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, prace aparaturowe w DAI. Teoretyczne prace prowadzone były w Zakładach NZ42, NZ43. Wyniki badań w tym temacie zaowocowały w 2008 r. 103 publikacjami w czasopismach wyróżnionych w Journal Citation Reports (JCR). BADANIA EKSPERYMENTALNE Eksperyment DELPHI na akceleratorze LEP w CERN W oparciu o dane eksperymentalne zebrane w latach 1995-2000 współpraca opublikowała w 2008 roku 6 artykuły z udziałem zespołu z IFJ PAN w czasopismach wyróżnionych w JCR. zadanie 1. Eksperyment ZEUS na akceleratorze HERA w DESY Badania zderzeń elektronów lub pozytonów z protonami przy energiach ok. 300 GeV w układzie środka masy. Zakład 12 1. Zbieranie danych przy dwóch nowych energiach protonu 460 i 575 GeV w akceleratorze HERA. Kontynuacja analizy fizycznej danych. Celem eksperymentu ZEUS na akceleratorze HERA jest sprawdzenie Modelu Standardowego (MS) dla fundamentalnych oddziaływań i poszukiwanie Nowej Fizyki poza MS. Badania prowadzone są dla zderzeń elektronów i pozytonów z protonami, w których maksymalna energia wynosiła 318 GeV w układzie środka masy. Akcelerator zakończył ostatecznie pracę w lipcu 2007 r. Opracowanie, zebranego w całym blisko 13-letnim okresie pracy akceleratora, ogromnego materiału doświadczalnego będzie wymagało dalszej pracy do 2013 r. Do najważniejszych wyników należy ostateczne obliczenie wartości świetlności ( luminosity ) akceleratora HERA w okresie zbierania danych po modernizacji, jako podstawa do nowej rekonstrukcji danych (tzw. Grand Reprocessing ). Wartość świetlności jest istotna dla wszystkich nowych publikacji eksperymentu ZEUS. Kontynuowano też analizę fizyczną uzyskanego materiału doświadczalnego koncentrując się na produkcji mezonów wektorowych oraz na badaniu korelacji między hadronami w oddziaływaniach e-p. Współpraca z DESY, koordynator: prof. Tobias Haas Współpraca ZEUS opublikowała w 2008 roku 7 artykułów z udziałem zespołu z IFJ PAN w czasopismach wyróżnionych w JCR. zadanie 2. Eksperyment H1 na akceleratorze HERA w DESY Badania zderzeń elektronów lub pozytonów z protonami. Zakład 11 Obsługa eksperymentu: koordynacja produkcji Monte Carlo oraz symulacje Monte Carlo na farmie PC w DESY. Krakowska grupa kontynuowała koordynację produkcji symulowanych danych i obsługę 1

bazy danych dla tej produkcji; całkowita statystyka danych Monte Carlo wysymulowanych w 2008 r. wyniosła 2,386 mld przypadków. Obsługa eksperymentu obejmowała także produkcję symulowanych przypadków na sieci typu GRID (ok. 2,281 mld przypadków) oraz na zarządzanej z Krakowa farmie PC w DESY (ok. 115 mln przypadków). Analiza końcowych stanów hadronowych. a) poszukiwanie instantonów w procesach rozpraszania głęboko-nieelastycznego przy dużych transferach pędu na akceleratorze HERA Przeprowadzono wstępną analizę danych z dużym przekazem czteropędu Q 2 >100 GeV 2 zebranych w latach 2004-2007, w okresie zwiększonej świetlności akceleratora HERA (tzw. HERA II). Wyniki przedstawiono na zebraniach roboczych grupy HaQ. Uruchomiono generator Monte Carlo dla procesów instantonowych. Rozpoczęto badanie możliwości polepszenia stosunku sygnału do tła korzystając z korelacji w przestrzeni zmiennych pseudorapidity energia poprzeczna końcowego stanu hadronowego (dżetu). Uruchomiono selekcję przypadków rozpraszania głęboko-nieelastycznego z Q 2 >100 GeV 2 dla najnowszej wersji rekonstrukcji danych (tzw. DST5), zawierającej m.in. ulepszoną rekonstrukcję torów cząstek naładowanych. b) badanie procesów rozpraszania głęboko-nieelastycznego przy małych wartościach x-bjorkena na akceleratorze HERA Otrzymano przekroje czynne na produkcję dżetów do przodu w głęboko nieelastycznym rozpraszaniu elektron-proton w funkcji kąta azymutalnego pomiędzy dżetem a rozproszonym elektronem. Pomiar wykonano w obszarze małych wartości przekazu czteropędu 2<Q 2 <100 GeV 2, w trzech przedziałach odległości w rapidity między dżetem i rozproszonym elektronem. Wraz ze wzrostem odległości w rapidity rośnie prawdopodobieństwo emisji gluonów w początkowej kaskadzie partonowej. Korelacje azymutalne stanowią obserwablę czułą na dynamikę kaskady partonowej. Wyniki pomiarów porównano wstępnie z przewidywaniami teoretycznymi opartymi na różnych mechanizmach rozwoju kaskady partonowej. c) badanie produkcji dziwności na akceleratorze HERA W oparciu o dane zebrane w latach 1999-2000 wyznaczono stosunek R przekroju czynnego na produkcję mezonów K 0 S do przekroju czynnego na naładowane hadrony w głęboko nieelastycznym rozpraszaniu pozyton-proton dla energii w układzie środka masy zderzenia 319 GeV. Pomiary przeprowadzono w obszarze przestrzeni fazowej zdefiniowanej przez dodatnio określony kwadrat przekazu czteropędu w wierzchołku leptonowym 2<Q 2 <100 GeV 2, nieelastyczność 0.1<y<0.6, oraz pęd poprzeczny 0.5< p T< 3.5 GeV i pseudorapidity -1.3<η<1.3 cząstek w stanie końcowym. Rozkłady R w funkcji zmiennych Q 2, y, x Bj, p T i η, porównano z przewidywaniami modeli Monte Carlo dla różnych wartości parametru tłumienia dziwności λ s. Zbadano także zależność R od wyboru funkcji struktury (PDF) protonu. Zakończono pracę nad publikacją pt. Strangeness Production at low Q 2 in Deep- Inelastic Scattering at HERA, która ukazała się jako raport DESY 08-095 i została wysłana do druku w European Physical Journal C. Do najważniejszych wyników opublikowanych przez współpracę H1 działającą na akceleratorze HERA należy pomiar podłużnej funkcji struktury protonu (Phys. Lett. B665:139-146 (2008)). Tego rodzaju pomiar możliwy jest wyłącznie na zderzaczu elektronproton i ma kluczowe znaczenie dla interpretacji inkluzywnych przekrojów czynnych w 2

terminach QCD. Współpraca H1 opublikowała również wyniki poszukiwania wzbudzonych elektronów i neutrin w oparciu o pełną próbkę danych HERA I + HERA II (zebranych w latach 1994-2007) (Phys. Lett. B666,131-139 (2008); Phys. Lett. B663, 382-389 (2008)). Podane górne granice na przekrój czynny poszerzają obszar wykluczenia w porównaniu z innymi badaniami tego rodzaju. Współpraca z DESY, Koordynator: dr Claude Vallee/dr Cristinel Diaconu Współpraca H1 opublikowała w 2008 roku 7 artykułów w czasopismach wyróżnionych w JCR. zadanie 3. Belle na akceleratorze KEK-B (Japonia) Badanie rzadkich rozpadów mezonów B. Zakład 11 Obsługa eksperymentu i zbieranie danych. W 2008 roku krakowscy członkowie eksperymentu Belle pełnili 38 ośmiogodzinnych dyżurów przy eksperymencie, w tym 18 dyżurów w charakterze eksperta. Zespół z IFJ PAN uczestniczył także w testach nowych