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

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 NZ12, NZ42, NZ43. Wyniki badań w tym temacie zaowocowały w 2016 r. 297 publikacjami w czasopismach objętych wykazem Journal Citation Reports (JCR). BADANIA EKSPERYMENTALNE Eksperyment H1 na akceleratorze HERA w DESY i Eksperyment ZEUS na akceleratorze HERA w DESY Badania zderzeń elektronów lub pozytonów z protonami. Zadania dotyczące udziału w tych eksperymentach zakończyły się w 2014 r., jednakże w roku 2016 z udziałem zespołu z IFJ PAN Współpraca H1 opublikowała 2 artykuły, a współpraca ZEUS 5 artykułów w czasopismach z listy filadelfijskiej. Najważniejszy wynik: W 2016 roku, współpraca H1 opublikowała końcowe wyniki dotyczące poszukiwań instantonów QCD w oddziaływaniach głęboko nieelastycznych (Eur.Phys.J. C76, 381 (2016)). Nie zaobserwowano przypadków wywołanych instantonami QCD. Otrzymano górne ograniczenia na przekrój czynny dla procesów z udziałem instantonów między 1.5 pb a 6 pb na poziomie ufności 95% w zależności od obszaru kinematycznego. W porównaniu do wcześniejszych publikacji, otrzymane ograniczenia są poprawione o rząd wielkości i po raz pierwszy stanowią wyzwanie dla przewidywań opartych na perturbacyjnych instantonowych obliczeniach z parametrami wyprowadzonymi z obliczeń QCD na siatkach. Wyniki mogą posłużyć do oceny zgodności teoretycznych założeń, takich jak przybliżenie tzw. rozrzedzonego gazu instantonowego z danymi H1 oraz testować przewidywania teoretyczne dotyczące własności instantonów. Zakład NZ11 zadanie 1. Eksperyment Belle na akceleratorze KEK-B i eksperyment Belle II na SuperKEKB (Japonia) Badanie rzadkich rozpadów mezonów B. Celem eksperymentu Belle na zderzaczu KEKB (tzw. fabryce B) oraz przygotowywanego eksperymentu Belle II na zmodernizowanym zderzaczu SuperKEKB, są badania rzadkich rozpadów ciężkich kwarków i leptonów (b, c i ). Pomiary te testują model standardowy (MS) oraz jego rozszerzenia w sposób komplementarny do bezpośrednich poszukiwań tzw. nowej fizyki, prowadzonych obecnie przy LHC. Dzięki dużym próbkom i czystemu środowisku eksperymentalnemu, w fabrykach B realizowane są pomiary procesów o trudnych sygnaturach, niewykonalne w innych warunkach doświadczalnych. Prowadzono badania dotyczące rzadkich rozpadów ciężkich kwarków i leptonów (b, c i ) oraz spektroskopii hadronów. W szczególności, wykorzystując unikalną próbkę ponad 740 milinów par mezonów BB produkowanych ekskluzywnie w rozpadach rezonansu (4S), badano inkluzywne charakterystyki w rozpadach B oraz przejścia do wieloneutrinowych stanów końcowych. Rozwijano nowe techniki znakowania oparte na rekonstrukcji towarzyszącego mezonu B (B znakujące), głównie w kontekście pomiarów półtaonowych rozpadów B. Procesy te są obecnie przedmiotem wielu analiz, gdyż mierzone stosunki rozgałęzień dla wszystkich kanałów B D (*) są systematyczne wartości oczekiwanych w MS, a odchylenie połączonych pomiarów od przewidywań teoretycznych wynosi około 4 odchyleń standardowych. W ramach przygotowań do eksperymentu Belle II, w 2016 r. przeprowadzono na wiązce w DESY testy dla pełnej konfiguracji systemu detektorów wierzchołka (paskowego i mozaikowego). 1

Uzyskane charakterystyki dobrze zgadzają się z wynikami symulacji Monte Carlo i założeniami projektowymi. Opracowano również projekt i przeprowadzono testy prototypu robota do precyzyjnych pomiarów pola magnetycznego wewnątrz spektrometru. Prowadzono prace nad wdrażaniem chmur obliczeniowych IaaS do systemu produkcyjnego Belle II poprzez różne interfejsy dostępowe. Kontynuowano prace nad zastosowaniem technologii wytwarzania półprzewodnikowych detektorów mozaikowych wraz ze stowarzyszoną elektroniką odczytu we wspólnej strukturze wafla krzemowego typu Silicon On Insulator (SOI), do budowy detektora kwalifikującego się do zastosowania w Belle II i innych eksperymentach fizyki wysokich energii. Wykonany rok wcześniej prototyp detektora poddano testom na wiązce akceleratora SPS w CERN, włączając go w system testowania detektorów eksperymentu CLIC. Otrzymana rozdzielczość przestrzenna wynosi 4.0 m. Przygotowano i przekazano do produkcji w ramach SOI Multi Project Run w KEK kolejny projekt układu detektora mozaikowego SOI. Realizowane prace były współfinansowane ze środków MNiSW, NCN oraz UE (Horizon 2020 - MSCA-RISE) Współpraca z KEK, koordynator: prof. M. Yamauchi : 1. Zaobserwowano szereg nowych rozpadów mezonów B i Bs, m.in. pierwszy rozpad Bs na dwa neutralne hadrony w kanale Bs K 0 K 0, który dostarcza czułych obserwabli do poszukiwania efektów spoza modelu standardowego. 