddziaływań. zadanie 9. Projekt i budowa detektora dla liniowego zderzacza elektronów Program fizyczny przygotowywany dla przyszłego liniowego akceleratora ILC lub CLIC wymaga precyzyjnego pomiaru świetlności (z dokładnością 0.1 % (1% ) dla ILC (CLIC)). Detektor LumiCal (zawierający dwa elektromagnetyczne kalorymetry) został tak zaprojektowany aby spełnił to wymaganie. Mechaniczna konstrukcja detektora wraz z odpowiednią strukturą wewnętrzną musi być zbudowana z kilku mikronową dokładnością. Wymagana dokładność w pomiarze świetlności narzuca dodatkowo konieczność znajomości chwilowego położenia obu kalorymetrów względem odpowiedniego układu odniesienia jak i ich wzajemnej odległości z dokładnością na poziomie 100 mikrometrów. Jeszcze większa dokładność (~ 4 mikrometry) jest wymagana dla wewnętrznego promienia kalorymetrów. Trwają prace nad projektem i następnie budową laserowego systemu pomiaru położeń detektora (alignment) w oparciu o metodę FSI i półprzepuszczalne krzemowe sensory. Przeprowadzenie dedykowanych symulacji Monte Carlo z udziałem detektora LumiCal pozwoli na opracowanie metody kalibracji detektora jak i pomoże w analizie fizycznych procesów e + e -, dla których informacja pochodząca z detektora świetlności będzie istotna. Prace wykonywane są w ramach międzynarodowej współpracy FCAL i projektu AIDA (7.PR UE). 1. Prace nad przygotowaniem projektu detektora do pomiaru świetlności (LumiCal) dla przyszłego liniowego akceleratora ILC lub CLIC. Udział w technicznym projekcie dotyczącym włączenia się detektora LumiCal do globalnego systemu akwizycji danych DAQ. Prace nad projektem i budową laserowego prototypu systemu do pomiaru przemieszczeń detektora LumiCal. Udział w pomiarach prototypu detektora LumiCal zbudowanego w projekcie AIDA na elektronowych wiązkach w ośrodkach DESY i CERN. Przeprowadzenie symulacji detektora świetlności dla wypracowania metody : - kalibracji kalorymetru LumiCal - efektywnej rekonstukcji tzw. przypadków Bhabha oddziaływań e + e - w detektorze. - oraz możliwości porównania z wynikami pomiarów prototypu AIDA detektora LumiCal na testowych, elektronowych wiązkach akceleratorowych. 2. Przygotowanie badań nad fizyką oddziaływań e + e - z uwzględnieniem detektora świetlności. Wyniki prac będą zamieszczane w raportach związanych z liniowym akceleratorem, prezentowane na konferencjach w ramach współpracy FCAL i będą stanowiły bazę dla przygotowywanej publikacji współpracy. 5

6 zadanie 10. Badania w zakresie astronomii gamma 1. Udział w eksperymencie H.E.S.S. (High-Energy Stereoscopic System) akwizycja i analiza danych obserwacyjnych przygotowywanie projektów obserwacyjnych udział w interpretacji wyników, w szczególności dotyczących pozostałości po supernowych oraz aktywnych jąder galaktyk; przygotowywanie publikacji naukowych współpracy H.E.S.S. 2. Udział w fazie projektowej obserwatorium CTA (Cherenkov Telescope Array) przygotowywanie podstaw naukowych projektu koordynowanie prac dotyczących struktury mechanicznej teleskopu SST (Single-mirror Small-Size Telescope) typu Daviesa-Cottona o 4-metrowej średnicy reflektora, w ramach międzynarodowego podprojektu 1M-SST (single-mirror SST) współpracy CTA projektowanie oraz budowa prototypu struktury mechanicznej teleskopu Czerenkowa 1M- SST koordynowanie współpracy z działem DAI, opracowywanie parametrów optycznych teleskopu, weryfikacja zgodności własności mechanicznych teleskopu ze specyfikacjami, udział w testach prototypu teleskopu oraz opracowywaniu dokumentacji technicznej konstrukcja zwierciadeł kompozytowych dla teleskopów sieci CTA koordynowanie współpracy z DAI, udział w testach prototypów zwierciadeł oraz opracowywaniu dokumentacji technicznej. jesienią 2012 roku rozpoczęłą się druga faza projektu H.E.S.S., w której do istniejącej sieci 4 teleskopów o 12-metrowej średnicy reflektora dodano centralny teleskop Czerenkowa o największej w świecie powierzchni zwierciadlanej wynoszącej 600 m2 (średnicy 28 m). Poprawia to znacznie czułość obserwatorium w niskoenergetycznej części widma oraz kątową i czasową zdolność rozdzielczą sieci, umożliwiając m.in. badanie własności spektralnych obiektów przy niskich energiach, obserwacje słabych źródeł (m. in. blazarów), poszukiwanie zmienności czasowych emitowanego sygnału w skalach sekundowych (pulsary, sąsiedztwa czarnych dziur) oraz detekcję nowych źródeł. Uzyskane wyniki będą ogłaszane w postaci publikacji naukowych oraz wystąpień konferencyjnych. określenie celów naukowych przyszłego obserwatorium CTA zbudowanie w IFJ PAN oraz przeprowadzenie testów prototypu struktury mechanicznej teleskopu 1M-SST zbudowanie oraz testy prototypów zwierciadeł kompozytowych dla średniego teleskopu CTA. zadanie 11. Eksperyment STAR na akceleratorze RHIC w Brookhaven National Laboratory Badanie zderzeń spolaryzowanych protonów przy energiach 200 i 500 GeV w układzie środka masy. 1. Przygotowanie publikacji z analizy danych dyfrakcyjnych przy energii 200 GeV z 2009 roku. 2. Przygotowanie naboru danych z trygerem dyfrakcyjnym przy energii 500 GeV w 2014 roku i analiza tych danych. 3. Udział w obsłudze naboru danych dla eksperymentu STAR. 4. Udział w przygotowaniu publikacji współpracy STAR. 6