modułów elektroniki odczytu dla krzemowego detektora wierzchołka, przeprowadzonych na wiązce w laboratorium KEK. Badanie wybranych rozpadów mezonów B. a. półleptonowe rozpady B z kwarkowym przejściem b c Kontynuowano prace nad rozpadami B do stanów końcowych zawierających ciężki lepton τ. Po pierwszej obserwacji ekskluzywnego rozpadu z przejściem b cτν τ w kanale B 0 D *- τ + ν τ, analizę rozszerzono na rozpady B + D (*)0 τ + ν τ. Wyniki są przygotowywane do publikacji. b. rozpady typu FCNC (Flavor Changing Neutral Currents) Przeprowadzono poszukiwanie rozpadu B ϕπ z kwarkowym przejściem b d. Wyznaczono górną granicę częstości tego rozpadu. c. hadronowe rozpady B Zakończono analizę rozpadów B D (*)+ sπ - K. Wyniki przygotowano do publikacji. Obecnie badaniami objęto rzadsze rozpady tego typu: B D (*)+ sk - K. Badanie cząstek z powabem. a. badanie stanów rezonansowych w układzie D (*) K Kontynuowano poszukiwania rezonansów w układzie (c s), produkowanych w rozpadach B D (*) D (*) K. Opublikowano wyniki dotyczące nowego rezonansu D sj (2700), zaobserwowanego w kanale B + D 0 D sj ( D 0 K + ) (Phys. Rev. Lett. 100, 092001 (2008)). Badania struktur rezonansowych w układzie D * K wskazują na istnienie nowego stanu w układzie D *+ K S. Wyniki są przygotowywane do publikacji. b. badanie barionów powabnych Zakończono analizę dotyczącą własności barionów powabnych Ξ c (2645), Ξ c (2815) i Ξ c (2980). Wyniki opublikowano w Phys. Lett. B665, 9 (2008). Wśród najważniejszych wyników eksperymentu Belle w 2008 r. należy wymienić dokonanie odkryć kolejnych cząstek powabnych, zarówno konwencjonalnych jak i egzotycznych stanów hadronowych. Wśród pierwszych należy wymienić mezon D sj (2700) + odkryty w analizie przeprowadzonej w IFJ PAN (Phys. Rev. Lett. 100, 092001 (2008)). Jest to wektorowy mezon rozpadający się do stanu końcowego D 0 K + i będący pierwszym kandydatem na wzbudzenie radialne w multiplecie cs. Do stanów egzotycznych należy niewątpliwie 3

rezonans Z(4430) (Phys. Rev. Lett. 100, 142001 (2008)) zaobserwowany w kanale rozpadu ψ(2s)π -. Stan ten jest pierwszym rezonansem typu cc o niezerowym ładunku elektrycznym, co sugeruje iż jest to stan czterokwarkowy. Współpraca z KEK, koordynator: prof. M. Yamauchi W 2008 r. współpraca Belle opublikowała 44 artykuły w czasopismach wyróżnionych w JCR. zadanie 4. Eksperyment promieniowania kosmicznego AUGER Analiza wielkich pęków atmosferycznych rejestrowanych w obserwatorium im. Pierre Auger; budowa części składowych detektora. Zakład 15 Najważniejszym rezultatem eksperymentu Pierre Auger w 2008 r. jest wyznaczenie widma energii promieni kosmicznych skrajnie wysokich energii i stwierdzenie istnienia tzw. efektu GZK (obcięcia widma wskutek oddziaływań promieni kosmicznych z mikrofalowym promieniowaniem tła); publikacja: J. Abraham et al. (Pierre Auger Collaboration), Phys. Rev. Lett. 101, 061101 (2008). Wyznaczono również górne limity strumieni neutrin taonowych wśród promieni kosmicznych skrajnie wysokich energii (publikacja: J. Abraham et al. (Pierre Auger Collaboration), Phys. Rev. Lett. 100, 211101 (2008)) oraz fotonów (publikacja: J. Abraham et al. (Pierre Auger Collaboration), Astropart. Phys. 29, 243 (2008)). Współpraca z: Forschungszentrum Kalsruhe, Niemcy, koordynator: dr Ralph Engel Opublikowano w 2008 roku 5 artykułów w czasopismach wyróżnionych w JCR oraz 10 innych publikacji. 