2. Opracowano nową technikę znakowania półtaonowych rozpadów B, w oparciu o rekonstrukcję znakującego B w kanale półleptonowym B D * l l (l=e, ). Metodę tę zastosowano do pomiaru stosunku R(D * )=B 0 D *- /B 0 D *- l l. Uzyskany wynik R(D * ) = 0,302 0,030(stat.) 0,011(sys.) zgadza się z wcześniejszymi pomiarami w tym kanale, jest jednak od nich kilkakrotnie dokładniejszy, co pokazuje duże możliwości nowej metody. Przeprowadzono pierwsze pomiary polaryzacji w rozpadach B D *. W 2016 r. współpraca Belle opublikowała 32 artykuły z udziałem zespołu z IFJ PAN w czasopismach wyróżnionych w JCR. Zakład NZ15 zadanie 2. Eksperyment promieniowania kosmicznego: AUGER i CREDO 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 10 18 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. 1. Badania 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 na uściśleniu wielu stosowanych do tej pory przybliżeń. W roku 2016 najważniejszymi pracami były: Analiza efektywności detekcji i dokładności rekonstrukcji wielkich pęków w warunkach zwiększonego tła nocnego nieba: Planowana rozbudowa Obserwatorium, o nazwie AugerPrime, obejmie również zmianę cyklu pracy detektora fluorescencyjnego, mianowicie zbieranie danych również przy świetle Księżyca. Nasze wstępne wyniki pokazują, że wydłużenie cyklu pracy detektora, pomimo związanego z tym znacznego 2

zwiększenia poziomu tła rejestrowanego w detektorze, pozwoli na podwojenie próbki bardzo dokładnych pomiarów hybrydowych wielkich pęków o energiach większych niż 10 19 ev. Celem naszej analizy jest optymalizacja warunków pracy detektorów przy wysokim poziomie tła. Analiza satelitarnych danych atmosferycznych: Zawartość aerozoli w atmosferze oraz ich optyczne własności są istotnymi parametrami wpływającymi na detekcje wielkich pęków. Celem naszej analizy jest sporządzenie, na podstawie danych dostarczonych przez satelitę Aura, map głębokości optycznej na rozpraszanie światła przez aerozole na obszarze całego Obserwatorium oraz porównanie ich z danymi uzyskanymi z urządzeń naziemnych. Pozwoli to na uzupełnienie i ewentualnie ulepszenie metody pomiaru rozkładu aerozoli stosowanej w eksperymencie Pierre Auger. Badanie modeli oddziaływań jądrowych: Dla określenia składu promieni kosmicznych na podstawie eksperymentalnie mierzonych wielkości niezbędne jest modelowanie rozwoju wielkich pęków w atmosferze. Wyniki symulacji zależą od przyjętego modelu oddziaływań jądrowych przy ultrawysokich energiach. Wobec tego wybór właściwego modelu i w miarę możliwości udoskonalanie używanych modeli mają pierwszorzędne znaczenie. Naszym celem jest testowanie modeli oddziaływań jądrowych na podstawie dedykowanych symulacji top-down poświęconych odtworzeniu cech konkretnego zarejestrowanego pęku. 2. Zainicjowano działalność międzynarodowego projektu CREDO (Cosmic Ray Extremely Distributed Observatory). Jego celem jest globalna analiza danych ze wszystkich dostępnych detektorów promieni kosmicznych dla identyfikacji rozległych kaskad promieniowania kosmicznego, które nie mogą być rejestrowane w pojedynczych obserwatoriach. Rozstrzygnięcie kwestii istnienia takich kaskad pozwoli na weryfikację hipotezy istnienia superciężkich cząstek ciemnej materii i egzotycznych scenariuszy pochodzenia promieni kosmicznych najwyższych energii. Zebranie inauguracyjne projektu odbyło się 30 sierpnia 2016 r. w IFJ PAN. Zbadanie możliwości radarowej detekcji wielkich pęków atmosferycznych (J. Stasielak et al., Astropart. Phys. 73 (2016) 14). Analizowano odbicie fali radiowej od plazmy wytworzonej w powietrzu przez cząstki naładowane wielkiego pęku. Stwierdzono, że echo radarowe wielkiego pęku jest zbyt słabe, aby mogło stanowić podstawę wydajnej i taniej metody detekcji promieni kosmicznych ultrawysokich energii. Opublikowano w 2016 roku 11 artykułów w czasopismach wyróżnionych w JCR. Zakład NZ16 zadanie 3. Eksperymenty neutrinowe i poszukiwanie cząstek Ciemnej Materii Badanie oscylacji neutrin w eksperymentach