7 Pomiar elastycznego przekroju czynnego przy energii 500 GeV (z danych 2014, publikacja 2015). Poszerzenie wiedzy na temat nieperturbacyjnych aspektów produkcji mezonów poprzez analizę centralnej produkcji mezonów w procesach podwójnej dyfrakcji (publikacja 2014/2015). BADANIA TEORETYCZNE zadanie 12. Teoria i fenomenologia oddziaływań fundamentalnych z uwzględnieniem eksperymentów fizyki cząstek elementarnych Prowadzenie obliczeń teoretycznych, numerycznych i symulacji Monte Carlo dla potrzeb eksperymentów prowadzonych przy działających i planowanych zderzaczach cząstek (LHC, fabryki B, fabryki mezonów, ILC, CLIC i inne). Obliczenia są niezbędne dla analizy danych eksperymentalnych uzyskanych z powyższych urządzeń badawczych. Precyzja obliczeń teoretycznych jest istotnym parametrem i musi być wyższa niż precyzja pomiarów aby nie pogarszać ostatecznej dokładności wyniku. Obliczenia prowadzone są w oparciu o kwantową teorię pola i obejmują cztery fundamentalne oddziaływania przyrody: elektromagnetyczne, słabe, silne oraz grawitacyjne. Planowane efekty naukowe: 1. Publikacje prac naukowych: w pierwszej fazie w formie artykułów wysłanych do archiwów internetowych ( ogólnodostępnych dla wszystkich zainteresowanych; następnie prace będą wysyłane do międzynarodowych czasopism recenzowanych (Physical Review, Nuclear Physics, Physical Letters, European Physical Journal, Journal of High Energy Physics, Computer Physics Communications, Acta Physica Polonica itd.). 2. Wystąpienia na konferencjach międzynarodowych i krajowych w postaci: referatów proszonych, krótkich wystąpień oraz prezentacji posterów. Po konferencji powstaną materiały pokonferencyjne. 3. Seminaria i wykłady, zarówno w macierzystej instytucji IFJ PAN, jak i przede wszystkim w wiodących zagranicznych i krajowych ośrodkach naukowych celem prezentacji i weryfikacji otrzymanych wyników w bezpośrednich dyskusjach. 4. Prezentacje popularno-naukowe do szerokiego kręgu odbiorców, przede wszystkim młodzieży. 5. Uzyskanie cytacji z prac eksperymentalnych posługujących się programami i obliczeniami opracowanymi w ramach zadania. Planowane efekty praktyczne: 1. Konstrukcję i rozwój oprogramowania dla potrzeb analizy danych w detektorach cząstek. Oprogramowanie ma charakter symulacji stochastycznych opartych o metody Monte Carlo. Jest to jedyna skuteczna forma użycia rachunków teoretycznych uwzględniająca skomplikowaną geometrię, budowę i działanie detektorów. 2. Konstrukcja oprogramowania numerycznego ogólnego zastosowania. Oprogramowanie to służy rozwiązaniu konkretnych problemów matematyczno-informatycznych i może być użyte w wielu kontekstach, również poza fizyką. 7

8 zadanie 13. Astrofizyczne i kosmologiczne aspekty fizyki cząstek 1. Badania nad znaczeniem ciemnej materii dla powstawania, budowy i obserwowalnych własności galaktyk. Analiza konsekwencji tzw. modelu dyskowego dla wyjaśnienia własności galaktyk spiralnych, porównanie przewidywań teoretycznych z danymi obserwacyjnymi. 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. Ad1. Publikacja wyników w astrofizycznych i fizycznych czasopismach o zasięgu międzynarodowym, uczestnictwo i prezentacja własnych dokonań na międzynarodowych konferencjach naukowych. Ad 2. Rozwój oprogramowania oraz metod symulacji numerycznych techniką Particle-In- Cell ; implementacja kodu numerycznego na platformę GPU. zadanie 14. Wybrane problemy fizyki matematycznej 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. Konstrukcja i analiza uogólnień schematu Bargmanna. Analiza własności metod kwantowania bazujących na uogólnionych stanach koherentnych (współpraca z Uniwersytetem Paris VI, Francja, Universytetem Concordia w Montrealu, Kanada oraz Instytutem Matematyki UJ). 3. Badanie klasycznych i kwantowych własności geometrycznych modeli cząstek (tzw. układów fundamentalnych) i ich oddziaływania z polami. 4. Wykorzystanie jawnych postaci rozkładów Levy'ego oraz metod operacyjnych typu 'umbral calculus' dla rozwiązywania równań ewolucji z pochodnymi frakcyjnymi. Badanie matematycznych własności operatorów ewolucji generujących te równania. Zastosowanie modeli anomalnej dyfuzji do efektywnego opisu zjawisk turbulencji oraz procesów relaksacyjnych w dielektrykach (współpraca z Uniwersytetem Paris VI, ośrodkiem ENEA Frascati, Włochy oraz Uniwersytetem Case Western Reserve w Cleveland, Ohio, USA). Publikacja wyników czasopismach o zasięgu międzynarodowym dedykowanych fizyce teoretycznej i matematycznej, a także matematyce. Uczestnictwo w międzynarodowych konferencjach naukowych, prezentacja wyników. 8