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. Zakład 16 1. Udział w eksperymencie neutrinowym ICARUS w Gran Sasso we Włoszech W 2008 roku trwały prace związane z instalacją detektora ICARUS w podziemnym laboratorium Gran Sasso. Fizycy i elektronicy z IFJ PAN pracowali przy modyfikacji elektroniki odczytu detektora (2 osobo-miesiące) oraz przy instalacji i testach elektroniki (4.5 osobo-miesięcy) prace częściowo były finansowane przez LNGS. We współpracy z grupą z Padwy prowadzone były prace związane z oprogramowaniem dla eksperymentu dotyczyły one głównie rekonstrukcji wierzchołka oddziaływania, rekonstrukcji i obrazowania kaskad elektromagnetycznych oraz rozróżniania elektronów i mezonów π 0. Zakończona została praca (we współpracy z grupami z Warszawy, Katowic i Pawii) nad rekonstrukcją mezonów π 0 w oparciu o dane zebrane podczas testów detektora ICARUS, a wyniki przedstawione zostały w arxiv:0812.2373 [hep-ex] i wysłane do publikacji. Współpraca z INFN Padwa, koordynator: prof. Sandro Centro; Laboratori Nazionali Gran Sasso, koordynator: dr Ornella Palamara; INFN Pawia, koordynator: prof. Elio Calligarich. 2. Udział w poszukiwaniu cząstek Ciemnej Materii w eksperymencie WARP w Gran Sasso W 2008 r. kontynuowane było zbieranie i opracowywanie danych z prototypowego detektora o pojemności 2.3 l oraz prowadzona była instalacja docelowego detektora o pojemności 100 l ciekłego argonu. A. Szelc z IFJ PAN miał wkład w opracowanie separacji sygnałów neutronowych od sygnałów gamma na podstawie analizy kształtu sygnałów, pomiar stosunku uzysku światła dla neutronów do uzysku światła dla elektronów, analizę danych zebranych 4

przy zanieczyszczeniu argonu azotem i tlenem oraz w analizę sygnałów tła o niejednoznacznych sygnaturach. Opublikowano w 2008 roku 2 artykuły w czasopismach wyróżnionych w JCR. Współpraca z INFN Aquila, koordynator: prof. Flavio Cavanna 3. Udział w akceleratorowym eksperymencie neutrinowym T2K w Japonii Rok 2008 był pod znakiem budowy bliskiego detektora ND280 eksperymentu T2K. Grupa fizyków z IFJ PAN, w ścisłej współpracy z działem inżynieryjno-technicznym IFJ PAN (DAI) oraz we współpracy z innymi grupami polskimi, a także z grupami z LSU w USA, INR w Rosji i z grupą z Uniwersytetu w Kobe, brała udział w pracach dla detektora SMRD, związanymi z chłodzeniem detektora, zakupem elementów do tego systemu oraz zakupem części liczników scyntylacyjnych, opracowaniem systemu składania i mocowania detektora w magnesie, rekonstrukcją torów cząstek naładowanych przechodzących przez detektor SMRD oraz opracowaniem rozkładów kontrolnych dotyczących danych zbieranych przez ten detektor. Prowadzone prace referowane były na zebraniach współpracy i telekonferencjach T2K. Współpraca z LSU-USA, koordynator: dr Thomas Kutter; INR-Rosja, koordynator: dr Yurij Kudenko; Kobe University-Japonia, koordynator: dr Atsumu Suzuki 4. Najważniejszym osiągnięciem w 2008 roku był start (1 lipca 2008 r.) europejskiego projektu LAGUNA (PF7-INFRASTRUCTURES-2007-1, proposal nr 212343), w którego przygotowaniu uczestniczyliśmy od trzech lat. Projekt dotyczy