akceleratorowych z długą bazą pomiarową, badanie oddziaływań neutrin akceleratorowych i atmosferycznych, poszukiwanie rozpadu protonu oraz poszukiwanie cząstek Ciemnej Materii. W realizacji t e g o zadania grupa neutrinowa z IFJ PAN współpracuje z grupami z NCBJ, Politechniki Warszawskiej oraz Uniwersytetów: Śląskiego, Warszawskiego i Wrocławskiego, prace współfinansowane są ze środków NCN. 1. Udział w analizie danych z eksperymentu neutrinowego ICARUS T600. W Krakowie kontynuowana była analiza oddziaływań neutrin atmosferycznych i oddziaływań mionów kosmicznych (współpraca z grupami z INFN w Padwie i Pawii). Wyniki analizy dla neutrin atmosferycznych po raz pierwszy prowadzonej dla ciekło-argonowej komory TPC są przygotowywane do publikacji. 3

2. Udział w akceleratorowym eksperymencie neutrinowym T2K w Japonii. Prowadzona była analiza oddziaływań neutrin w bliskim detektorze eksperymentu T2K: CC i NC z produkcją mezonów pi0 oraz CC z produkcją naładowanych pionów (współpraca z grupą z Lancaster w UK i z grupą z CSU w USA). Analiza CC z produkcją mezonów pi0 była przedmiotem obronionej pracy doktorskiej oraz została przedstawiona w nocie technicznej, która przeszła wewnętrzną ocenę współpracy T2K i została wytypowana do publikacji z eksperymentu T2K. Opracowane zostały algorytmy poprawiające rekonstrukcję torów z oddziaływań neutrin w detektorze P0D. 3. Prace dla projektu polskiego, podziemnego laboratorium SUNLAB1. Wyniki symulacji eksperymentu oscylacyjnego, z długą bazą pomiarową dla wiązki z CERN i detektora ciekło-argonowego w ZG Polkowice-Sieroszowice, zostały przedstawione w obronionej pracy doktorskiej. W przygotowaniu jest publikacja tych wyników. 4. Prace przygotowawcze dla programu badań neutrin w laboratorium Fermilab z uwzględnieniem europejskiej platformy neutrinowej w CERN. Program badań neutrin w laboratorium Fermilab obejmuje m.in. eksperyment SBN dedykowany poszukiwaniom neutrin sterylnych oraz eksperymenty pomocnicze dedykowane lepszemu zbadaniu procesów oddziaływań w detektorach ciekło-argonowych. Detektor ICARUS, po aktualnie prowadzonej w CERN przebudowie, wejdzie w skład eksperymentu SBN. Fizycy krakowscy włączyli się w prace związane z eksperymentem SBN oraz w analizę danych z pomocniczego eksperymentu LArIAT. Wskazanie na silne łamanie symetrii CP dla neutrin, ogłoszone przez eksperyment T2K na najpoważniejszej konferencji fizyki cząstek ICHEP2016, uchodzi za jeden z najważniejszych wyników z tej dziedziny w 2016 roku. Wynik bazuje na analizie oscylacyjnej dla trzech zapachów neutrin i, po raz pierwszy, w oparciu o wszystkie zebrane dane zarówno dla wiązki neutrin, jak i wiązki antyneutrin. Najlepsze dopasowanie uzyskuje się dla wartości parametru δcp= 0.5π, odpowiadającej maksymalnemu łamaniu CP, przy wartościach δcp=0 and δcp=π dla zachowania symetrii CP poniżej poziomu ufności 90%. Artykuł z wynikami tej analizy został przyjęty do publikacji. Przeprowadzenie pomiaru δcp z dokładnością trzech odchyleń standardowych jest głównym celem eksperymentu T2K w nadchodzących latach. Opublikowano w 2016 roku 6 artykułów w czasopismach wyróżnionych w JCR, 2 referaty proszone na międzynarodowych konferencjach, 2 prace doktorskie obronione z wyróżnieniem. Zakład NZ14 zadanie 4. Eksperyment ATLAS na akceleratorze LHC w CERN Badania oddziaływań proton-proton i ciężkich jonów przy energiach LHC mające na celu weryfikację Modelu Standardowego (MS) i poszukiwanie efektów spoza MS. 1. Analiza zdolności rozdzielczej detektora Prowadzono prace nad pozycjonowaniem Detektora Wewnętrznego przy użyciu danych z kolizji pp przy energii 13 TeV zarejestrowanych w latach 2015-2016. Opracowano procedurę pozycjonowania zależną od czasu. Dokonano modelowania produkcji leptonów tau w oparciu o generatory Monte Carlo, wykorzystywane w analizach fizycznych. 2. Analiza danych pp Poszukiwano Nowej Fizyki poprzez pomiar naładowanego bozonu Higgsa w rozpadach na τν, a także ciężkiego neutralnego bozonu Higgsa w rozpadach na parę bb w danych pp 13TeV. Przeprowadzono pomiar polaryzacji leptonów τ w rozpadach bozonu Z w danych pp 8 TeV. 4