9 Temat 2. BADANIA EKSPERYMENTALNE I TEORETYCZNE W ZAKRESIE FIZYKI JĄDROWEJ I ODDZIAŁYWAŃ SILNYCH BADANIA EKSPERYMENTALNE Badanie oddziaływań jądrowych w obszarze niskich i pośrednich energii zadanie 1. Mechanizm reakcji jądrowych i produkcja mezonów w zderzeniach hadronów 1. Badanie mechanizmu reakcji w zderzeniach ciężkich jonów: 1.1 analiza danych z eksperymentów ciężkojonowych (eksperymenty: INDRA w GSI, ALADIN w GSI); 1.2 badanie procesu multifragmentacji jąder atomowych; FAZA w ZIBJ, Dubna, 1.3 badanie reakcji spalacji tarcz C, N, O, Fe, Au, Hg wywołanej protonami (analiza danych z eksperymentu PISA w FZ Jülich); 1.4 badanie zależności energii symetrii od gęstości (współpraca ASY-EOS w GSI, Darmstadt oraz współpraca z ośrodkami w RIKEN, Japonia i MSU w USA); 2. Badanie struktury jądra i mechanizmu reakcji w zderzeniach lekkich jąder z powłoki p: 2.1 procesy wielostopniowej wymiany klastrów w reakcjach na lekkich jądrach, badanie zależności energetycznej oddziaływań jądrowych, badanie procesów wymiany ładunkowej (eksperymenty na cyklotronie ŚLCJ w Warszawie); 2.2 astrofizyka jądrowa niskich energii (eksperymenty na cyklotronie ŚLCJ w Warszawie i cyklotronie w Astanie, Kazachstan) 2.3 badania mechanizmów reakcji jądrowych przy pośrednich energiach oraz struktur egzotycznych jąder (eksperyment ACCULINA w ZIBJ); 2.4 eksperymentalne badanie widm egzotycznych lekkich jąder (wspólnie z ZIBJ- Dubna, GANIL- Caen). 3. Produkcja mezonów w zderzeniach jądrowych; pomiary poświęcone strukturze i oddziaływaniu mezonów (eksperymenty: GEM w FZ Jülich, ANKE na synchrotronie COSY w FZ Jülich, eksperyment WASA na synchrotronie COSY w FZ Jülich, Niemcy, współpraca z IF UJ). 4. Poszukiwanie efektów łamania symetrii odwrócenia czasu w rozpadzie swobodnych neutronów (współpraca w Instytucie Paula Scherrera PSI). 5. Poszukiwanie efektów działania siły 3-ciałowej w reakcji breakupu d(p,pp)x. (eksperyment w KVI, Groningen w Holandii) 6. Precyzyjny pomiar kształtu widma elektronów w dozwolonym rozpadzie jądrowym beta (eksperyment Mini Beta w Katholieke Universiteit, Leuven w Belgii). Prace aparaturowe 7. Rozwój metod identyfikacyjnych w oparciu o analizę cyfrowego kształtu impulsu, opracowanie oprogramowania do akwizycji analizy danych (współprace: ASY-EOS w GSI oraz R3B@FAIR). 8. Budowa i testy detektorów oraz rozwój systemów zbierania danych opartych o cyfrową analizę sygnałów dla układu pomiarowego PANDA na akceleratorze FAIR. Budowa centralnego detektora śladów cząstek składającego się z detektorów słomkowych (STT) oraz sytemu zbierania sygnałów. 9

10 Publikacje naukowe, budowa aparatury do kilku eksperymentów. zadanie 2. Ewolucja własności jąder w funkcji temperatury, spinu i izospinu 1. Identyfikacja stanów yrastowych w jądrach bogatych w neutrony z okolicy 48 Ca, 64 Ni, 70 Zn, 76 Ge, produkowanych w reakcjach głęboko nieelastycznego rozpraszania na tarczach 197 Au, 208 Pb i 238 U 2. Spektroskopowe badania stanów z liczbą seniority 4 i 5 w parzystych i nieparzystych izotopach Sn o masach A= , produkowanych w procesach rozszczepienia jądra złożonego 3. Badanie statystycznych własności w rozpadzie stanu izomerycznego 49/2 + w jądrze 147 Gd 4. Pomiary rozpadu gamma stanów izomerycznych w jądrach neutrono-nadmiarowych wzbudzanych w procesach głęboko nieelastycznych i w rozpadach beta wiązek radioaktywnych 5. Pomiary spektroskopowe struktury egzotycznych jąder atomowych na wiązkach relatywistycznych fragmentów w GSI(Niemcy), GANIL(Francja) i RIKEN(Japonia), jak i z wiązkami wtórnymi, typu ISOL w GANIL, IPN Orsay (Francja) oraz CERN-ISOLDE (Szwajcaria) 6. Badanie własności gorących jąder atomowych z różnych obszarów masowych metodami dyskretnej spektroskopii gama oraz za poprzez rejestrację rozpadu gamma gigantycznych rezonansów i emisji cząstek naładowanych 7. Spektroskopowe badania efektów kolektywnych przy wysokich spinach w jądrach z różnych obszarów masowych przy użyciu krakowskiego detektora jąder odrzutu RFD 8. Badania eksperymentalne wysokospinowych stanów w jądrach z obszaru 208 Pb, dostępnych jedynie w procesach transferu wielu nukleonów. Rozwój opisu teoretycznego tych wzbudzeń w oparciu o realistyczne oddziaływania nukleon-nukleon 9. Teoretyczne przewidywania tworzenia i rozpadu jąder o egzotycznych kształtach w różnych obszarach masowych oraz ich eksperymentalna weryfikacja 10. Badanie zdolności przewidywania modeli struktury jądra przy wykorzystaniu metod regresji nieliniowej i wnioskowania Bayesowskiego 1. Publikacje wyników w renomowanych czasopismach naukowych o międzynarodowym zasięgu 2. Wystąpienia i prezentacje na konferencjach międzynarodowych w formie referatów na zaproszenie, referatów zgłoszonych oraz posterów 3. Wykłady i seminaria w naukowych instytucjach zagranicznych i krajowych Uzyskane wyniki będą stanowiły materiał do przygotowania jednej rozprawy habilitacyjnej, czterech prac doktorskich i trzech prac magisterskich. zadanie 3. Prace badawczo-rozwojowe nowych technik detekcji dla fizyki jądrowej 1. Projektowanie i budowa układu do detekcji wysokoenergetycznego promieniowania gamma PARIS, testy prototypowych detektorów scyntylacyjnych 2. Symulacje optymalnej geometrii układów pomiarowych oraz instalacja detektora jąder odrzutu (RFD) w połączeniu ze spektrometrami promieni gamma (EXOGAM2, AGATA, PARIS, GALILEO, EAGLE) dla eksperymentów na wiązkach radioaktywnych 10