studium lokalizacji przyszłego pan-europejskiego podziemnego laboratorium dla poszukiwań rozpadu protonu i badań neutrin, przede wszystkim astrofizycznego pochodzenia. Wśród proponowanych siedmiu lokalizacji laboratorium znajduje się też lokalizacja polska, a mianowicie Zakłady Górnicze Polkowice-Sieroszowice, należące do KGHM Polska Miedź S.A. IFJ PAN jest jednostką koordynującą prace dla polskiej lokalizacji oraz jest instytucją odpowiedzialną za pakiet roboczy dotyczący fizyki i popularyzacji projektu. Wstępne opracowanie na temat badań z fizyki, jakie będą prowadzone w ramach projektu LAGUNA, zostało wysłane do publikacji jeszcze przed wystąpieniem do KE o finansowanie tego projektu (D. Autiero et al., JCAP 0711:011, 2007). Współpraca z ETH Zurich, koordynator: prof. Andre Rubbia Przygotowania do przyszłych eksperymentów zadanie 6. Eksperyment ATLAS na akceleratorze LHC w CERN Kontynuacja projektowania budowy i przygotowania programu fizycznego badań oddziaływań proton-proton przy energiach LHC. Zakład 14 1. Rozwój komputerowych symulacji oraz programowych narzędzi i metod analizy wybranych kanałów reakcji p-p i oddziaływań ciężkich jonów w eksperymencie ATLAS Przeprowadzono szczegółowe badania wydajności algorytmów do rekonstrukcji i identyfikacji leptonów tau wykorzystujące dwie różne metody rekonstrukcji oraz szereg metod dyskryminacyjnych. Opracowano program badania stanów końcowych z leptonami tau dla pierwszych danych o spodziewanej statystyce odpowiadającej 100 pb -1. W szczególności zbadano stosunki sygnału do tła dla rozpadów bozonów W i Z. Procesy te będą wykorzystane do kalibracji 5

i optymalizacji algorytmów rekonstrukcji i identyfikacji leptonów tau w oparciu o pierwsze dane z akceleratora LHC. Przeprowadzono analizę danych kosmicznych mającą na celu przetestowanie algorytmów służących do pozycjonowania detektora ATLAS oraz uzyskano pierwsze wyniki dotyczące pozycjonowania detektora in-situ. Zakończono prace nad badaniem możliwości pomiaru anizotropii azymutalnych w zderzeniach Pb-Pb przy energii 5.5 TeV w układzie środka masy nukleon-nukleon. Kontynuowano prace nad integracją algorytmów symulacji i rekonstrukcji przypadków zderzeń Pb+Pb z oficjalnym środowiskiem obliczeniowym eksperymentu ATLAS. 2. Zakończono prace nad integracją detektora krzemowego SCT oraz przeprowadzono kompleksowe testowanie aparatury, jak również ciągłą obsługę techniczną podukładów detektora SCT, które zostały zaprojektowane i wykonane przez pracowników IFJ PAN. W szczególności opracowano system monitorowania i diagnozowania poprawności działania zasilaczy niskiego napięcia. Zakłady 11 i 14 3. Zakończono prace nad projektem, konstrukcją i oprogramowaniem systemu kontroli detektora promieniowania przejścia TRT. Opracowano oprogramowanie do kontroli układów zasilania wysokiego i niskiego napięcia. Uczestniczono w obsłudze detektora TRT podczas zbierania danych kosmicznych. Przeprowadzono analizę danych temperaturowych w warunkach działającego detektora. Zakład 11, 14 i DAI Zakończono instalację i integrację wszystkich detektorów aparatury eksperymentu ATLAS, przy znaczącym udziale zespołu z IFJ PAN w pracach nad detektorami TRT i SCT. Kompletny detektor ATLAS został uruchomiony, co umożliwiło