3. Analiza danych Pb+Pb Uczestniczono w przygotowaniach do naświetleń ppb przy energii 5.02 TeV i 8.16 TeV. Nadzorowano proces produkcji danych doświadczalnych i danych MC. Wykonano pomiar azymutalnych asymetrii naładowanych cząstek w oddziaływaniach pp, ppb i PbPb. Koordynowano pracami w grupie fizycznej Correlations and Fluctuations 4. Detektory fizyki do przodu Koordynowano prace nad programem fizycznym detektora AFP. Badano możliwości pomiarowe tego detektora. Prowadzono prace nad systemem TDAQ dla detektorów AFP, ZDC i ALFA, a także dokonano integracji tego systemu z TDAQ ATLASa. Uczestniczono w pracach przy budowie i instalacji detektora AFP, a także przy rejestracji kolizji w detektorze AFP. Koordynowano prace nad systemem kontroli detektora AFP. 5. Obsługa eksperymentu W roku 2016 ramach obsługi detektora ATLAS przepracowano 9,08 osobo-lat. Ponadto wykonano 705 dyżurów przy eksperymencie. 6. Prace inżynieryjne Utrzymywano system zasilania wysokiego napięcia detektora SCT w dobrym stanie, naprawiano uszkodzone zasilacze. Uczestniczono w pracach nad system kontroli detektora wewnętrznego. 7. Prace przy detektorze TRT Koordynowano całość prac przy detektorze TRT. Prowadzono prace nad poprawnym działaniem, aktualizacją i rozbudową sytemu kontroli TRT. 8. Prace badawczo-rozwojowe Udział w pracach nad systemem zasilania nowego detektora wewnętrznego, przeprowadzono testy radiacyjne. Przygotowano programy do symulacji MC nowego detektora wewnętrznego. 9. Infrastruktura komputerowa Uczestniczono w zarządzaniu i rozbudowie gridowego klastra komputerowego Tier-3 w IFJ PAN. Zarządzano procesami WLCG w Polsce. Realizowane prace były współfinansowane przez NCN. Koordynator współpracy z CERN: prof. D. Charlton Współpraca z WFiIS AGH. W roku 2016 pracownicy IFJ PAN poszukiwali Nowej Fizyki w procesach, w których w stanie końcowym produkowane są leptony tau. Poszukiwano naładowanego bozonu Higgsa w rozpadach na lepton tau i neutrino (H ± τ ± ν). Poszukiwany stan końcowy charakteryzuje hadronowy rozpad leptonu tau, brakujący pęd poprzeczny (unoszony przez ν). Rezultaty z przeprowadzonej analizy nie wykazały nadwyżki przypadków w kanale H ± τ ± ν ponad oczekiwane tło zgodne z przewidywaniami Modelu Standardowego. W zakresie mas mh ± = 200 2000 GeV uzyskano górne ograniczenie na przekrój czynny dla produkcji w tym kanale na poziomie 2.0 0.008 pb. (ATLAS-CONF-2016-088). Opublikowano w 2016 roku z udziałem grupy z IFJ PAN 139 artykułów w czasopismach wyróżnionych w JCR. 5

Zakład NZ17 zadanie 5. Eksperyment LHCb na akceleratorze LHC w CERN Badania nad niezachowaniem parzystości kombinowanej CP w rozpadach mezonów B, badanie rzadkich rozpadów mezonów B oraz poszukiwanie efektów spoza Modelu Standardowego. Współpraca z CERN, koordynator: prof. G. Wilkinson 1. Udział w obsłudze eksperymentu LHCb i jego przygotowaniach do pracy przy zwiększonej świetlności wiązki. W 2016 roku kontynuowano drugą fazę pracy zderzacza LHC tzw. Run II przy zwiększonej energii zderzeń do 13 TeV. Zespół eksperymentu LHCb z IFJ PAN brał udział w sesjach zbierania danych, odbywając dyżury centralne oraz eksperckie dyżury dla detektora zewnętrznego i detektora RICH. Grupa uczestniczyła także w pracach rozwojowych przy projektowaniu i testach nowej elektroniki odczytu detektora RICH dla pracy przy zwiększonej świetlności LHC. 2. Rozwój i obsługa oprogramowania centralnego eksperymentu LHCb. Uaktualniono pakiet do rekonstrukcji wierzchołków pierwotnych oraz sprawdzono jego funkcjonalność dla warunków wiązki akceleratora LHC w 2016 roku. Dostosowano pakiet do zależnego od czasu pomiaru kąta gamma trójkąta unitarności, tzw. wielowymiarowy sfit do nowych kanałów rozpadu mezonów Bs. Ukończono pakiet do symulacji odpowiedzi elektroniki odczytu detektora RICH i udostępniono go w centralnym repozytorium i zintegrowano z aplikacjami eksperymentu LHCb. Przeprowadzono symulację dla zmodernizowanej wersji detektora RICH. Kontynuowano rozwój oprogramowania systemu do rozproszonej analizy danych DIRAC. 