11 (SPIRAL2) i stabilnych (7. PR EU ENSAR; współpraca z GANIL Caen, IPN Orsay i LNL Legnaro, ŚLCJ Warszawa) 3. Prototypowanie elektroniki odczytu dla nowych detektorów scyntylacyjnych (LaBr3) oraz detektorów diamentowych czułych na pozycje (współpraca z GSI, GANIL, Uniwersytetem w Mediolanie, Uniwersytetem w Huelvie i Uniwersytetem w Valencii) 4. Rozwój zintegrowanych systemów detekcyjnych z wykorzystaniem dedykowanych układów mikroelektronicznych typu ASIC oraz programowanych macierzy FPGA (współpraca z GSI-FAIR, Darmstadt) 5. Projektowanie detektora promieniowania gamma do diagnostyki plazmy (współpraca z JET, Culham) (zadanie nowe) 1. Wykonanie pomiarów i analiza danych z testów detektorów LaBr3 na wiązce (IFJ PAN, Kraków, TANDEM-ALTO, Orsay, RIBF-BIGRIPS, RIKEN, Japonia) pozwoli na konfrontację wyników eksperymentalnych z symulacjami i opracowanie algorytmów do rekonstrukcji pełnej energii rejestrowanego promieniowania 2. Modyfikacja detektora RFD pozwoli na użycie tego urządzenia w planowanych eksperymentach spektroskopowych 3. Opracowane algorytmy analizy kształtu inmulsu pozwolą na rozwikłanie złożonych sygnałów generowanych w układzie scyntylatorów typu phoswich: LaBr3-NaI. Zostanie wykonany i przetestowany prototyp cyfryzatora do odczytu szybkich detektorów scyntylacyjnych. Opracowane zostaną metody analizy czasowej szybkich sygnałów z detektorów diamentowych 4. Prototyp programowalnego układu FPGA posłuży do integracji cyfrowych i analogowych systemów akwizycji danych. Przewiduje się, że układ ten będzie współpracował z systemami generacji znacznika czasu typu GTS i BUTIS, wykorzystywanych w przyszłości laboratoriach GANIL i FAIR 5. Prototypowy detektor scyntylacyjny będzie wykorzystany w pracach nad europejskim reaktorem termojądrowym Zadanie 4. Badania z fizyki jądrowej na wiązce protonów cyklotronu Proteus 235 (zadanie nowe) 1. Poszukiwanie efektów działania siły 3-ciałowej w rozpraszaniu elastycznym p+d i w reakcji breakup u d(p,pp)x, z wykorzystaniem detektora BINA 2. Badanie kolektywnych wibracji jądra atomowego wzbudzanych w reakcjach z wiązką protonów 3. Przeprowadzenie eksperymentów dyskretnej spektroskopii gamma 4. Badanie głęboko położonych jądrowych stanów jednocząstkowych za pomocą reakcji (p,2p) 5. Prowadzenie testów różnych układów detekcyjnych na wiązce 1. Określony zostanie udział sił trójciałowych w układach złożonych z trzech nukleonów w szerokim zakresie energii reakcji 2. Zmierzone zostaną charakterystyki gigantycznych rezonansów jądrowych przy niskim kręcie w funkcji energii wzbudzenia jądra 3. Zbudowany będzie system detekcyjny do dyskretnej spektroskopii gamma; opracowana zostanie metoda prowadzenia identyfikacji dyskretnych przejść w produktach reakcji indukowanych protonami o wysokich energiach 11

12 4. Zidentyfikowane będą głęboko leżące stany jednocząstkowe w różnych jądrach stanowiły będą one nowe punkty kalibracyjne dla potencjału Woodsa-Saxona. 5. Zmierzone zostaną funkcje odpowiedzi różnych detektorów na protony w szerokim zakresie energii oraz na wysokoenergetyczne kwanty gamma; wyniki będą stanowiły podstawę planowania pomiarów na wiązce z użyciem testowanych detektorów Badanie oddziaływań jądrowych w obszarze wysokich energii zadanie 5. Oddziaływania relatywistycznych jonów przy energiach SPS i LHC - eksperymenty NA49 i ALICE Celem zadania jest badanie zderzeń relatywistycznych jader ołowiu i protonów przy energiach SPS i LHC, prowadzące do uzyskania informacji o gęstej i gorącej materii jądrowej. 1. Eksperyment NA49 na akceleratorze SPS w CERN: a. badanie efektów elektromagnetycznych w zderzeniach jąder ołowiu przy energiach SPS b. Badanie efektów hamowania (stopping) w gęstej materii jądrowej c. Poszukiwanie plazmy kwarkowo-gluonowej w zderzeniach relatywistycznych jąder w zakresie energii od 20 do 158 GeV/nukleon i badanie zderzeń hadronów z protonami i jądrami przy podobnych energiach. Kontynuacja analizy danych. 2. Eksperyment ALICE na akceleratorze LHC w CERN: d. Zbieranie danych w eksperymencie ALICE e. Badanie zderzeń ultraperyferycznych f. Badania korelacji w zderzeniach Pb+Pb g. Prace przy modernizacji (upgrade) eksperymentu. Efekty zadania to publikacje naukowe w renomowanych czasopismach i prezentacje na prestiżowych konferencjach i warsztatach. BADANIA TEORETYCZNE zadanie 6. Badanie struktury i dynamiki układów wielu ciał 1. Model powłokowy ze sprzężeniem do kontinuum: zastosowania do opisu struktury jądra i reakcji jądrowych (we współpracy z GANIL). 2. Badanie mechanizmów produkcji cząstek w zderzeniach elementarnych hadronów i w zderzeniach nukleon jądro atomowe. 12