3. Analiza danych eksperymentu LHCb. Kontynuowano poszukiwanie i analizę rzadkich rozpadów dla danych z fazy RunI. Ukończono analizę kątową dla rozpadu B 0 K*μμ metodą momentów (publikacja 2016). Ukończono analizę dotyczącą poszukiwania długożyciowej cząstki skalarnej (Inflaton) w rozpadach mezonów B. Zmierzono górną granicę rozgałęzienia rozpadu dla wzbronionego rozpadu Λb Kμ z jednoczesnym łamaniem liczby barionowej i liczby leptonowej. Poszukiwania rzadkiego rozpadu Λc pμμ weszły w końcową fazę. Przygotowano analizę korelacji Bosego-Einsteina dla pionów o jednakowym ładunku do procesu recenzji wewnętrznej współpracy LHCb. Wyniki większości z wymienionych badań będą opublikowane w 2017 r. 4. Rozbudowa lokalnej infrastruktury obliczeniowej i rozwój narzędzi do analizy danych eksperymentalnych w systemach rozproszonych typu Grid i systemach typu Cloud Computing. Przeprowadzono periodyczne uaktualnienie lokalnego klastra obliczeniowego zintegrowanego z infrastrukturą WLCG (Woldwide LHC Computing Grid). Uaktualniono elementy oprogramowania pośredniczącego Middleware oraz środowiska eksperymentów LHC. Grupa eksperymentu LHCb prowadzi badania zjawisk z udziałem kwarków ciężkich, w szczególności prowadzi poszukiwania efektów spoza Modelu Standardowego, efektów tzw. Nowej Fizyki. W 2016 roku ukończono kilka analiz dotyczących rzadkich lub wzbronionych procesów rozpadu hadronów pięknych i powabnych, w tym procesów zachodzących z łamaniem liczby leptonowej i liczby barionowej. Przeprowadzono analizę rzadkiego rozpadu B K*μμ dla danych zebranych w latach 2011-2012. Rozkłady kątowe produktów tego rozpadu są czułe na występowanie zjawisk Nowej Fizyki. Zmierzona wartość jednego ze współczynników rozkładu kątowego odbiega znacząco od przewidywań Modelu Standardowego. Wynik ten został zatwierdzony przez Współpracę LHCb i opublikowany w 2016 roku. Analiza będzie kontynuowana dla danych zbieranych w latach 2015-2017 w celu potwierdzenia obserwacji 6

anomalii rozkładu kątowego. Łącznie z udziałem zespołu z IFJ PAN opublikowano 51 prac w czasopismach wyróżnionych w JCR. Zakład NZ13 zadanie 6. Projekt zderzaczy elektron-pozyton (linowych ILC i CLIC oraz kołowego FCC), badanie ich potencjału fizycznego oraz udział w budowie detektora świetlności LumiCal Liniowy zderzacz elektronów i pozytonów (ILC) o energii rzędu 1 TeV w środku masy może zostać uruchomiony do końca trzeciej dekady naszego wieku. Równocześnie w ośrodku CERN rozwijany jest projekt liniowego zderzacza CLIC, o większej energii zderzeń (do 3 TeV), który wykorzystuje nowatorską technologię przyśpieszania oraz projekt akceleratora kołowego o bardzo wysokiej świetlności o nazwie FCC (ee/pp). Realizacja programu fizycznego każdego z tych zderzaczy wymaga precyzyjnego pomiaru świetlności. Do tego celu zaprojektowano, przy aktywnym udziale grupy IFJ PAN, detektor LumiCal zawierający dwa elektromagnetyczne kalorymetry. Trwają prace badawczo-rozwojowe nad zbudowaniem docelowego prototypu detektora obejmującego mechanikę, elektronikę i system akwizycji danych (DAQ). Prowadzone są dedykowane symulacje Monte Carlo z udziałem detektora LumiCal, które pozwolą oszacować czułość eksperymentalną pomiaru wybranych obserwabli modelu standardowego. Prace wykonywane są w ramach międzynarodowych współprac: FCAL, ILD, CLICdp oraz FCC-ee (TLEP). 1. Udział w badaniach procesów fizycznych na ILC/CLIC/FCC. Prowadzone są symulacje fizyczne zmierzające do: Oszacowania czułości eksperymentalnej pomiaru asymetrii przód-tył dla stanów końcowych, zawierających parę kwark piękny-antykwark piękny. Oszacowania czułości eksperymentalnej poszukiwań łamania liczby leptonowej w rozpadach bozonu Z i leptonu τ. Oszacowania pomiaru funkcji struktury fotonu. Wykorzystanie symulacji fizycznych do wypracowania efektywnej metody identyfikacji nowych, egzotycznych cząstek bazującej na analizie wielu zmiennych, stosowanej równocześnie dla danych i tła. 2. Prace nad przygotowaniem projektu detektora do pomiaru świetlności (LumiCal) dla przyszłych akceleratorów ILC, CLIC oraz FCC: Udział w pracach nad systemem DAQ detektora LumiCal, prowadzonych w ramach programu Unii Europejskiej AIDA-2020, bazującym na układach FPGA oraz systemem przesyłania danych. Udział w pomiarach prototypu LumiCal zbudowanego w ramach AIDA-2020 na elektronowych wiązkach w ośrodkach DESY i CERN. Przygotowywana jest końcowa wersja publikacji współpracy FCAL: analiza danych z wcześniejszych pomiarów w ośrodkach DESY i CERN. Publikacja będzie wysłana do czasopisma JINST. 3. Prace nad oprogramowaniem detektora LumiCal i jego przekodowaniem dla potrzeb globalnego oprogramowania IlcSoft, pod kątem przygotowań do masowej produkcji przypadków Monte Carlo dla oddziaływań e+e-. 4. Uruchomienie na lokalnych zasobach obliczeniowych w IFJ PAN oficjalnego oprogramowania współprac związanych z wyżej wymienionymi zderzaczami (Cloud Computing, Grid). 5. W ramach europejskiego konsorcjum TIARA uczestniczono w pracach nad przygotowaniem europejskich programów rozwoju nowych technik akceleracji, jak i przy ocenach oraz 7