13 3. Badanie atomów i molekuł egzotycznych. 4. Ekskluzywna produkcja mezonów lub par mezonów w zderzeniach proton-proton. 5. Produkcja mezonów, cząstek elementarnych oraz par leptonów i mezonów w zderzeniach ultrarelatywistycznych ciężkich jonów. 6. Procesy stochastyczne, dyfuzja i zjawiska nieliniowe. 7. Badania własności plazmy kwarkowo-gluonowej. Publikacje naukowe w renomowanych czasopismach. zadanie 7. Badania teoretyczne struktury materii w powiązaniu z obecnymi i przyszłymi eksperymentami Badania teoretyczne w zakresie fizyki oddziaływań silnych i słabych, mają na celu poznanie własności tych oddziaływań i cząstek elementarnych im podlegających. Najważniejszym zadaniem jest interpretacja i wyjaśnienie obserwacji eksperymentalnych np. łamania symetrii CP w oddziaływaniach słabych. W powiązaniu z wynikami eksperymentalnymi z Jefferson Laboratory i KEK, przeprowadzone zostaną analizy efektów wielokanałowych oddziaływań w stanach końcowych dla hadronów pochodzących z rozpadów D i z procesów fotoprodukcji. Przewidywania chiralnych modeli kwarkowych zostaną porównane z wynikami eksperymentalnymi i rachunkami QCD na sieciach. Produkcja ciężkich kwarków i bozonów pośredniczących w zderzeniach proton-proton na LHC zostanie wykorzystana jako test modeli produkcji dyfrakcyjnej. Planujemy zastosowanie modeli hydrodynamicznych do opisu zderzeń jądrowych o najwyższych energiach na akceleratorach RHIC i LHC. Główne dwa kierunki badań to opis fluktuacji w modelu hydrodynamiki relatywistycznej z lepkością i analiza mechanizmu termalizacji na wczesnym etapie zderzenia. W powiązaniu z planowanymi eksperymentami z użyciem lasera na swobodnych elektronach przebadane zostaną procesy wielokrotnej jonizacji w silnych polach elektromagnetycznych. Kontynuowana będzie analiza oddziaływań lekkich mezonów za pomocą relacji dyspersyjnych z wbudowaną symetrią skrzyżowania (współpraca z ZIBJ Dubna, Uniwersytetem w Hamburgu i DESY, z Uniwersytetem w Grenadzie, z Uniwersytetem w Coimbrze, z Uniwersytetem w Bańskiej Bystrzycy, z LPNHE Uniwersytetu P. i M. Curie w Paryżu, w ramach umowy z IN2P3). Wyniki prac zostaną opublikowane w wiodących czasopismach i przedstawione na konferencjach międzynarodowych. W ramach badań będzie rozwijane specjalistyczne oprogramowanie. Temat 3. BADANIA FAZY SKONDENSOWANEJ MATERII zadanie 1. Prace nad poznaniem struktury i dynamiki fazy skondensowanej materii (kryształy molekularne, ciekłe kryształy, magnetyki, itp.) z wykorzystaniem metod rozpraszania neutronów i metod komplementarnych 1. Badanie polimorfizmu i dynamiki w substancjach organicznych o różnym stopniu uporządkowania. 13

14 .(we współpracy z Laboratorium Fizyki Neutronowej im. Franka w ZIBJ w Dubnej, Rosja). 2. Modele struktury i dynamiki układów z powierzchniami i złączami oraz układów niskowymiarowych. 3. Badanie własności magnetycznych i relaksacji spinowych materiałów objętościowych i nanostrukturalnych. 4. Funkcjonalność magnetycznych materiałów molekularnych. 5. Kwantowo-mechaniczne obliczenia własności materiałów i nanomateriałów. 6. Badanie dynamiki i zjawisk krytycznych w funkcjonalnych materiałach ferroicznych i multiferroicznych. 7. Wpływ wodoru na własności fizyczne związków międzymetalicznych. Analiza wpływu budowy molekuł na polimorfizm fazowy oraz stopień nieporządku i dynamikę w poszczególnych fazach, a także na współzawodnictwo procesu krystalizacji i zeszklenia. Podanie opisu wpływu powierzchni na rozchodzenie się fal dźwiękowych w materiale. Dostarczenie podstawowych informacji na temat własności magnetycznych nowych materiałów oraz ich dyskusja. Analiza efektów magnetostrukturalnych oraz wpływu warunków zewnętrznych na energię oddziaływania magnetycznego i typ uporządkowania momentów magnetycznych i relaksację Zrozumienie czynników mających wpływ na stabilność borowodorków, w szczególności w fazie nano-porowatej Poznanie wpływu zawartości wodoru na strukturalne i magnetyczne przemiany fazowe w związkach międzymetalicznych typu faz Lavesa. W szczególności wpływ struktury krystalicznej na zdolność gromadzenia wodoru. Wyniki badań mogą ułatwić poszukiwanie wydajnych materiałów do gromadzenia wodoru - potencjalnego paliwa przyszłości. Prezentowanie wyników na krajowych i międzynarodowych konferencjach specjalistycznych oraz publikowanie ich w czasopismach o wysokim impact factor. zadanie 2. Badania fazy skondensowanej metodami spektroskopii jądrowej; anihilacja pozytonów 1. Pomiary objętości swobodnych w materiałach molekularnych i polimerach metodą anihilacji pozytonów. Celem tych prac jest uzyskanie informacji o lokalnych właściwościach mikroskopowych ciekłych kryształów i kryształów molekularnych związanych z konfiguracją dipoli molekularnych i jej zmianach podczas przejść fazowych oraz na temat mikrostruktury polimerów i kompozytów polimerowych. 2. Badania defektów sieci krystalicznej w metalach i stopach. Zakres będzie obejmował: badania warstw wierzchnich, stali austenitycznej i nanowydzieleń w osnowie aluminium. 14

15 Celem prac dotyczących warstwy wierzchniej jest określenie wpływu różnych czynników na zasięg i rodzaje defektów powstałych podczas jej tworzenia w procesie tarcia ślizgowego. Rozpoczęto także badania procesu rekrystalizacji w warstwie wierzchniej. Badania tego procesu będą prowadzone na metalach takich jak Bi, Ti i Fe. Prowadzone będą także badania stali austenitycznej w celu identyfikacji defektów, które powstają w procesie zaniku martenzytu odkształceniowego. Wykorzystana będzie spektroskopia poszerzenia Dopplerowskiego linii anihilacyjnej i czasów życia pozytonów. Nanowydzielenia cząstek Au, In, Pb, Bi w czystym aluminium będą przedmiotem badań metodami anihilacji pozytonów. Celem tych prac jest weryfikacja lokalizacji pozytonów w takich nanowydzieleniach. Wykorzystane tu będą techniki pomiarów czasów życia pozytonów, poszerzenia dopplerowskiego, koincydencyjnego poszerzenia dopplerowskiego, a także wiązki powolnych pozytonów. 3. Pomiary i symulacje profili implantacji pozytonów. Celem tych prac jest opis zjawiska przejścia pozytonu przez granicę między ośrodkami oraz weryfikacja wyników symulacji komputerowych poprzez pomiary profili implantacji pozytonów w różnych materiałach. Wynikiem będzie także program komputerowy pozwalający na obliczenie profilu implantacji pozytonów w układach warstwowych. Publikacja wyników badań w międzynarodowych czasopismach naukowych, prezentacja wyników na międzynarodowych i krajowych konferencjach naukowych, zebranie materiału badawczego do prac doktorskich wykonywanych w pracowni anihilacji pozytonów. zadanie 3. Metody magnetycznego rezonansu jądrowego w badaniach struktury ciał stałych i dynamiki molekularnej Unikalna w skali światowej aparatura umożliwia pomiary widm i relaksacji dla deuteronów w temperaturach 5 310K. Dodatkowe wyposażenie stanowią sondy z rotującą próbką (MAS) umożliwiające pomiary widm na wielu jądrach, np. 29 Si, 27 Al, 31 P, 11 B, 51 V. Metoda MAS umożliwia badania struktury katalizatorów w celu optymalizacji ich ważnych technologicznie właściwości. Z kolei dynamika cząsteczek, wprowadzonych do komór zeolitów, odzwierciedla ich oddziaływania z centrami adsorpcji co pozwala na charakteryzację zjawisk powierzchniowych. 1. Badanie dynamiki cząsteczek i ich oddziaływań metodami deuteronowej spektroskopii rezonansu magnetycznego w ważnych technologicznie zeolitach. 2. Zastosowanie spektroskopii MAS-NMR o wysokiej zdolności rozdzielczej w ciele stałym do badania struktury nowych katalizatorów syntetycznych. Ad 1. Zakończone już prace dotyczące dynamiki D2, NH3 i CD3OH w komorach faujazytów pozwalają wskazać precyzyjne cele poznawcze do osiągnięcia metodami deuteronowego rezonansu magnetycznego. Kontynuowane będą pomiary widm i relaksacji deuteronów dla acetonu (CD3)2CO, amoniaku ND3 i wody D2O. Widma pozwalają na określenie symetrii rotacji, relaksacja dostarcza danych o sile wiązań, co razem charakteryzuje lokalizację cząsteczek. Dynamika wody w zeolitach wynika zarówno z wiązań wodorowych do struktury 15

16 zeolitu jak i z wiązań międzymolekularnych prowadzących do tworzenia złożonych struktur przestrzennych. Badania dynamiki powyższych cząsteczek w różnych zeolitach i w funkcji wypełnienia, dostarczają istotnych informacji o oddziaływaniach, ważnych dla optymalizacji procesów katalizy. Ad 2. Planowanym efektem naukowym będzie optymalizacja parametrów nowych katalizatorów, opartych na zeolitach, materiałach mezoporowatych i minerałach warstwowych. Ze względu na swój lokalny charakter, spektroskopia MAS-NMR będzie stanowić niezbędne uzupełnienie standardowych metod służących do strukturalnej charakteryzacji materiałów heterogenicznych. Poprzez usprawnienie procesu syntezy doprowadzi to do opracowania nowych, wydajniejszych katalizatorów, mających praktyczne zastosowanie w ochronie środowiska i zielonej chemii. zadanie 4. Badania komputerowe struktury i dynamiki materiałów krystalicznych i nanomateriałów 1. Zbadanie własności strukturalnych i dynamicznych nanocząstek Fe-Pt i Fe metodami obliczeniowymi z pierwszych zasad (współpraca COST Action MP0903 NANOALLOY). Zbadanie struktury i wyliczenie fononowych krzywych dyspersji oraz fononowych gęstości stanów w wybranych związkach ziem rzadkich. Wyznaczenie struktury krystalicznej i dynamiki sieci w cienkich warstwach FeO na powierzchni Pt(111). 1. Głównym efektem naukowym przeprowadzonych badań będzie poszerzenie wiedzy na temat własności strukturalnych i dynamicznych układów metalicznych i tlenków metali o zredukowanej wymiarowości (nanocząstki, cienkie warstwy). 