rekomendacjach projektów do Komisji Europejskiej w ramach H2020. Analizy fizyczne dla oceny możliwości pomiaru: asymetrii przód-tył w produkcji par kwarków (b, antyb), funkcji struktury fotonu, identyfikacji nowych cząstek spoza modelu standardowego; budowy prototypu modułu systemu DAQ detektora LumiCal z programowalnym układem logicznym FPGA. Zmodyfikowano i ulepszono algorytm znajdowania klastrów w detektorze LumiCal oraz uruchomiono na dostępnych zasobach obliczeniowych w IFJ PAN i centrum obliczeniowym CYFRONET kolejne wersje oficjalnego oprogramowania ILC/CLIC (Cloud Computing, Grid). Udział w ważnych pomiarach na wiązce elektronowej w DESY układu zawierającego prototyp detektora LumiCal oraz 2 warstw sensorów krzemowych ustawionych przed nim. Wstępna analiza danych potwierdziła celowość użycia takiej konfiguracji w przyszłości dla lepszej identyfikacji cząstek w LumiCal. Z udziałem zespołu z IFJ PAN opublikowano 2 prace związane z zadaniem: CLICDP-PUB-2016-001 / arxiv:1608.07538, CERN-2016-004 / arxiv:1608:07537 Zakład NZ12 zadanie 7. Badania w zakresie astronomii gamma 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). 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-1M-MECH (Singlemirror Small-Size Telescope) w ramach międzynarodowego podprojektu SST-1M współpracy CTA, projektowanie oraz budowa prototypu struktury mechanicznej teleskopu Cherenkova SST- 1M 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. Obserwatorium H.E.S.S. odkryło w centrum Drogi Mlecznej źródło promieni kosmicznych o energiach sięgających petaelektonowoltów, sto razy wyższych od energii cząstek osiąganych w LHC w CERN. Potężnym akceleratorem cząstek jest prawdopodobnie centralna supermasywna czarna dziura Sagittarius A*. Odkrycie jest wynikiem wieloletnich obserwacji tego źródła. Wyniki oznaczają znaczny postęp w toczącej się debacie na temat pochodzenia galaktycznych promieni kosmicznych. Dotychczas uważano, że głównym źródłem tych cząstek są młode pozostałości po wybuchach supernowych. Opublikowano także pierwsze wyniki obserwacji przeprowadzonych z użyciem pełnej sieci teleskopów H.E.S.S. II, w której skład wchodzi 28-m teleskop CT5. System H.E.S.S. II pozwala 8

na obniżenie dolnego zakresu rejestrowanych energii fotonów gamma do ok. 100 GeV. Wyniki dotyczą dwóch znanych obiektów pozagalaktycznych blazarów PKS 2155-304 oraz PG 1553+113, będących silnymi źródłami emisji gamma najwyższych energii. Badanie tych obiektów jest więc niezwykle cenne, m.in. dla określenia natury pozagalaktycznego promieniowania tła. Widma obserwowanych blazarów, wyznaczone w szerokim przedziale energii, sięgającym od dolnego zakresu do ok. 1 TeV, mogą być opisane zakrzywionym rozkładem potęgowym i są spójne z widmami mierzonymi przy niższych energiach przez satelitarne obserwatorium gamma Fermi-LAT. Opublikowano w 2016 roku 6 artykułów z udziałem grupy z IFJ PAN w czasopismach wyróżnionych w JCR i kilka w innych czasopismach. Zakład NZ13 Zadanie 8: Eksperyment STAR na akceleratorze RHIC w Brookhaven National Laboratory 1. Analiza danych dyfrakcyjnych przy energii 200 GeV z 2009 roku. 2. Udział w obsłudze naboru danych dla eksperymentu STAR. 3. Analiza rozpraszania dyfrakcyjnego i elastycznego pp z naboru danych w 2015 roku. 4. Udział w przygotowaniu publikacji współpracy STAR. 1. Opracowano i wdrożono metodę pozycjonowania detektora PP2PP dla okresu zbierania danych w 2015. 2. Dokonano pełnej rekonstrukcji danych z naboru danych 2015. 3. Przeprowadzono analizę próbki danych dotyczącej rozpraszania elastycznego. 4. Opracowano i wdrożono metodę Monte Carlo do poprawienia danych pod kątem wydajności i akceptancji detektora. Zadanie jest realizowane we współpracy z WFiIS AGH. Przygotowano wstępną wersję publikacji dotyczącej pomiaru nachylenia różniczkowego przekroju czynnego jako funkcji przekazu czteropędu w zakresie 0.05 do 0.1 GeV 2. Wyniki zostały przedstawione na zebraniach współpracy STAR. Dokonano wstępnego oszacowania świetlności, co pozwoli na wyznaczenie całkowitego i różniczkowego przekroju czynnego przy energii s = 200 GeV. Opublikowano w 2016 r. 11 artykułów w czasopismach wyróżnionych w JCR. BADANIA TEORETYCZNE Zakład NZ42 zadanie 9. 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). Prowadzono 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 były w oparciu o kwantową teorię pola i obejmowały cztery fundamentalne oddziaływania przyrody: elektromagnetyczne, słabe, silne oraz grawitacyjne. 9