2. Dla nanocząstek wyznaczone zostaną podstawowe funkcje i wielkości termodynamiczne, co pozwoli określić ich stabilność w funkcji rozmiaru, kształtu i temperatury. 3. Wyliczenie fononowych gęstości stanów dla tlenków ziem rzadkich umożliwi zrozumienie dynamiki sieci w tych układach oraz interpretację wyników pomiarowych dla cienkich warstw metodą nieeleastycznego rozpraszania jądrowego. 4. Wyliczenie widma drgań dla cienkiej warstwy FeO na powierzchni platyny dla różnych symetrii i porównanie z wynikami pomiarów umożliwi wyjaśnienie własności dynamiki sieci w układzie dwuwymiarowym. 5. Wyniki badań zostaną opublikowane w międzynarodowych czasopismach naukowych i zaprezentowane na seminariach i konferencjach. Temat 4. BADANIA INTRDYSCYPLINARNE I STOSOWANE. zadanie 1. Interdyscyplinarne aspekty fizyki układów złożonych 1. Identyfikacja uniwersalnych charakterystyk złożoności : - multifraktalne procesy stochastyczne, - teoria sieci złożonych, 16

17 - specyfika rozkładów fluktuacji w systemach złożonych, - zjawiska krytyczne i efekty synchronizacji w dynamice finansów, - modele oddziałujących agentów, - zagadnienia lingwistyki ilościowej, - wieloskalowa organizacja utworów muzycznych 2. Dynamika nieliniowa i chaos klasyczny. Rozwój modelu sieci złożonych opisującego empirycznie obserwowane własności sieci lingwistycznych oraz internetowych, a w szczególności bezskalowość krotności połączeń przy równoczesnej asymptotycznej redukcji średniej drogi swobodnej wraz ze wzrostem liczby wierzchołków. Opracowanie przepisu na proces stochastyczny, który ma wbudowane długozasięgowe korelacje czasowe typu potęgowego prowadzące do charakterystyk multifraktalnych. Zrozumienie dynamiki wymiany walut światowych w kontekście sprzężeń relacją po trójkącie oraz wskazanie ewentualnej korespondencji do zjawisk turbulentnych. Systematyczne zbadanie multifraktalnych charakterystyk różnego typu utworów muzycznych oraz wskazanie tych ich cech ilościowych w formalizmie miar korelacji nieliniowych, które optymalnie synchronizują z aktywnością ludzkiego mózgu. Ilościowe ujęcie efektów spontanicznego łamania symetrii w modelu oddziałujących agentów. Dla różnego typu utworów muzycznych zbadanie istnienia przedziałów częstości, w których korelacje mają charakter multifraktalny oraz określenie zakresu tego typu korelacji. Zidentyfikowanie potencjalnej składowej typu chaos deterministyczny w szeregach czasowych generowanych przez naturalne układy złożone. Efekty praktyczne to publikacja wyników w międzynarodowych periodykach naukowych, prezentacja wyników na naukowych konferencjach międzynarodowych i krajowych oraz zebranie materiałów do przewodów doktorskich i habilitacyjnych prowadzonych w Zakładzie. zadanie 2. Badania eksperymentalne, teoretyczne i numeryczne oddziaływania promieniowania jądrowego z różnymi ośrodkami 1. Modelowanie i pomiar neutronowych strumieni impulsowych w ośrodkach skończonych (włączając niejednorodne) (współpraca: IFPiLM Warszawa, EFDA Garching, Niemcy). 2. Rozwój metod numerycznych i interpretacyjnych dla jądrowej geofizyki otworowej w oparciu o modelowania złożonych pól neutronowych metodą Monte Carlo (współpraca: WGGOŚ AGH, Kraków). ad1) Rozpoznanie transportu neutronów prędkich w różnych ośrodkach, w szczególności niejednorodnych, jest konieczne przy opracowywaniu dedykowanych metod pomiarowych, m.in. spektrometrii metodą czasu przelotu (T-O-F). Realizowane modelowania Monte Carlo pozwolą na określenie emisji neutronów prędkich z aparaturowych źródeł impulsowych, takich jak plasma-focus (IFJ PAN, IFPiLM), generator IGN-14 (IFJ PAN), czy projektowany europejski reaktor D-T DEMO, oraz uwzględnianie rozpraszania i spowalniania tych neutronów w elementach otoczenia. ad2) 17

18 Planowane badania są związane m.in. z zastosowaniem metod geofizyki jądrowej do poszukiwań gazu łupkowego. Do podstawowych narzędzi jądrowych metod poszukiwawczych należą otworowe sondy jądrowe neutronowe i gamma-gamma. Łupki gazonośne są ośrodkami niejednorodnymi. Planowane obliczenia i symulacje MC mają za zadanie ocenę tych niejednorodności oraz oszacowanie ich wpływu na wyniki pomiarów, co jest konieczne dla poprawnej interpretacji odczytów sond jądrowych. zadanie 3. Metody detekcji neutronów i prędkich jonów oraz promieniowania X dla diagnostyki plazmy D-D i D-T pod kątem badań dla programu ITER (realizacji zadań w projekcie Asocjacja EURATOM) 1. Detekcja neutronów opóźnionych z aktywacji materiałów rozszczepialnych w polu neutronowym wytwarzanym przez duże układy termojądrowe (współpraca: Asocjacja EURATOM-IFPiLM, Warszawa; Asocjacja EURATOM-IPP, Greifswald, Niemcy; EFDA- JET, Culham, Anglia). 2. Pomiar detektorami diamentowymi neutronów i prędkich jonów z emisji w plazmie termojądrowej (współpraca: Asocjacja EURATOM-IFPiLM, Warszawa; EFDA, Niemcy, MAST-CLS, Culham, Anglia, COMPASS Inst. Fizyki Plazmy, Praha, Czechy). 