Prowadzono prace nad: rozwojem formalizmu obliczeń precyzyjnych w QCD, polegających na łączeniu wyników w skończonym rzędzie rachunku zaburzeń z podejściem resumacyjnym, opartym o kaskady partonowe. Doprowadziły one do stworzenia metody o nazwie KrkNLO, która została z sukcesem zaimplementowana w dwóch wiodących generatorach Monte Carlo (Sherpa i Herwig) oraz użyta do opisu produkcji bozonów elektrosłabych oraz bozonu Higgsa na LHC. Metoda KrkNLO wyróżnia się prostotą a przewidywania uzyskane przy jej pomocy zawierają istotne poprawki wyższych rzędów, ustaleniem optymalnych cięć eksperymentalnych, aby znaleźć sygnaturę efektów zderzeń wielopartonowych przy produkcji czterech dżetów: Search for optimal conditions for exploring double-parton scattering in four-jet production: kt-factorization approach Phys.Rev. D94 (2016) no.1, 014019, opisem w ramach faktoryzacji w wysokich energiach przekroju czynnego na produkcję inkluzywnego dżetu: Single and double inclusive forward jet production at the LHC at s = 7 and 13 TeV PLB B, Volume 760, 10. 2016, 594-601. Prowadzono badania nad: leptonami tau, które stanowią istotny element fenomenologii sygnatur parzystości bozonu Higgsa. Wykorzystano techniki Machine learning we współpracy z informatykiem z zespołu Google New York. Rezultatem pracy jest publikacja: Potential for optimizing the Higgs boson CP measurement in H ττ ττ decays at the LHC including machine learning techniques Phys.Rev. D94 (2016) no.9, 093001, poprawkami wirtualnymi do funkcji splitting, która zależy od pędów poprzecznych i podłużnych. Efektem pracy jest publikacja: Transverse momentum dependent splitting functions at work: quark-to-gluon splitting Phys. Rev. D 94, 114013 (2016), otrzymaniem funkcji splitting z zależnością od pędu poprzecznego w ramach faktoryzacji w wysokich energiach. Wynikiem pracy jest publikacja: Transverse-momentum-dependent quark splitting functions in kt-factorization: real contributions JHEP 1601 (2016) 181, fenomenologią nowego przepisu faktoryzacyjnego ITMD umożliwiającego uwzględnienie efektów nieliniowych w zderzeniu p-pb Forward di-jet production in p+pb collisions in the small-x improved TMD factorization framework JHEP 1612 (2016) 034, nową parametryzacją prądów hadronowych w rozpadach leptonów tau na trzy piony, opartą o lagranżjany chiralne z jawnym uwzględnieniem rezonansów. Poza powszechnie uwzględnianymi rezonansami wektorowymi i aksjalnymi uwzględnione zostały rezonansy skalarne i, po raz pierwszy, tensorowy rezonans f2(1270). W niskich energiach wszystkie form-faktory reprodukują zachowanie chiralne, użyciem metod modelu mini-jetów z resumacją miękkich gluonów do estymacji całkowitego hadronowego przekroju czynnego w dużych energiach. Pokazano, że model nie potrafi opisać jednocześnie całkowitego i elastycznego przekroju czynnego. Aby go poprawić dodano fenomenologiczną parametryzację składowej pojedynczo dyfrakcyjnej. W ramach zadania w 2016 roku opublikowano 27 artykułów w czasopismach wyróżnionych w JCR. Zakład NZ12 zadanie 10. Nietermiczne procesy w plazmie kosmicznej Modelowanie plazmy kosmicznej: fale uderzeniowe, przyspieszanie cząstek, turbulencja elektromagnetyczna, emisja promieniowania. Za pomocą wielkoskalowych numerycznych symulacji kinetycznych Particle-In-Cell (PIC) badano m.in. mechanizm powstawania nadwyżki emisji energetycznych atomów neutralnych 10

w obszarze zewnętrznego płaszcza heliosfery, prostopadłe fale uderzeniowe o dużej liczbie Macha oraz generację turbulencji elektromagnetycznej w prekursorze szoków równoległych w zastosowaniu do młodych pozostałości po supernowych, średnio relatywistyczne szoki w zmagnetyzowanej plazmie w zastosowaniu do fizyki blazarów oraz ewolucję relatywistycznych dżetów. Wykazano, że pierścieniowe rozkłady jonów wychwyconych z wiatru słonecznego i krążących wokół linii sił pola magnetycznego w zewnętrznym płaszczu heliosfery mogą być stabilne w skończonym zakresie temperatur. Odpowiedź na pytanie o stabilność rozkładów realistycznych wymaga bardziej szczegółowego modelowania. Wiadomo jednak, że dynamika elektronów nie wpływa na rozpraszanie jonów. Realistyczny model prekursora szoku młodej pozostałości po supernowej potwierdził efektywność amplifikacji pola magnetycznego oraz opisany przez nas wcześniej mechanizm wysycenia niestabilności nierezonansowej, która generuje turbulencję. Wskazano przy tym na rolę turbulentego pola elektrycznego w procesie saturacji, stochastycznym rozpraszaniu promieni kosmicznych oraz nieadiabatycznym grzaniu cząstek plazmy ośrodka. Przestrzenna dyfuzja promieni kosmicznych w ośrodku z nieliniową turbulencją nierezonansową jest zgodna z limitem Bohma. Dwuwymiarowe modelowanie PIC procesów injekcji elektronów w nierelatywistycznych prostopadłych falach uderzeniowych o dużej liczbie Macha potwierdziło istotną rolę procesu surfowania na szoku w pre-akceleracji elektronów. Wykazano jednak silną zależność obserwowanej efektywności injekcji elektronów od geometrii badanego układu w zależności od przyjętej konfiguracji prostopadłej składowej pola magnetycznego w stosunku do płaszczyzny symulacji, zmienia się względna rola procesów przyspieszania zachodzących na samym froncie fali i w jej prekursorze. Wskazuje to na potrzebę przeprowadzenia symulacji trójwymiarowych. Efektywność pre-akceleracji zmienia się w czasie z okresem cyklicznej reformacji szoku. Zjawiska przyspieszania elektronów zachodzące w obszarach rekoneksji magnetycznej, formowanych spontanicznie w turbulentnym prekursorze szoku, nie odgrywają znaczącej roli w bilansie energetycznym. Opublikowano w 2016 roku 4 artykuły w czasopismach wyróżnionych w JCR. Zakład NZ43 zadanie 11. Wybrane problemy fizyki matematycznej 1. Opracowanie i zastosowanie metod algebraicznych, rachunku prawdopodobieństwa oraz matematyki dyskretnej do opisu zjawisk fizyki kwantowej. 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 oraz Instytutem Matematyki UJ). 3. Badanie klasycznych i kwantowych własności geometrycznych modeli cząstek (tzw. układów fundamentalnych) i mechanizmu oddziaływania tak opisywanych cząstek z polami zewnętrznymi. 4. Wykorzystanie jawnych postaci rozkładów Levy'ego oraz tzw. metod operacyjnych do rozwiązywania równań ewolucji, w tym równań z pochodnymi frakcyjnymi. Badanie własności operatorów ewolucji generujących te równania. Zastosowanie modeli anomalnego transportu do efektywnego opisu procesów relaksacyjnych (fotoluminescencja, termoluminescencja, relaksacja dielektryczna), turbulencji oraz dyfuzji anomalnej (współpraca z Uniwersytetem Paris VI, Centrum Badawczym ENEA Frascati, Włochy oraz Uniwersytetem Case Western Reserve w Cleveland, Ohio, USA). 11

5. Opracowanie metod rozwiązywania równania Wangerina opisującego własności plazmy w tokamaku (współpraca z Centrum Badawczym ENEA Frascati, Włochy) 6. Zastosowanie metodologii Haaga (algebraicznej kwantowej teorii pola) do badań własności teorio-polowych rozwinięć perturbacyjnych, w tym do określenia warunków ich zbieżności Wykorzystanie nowoczesnych metod matematycznych do konstrukcji tak analitycznych, jak i bazujących na tzw. matematyce komputerowej, schematów analizy problemów fizyki klasycznej i kwantowej. Badanie różnych aspektów procedury kwantowania oraz wpływu przyjętych schematów kwantowania na wynikające z nich relacje pomiędzy modelami kwantowymi i ich klasycznymi odpowiednikami. W problemie rozwiązywania równań ewolucji zastosowanie opracowanej metodologii ich rozwiązywania do badania przebiegu i własności zjawisk fizycznych związanych z anomalną dyfuzją oraz procesami relaksacyjnymi, a także przeprowadzenie analizy wzajemnej relacji pomiędzy czasowym i częstościowym opisem tych zjawisk. Opracowanie ogólnego schematu rozwiązywania frakcyjnych równań różniczkowych, bazującego na metodach rachunku operatorowego połączonych z wykorzystaniem teorii funkcji Greena. Konstrukcja jawnych postaci rozwiązań dla różnego typu równań oraz szerokiej klasy warunków początkowych. Opublikowano w 2016 roku 3 artykuły w czasopismach wyróżnionych w JCR. 12