3. Metodyka pomiarów HXR do badania plazmy w stellaratorze W7-X (współpraca: EURATOM-IPP, Greifswald, Niemcy) nowe zadanie 4. Badanie efektów paramagnetycznych wzbudzanych dryfem elektrycznym w częściowo zjonizowanej i namagnetyzowanej plazmie (współpraca: Asocjacja EURATOM-IFPiLM, Warszawa). ad 1) Aktywacja materiałów rozszczepialnych neutronami ze źródła neutronów prędkich stanowi uzupełnienie klasycznej neutronowej metody aktywacyjnej. Analiza czasowego zaniku strumienia neutronów opóźnionych powstałych w wyniku zaaktywowania próbek rozszczepialnych służy do wyznaczania strumienia neutronów pierwotnych, co jest przedmiotem opracowywanej metody pomiarowej. Praktycznym efektem zadania będzie uruchomienie sytemu pomiarowego DET-12 do pomiarów strumieni neutronów pierwotnych wytwarzanych w dużych urządzeniach termojądrowych (tokamak, stellarator). ad2) Zastosowanie detektorów diamentowych jako spektrometrycznych rejestratorów produktów syntezy termojądrowej (D-D i D-T) w celu opracowania metody takiego pomiaru przy urządzeniach typu tokamak. Ocena zachowania tych detektorów w polu promieniowania mieszanego (jony wysokoenergetyczne, neutrony, prom. gamma), zbadanie odporności temperaturowej. ad 3) Pomiary HRX, czyli twardego promieniowania X (E = kev), dostarczają informacji o obecności nadtermicznych elektronów w układach z magnetycznym utrzymaniem plazmy, pojawiających się w trakcie grzania plazmy metodą ECRH, NBI lub ICRH. W wyniku przeprowadzonych studiów zostanie opracowana metodyka pomiarów twardego promieniowania X dla stellaratora. ad 4) Oszacowanie intensywności pola paramagnetycznego indukowanego w częściowo zjonizowanej i namagnetyzowanej plazmie przez dryf elektryczny. Wyznaczenie intensywności radialnego pola elektrycznego wzbudzającego dryf elektryczny oraz oszacowanie wpływu grzania omowego na temperaturę plazmy. 18

19 zadanie 4. Biologia radiacyjna i środowiskowa; retrospektywna dozymetria biologiczna ekspozycji radiacyjnych i środowiskowych badanie wrażliwości osobniczej i wydajności naprawy DNA z wykorzystaniem metod cytogenetycznych i molekularnych. 1. Badania uszkodzeń DNA i chromosomów w funkcji ekspozycji środowiskowej, diagnostycznej, terapeutycznej, zawodowej lub wypadkowej (retrospektywna dozymetria biologiczna) z analizą ryzyka utraty zdrowia w wyniku tej ekspozycji, 2. Badania skuteczności biologicznej i zależności dawka-skutek dla wiązki protonów ( MeV) na stanowisku Cyklotronu Proteus-235, 3. Analiza wpływu czynników endogennych i/lub egzogennych na wydajność procesów naprawy radiacyjnych uszkodzeń DNA, zróżnicowanie radiowrażliwości i podatności osobniczej, 4. Badania uszkodzeń radiacyjnych komórki będących następstwem promieniowania jonizującego oraz wpływu promieniowania jonizującego na fenotypowe zróżnicowanie osobnicze w podatności na indukcję radiacyjnych uszkodzeń DNA oraz w wydajności komórkowych procesów naprawy. Badania prowadzone w powyższym zadaniu powinny pozwolić na ocenę skutków biologicznych działania różnych typów promieniowania (promieniowanie X, wiązka protonowa) w zakresie zarówno niskich, jak i wysokich dawek oraz dokonanie charakterystyki uszkodzeń radiacyjnych, ocenę procesów naprawy i dróg sygnalizacji międzykomórkowej. Powinny również dostarczyć informacji o zróżnicowaniu w osobniczej podatności i wydajności procesów naprawy uszkodzeń DNA na zastosowane promieniowanie, co może mieć kluczowe znaczenie w przypadku optymalizacji procesów terapeutycznych. zadanie 5. Obrazowanie i zlokalizowana spektroskopia magnetycznego rezonansu w badaniach biomedycznych Rozwój oraz zastosowanie metod obrazowania i spektroskopii zlokalizowanej magnetycznego rezonansu (MRI/MRS) do badań biomedycznych z wykorzystaniem modeli zwierzęcych chorób, badań fizjologii mięśni szkieletowych człowieka a także do badań biokompatybilnych materiałów polimerowych i nanostruktur oraz materiałów farmaceutycznych. Planuje się: 1. Badanie struktury i procesów fizjologicznych tkanek i narządów w stanach normalnych lub patologicznych w warunkach in vivo i ex vivo metodami MRI/MRS (Współpraca z University of Calgary, Calgary, Kanada, University of British Columbia, Vancouver, Kanada, Akademią Wychowania Fizycznego w Krakowie, Katedrą Farmakologii Collegium Medicum UJ, Wydziałem Chemii UJ, Instytutem Biologii Doświadczalnej PAN w Warszawie, Instytutem Zoologii UJ). 2. Zastosowanie obrazowania MR do badania procesów uwalniania substancji czynnych leków w układach modelowych (współpraca z Katedrą Farmacji Collegium Medicum UJ w Krakowie, University of Toronto, Toronto, Kanada). 3. Zastosowanie obrazowania MR do badania własności nanokapsułek nośników leków w warunkach in vitro i in vivo (współpraca z Instytutem Katalizy i Ffizykochemii Powierzchni PAN i Instytutem Farmakologii PAN). 4. Zastosowanie obrazowania MR do badania biokompatybilności materiałów (współpraca z Akademią Górniczo-Hutniczą w Krakowie, Uniwersytetem Warmińsko-Mazurskim w Olsztynie) 19