testowanie poprawności jego działania w czasie seansów z pojedynczymi wiązkami z LHC oraz w czasie rejestracji cząstek promieniowania kosmicznego. Prace prowadzono wspólnie z WFiIS AGH, CERN (dr P. Jenni), Uniwersytetami w Bernie, Bostonie, Oxfordzie i Paryżu, a także z innymi zagranicznymi partnerami eksperymentu. Opublikowano w 2008 roku 8 artykułów w czasopismach wyróżnionych w JCR z udziałem grupy z IFJ PAN. zadanie 7. Eksperyment LHC-b na akceleratorze LHC w CERN Przygotowanie badań nad niezachowaniem parzystości kombinowanej CP, a także niektórych rzadkich rozpadów w sektorze mezonów B. Zakład 11 1. Udział w uruchomieniu eksperymentu LHCb oraz w zbieraniu danych (współpraca z NIKHEF, Amsterdam i uniwersytetem w Heidelbergu) Integracja detektora została ukończona we wrześniu 2008 r. Wszystkie podsystemy zostały sprawdzone i przygotowane do synchronicznej pracy w ramach jednolitego systemu akwizycji danych. Zebrano znaczne próbki oddziaływań promieniowania kosmicznego. Zarejestrowano serie przypadków podczas testów wstrzykiwania wiązki, które posłużyły do sprawdzenia pozycji poszczególnych części detektora oraz do kalibracji czasu odczytu. 2. Udział w pracach nad oprogramowaniem do analizy danych 6

Przygotowano narzędzia do analizy i zastosowano je do symulacji kilku typowych pomiarów. Na bazie wysymulowanych próbek Monte Carlo przeprowadzono badanie czułości pomiaru czasu życia oraz częstości oscylacji mezonów B s. Posługując się techniką Toy Monte Carlo, zbadano czułość pomiaru kata γ trójkąta unitarności. Udoskonalono pakiety do centralnego przetwarzania danych (rekonstrukcja wierzchołków off-line oraz śladów krótkich). 3. Rozwój algorytmów systemu wyzwalania Opracowano algorytm alei elektromagnetycznej dla wyższego stopnia wyzwalania (HLT) dla rozpadów mezonów B z fotonem, elektronem lub mezonem π 0 w stanie końcowym. Dostosowano do nowego formatu danych algorytmy do szybkiej rekonstrukcji śladów, krótkich. Udoskonalono algorytmy do szybkiej rekonstrukcji wierzchołków pierwotnych w dwóch fazach HLT. Opracowano nową procedurę dopasowania wierzchołka (adaptive vertex fit), która pozwala zminimalizować wpływ śladów z rozpadów długo życiowych cząstek na pomiar współrzędnych wierzchołka. Najważniejsze osiągnięcie: Najważniejszym osiągnięciem było przygotowanie aparatury eksperymentalnej oraz części oprogramowania, za które odpowiedzialna jest grupa krakowska do pełnej gotowości fazy zbierania danych. Współpraca LHC-b opublikowała obszerny artykuł na temat detektora w czasopiśmie J. Instr. Współpraca z CERN, koordynator: prof. A. Golutvin zadanie 8. Projekt i budowa detektora dla liniowego zderzacza elektronów Zakład 13 Prace nad przygotowaniem projektu detektora do pomiaru świetlności (LumiCal) dla przyszłego liniowego akceleratora ILC Udział w technicznych projektach prototypowych detektorów W roku 2008 kontunuowano prace nad prototypem detektora do pomiaru świetlności LumiCal. Powstały projekt detektora zawiera opis struktury wewnętrznej (warstwy wolframu i sensorów krzemowych), mechanikę, system chłodzenia oraz sposób połączenia sensorów z elektroniką odczytu. Przetestowano metodę laserowego pomiaru położeń detektora oraz zbudowano prototyp systemu laserowego zawierającego optyczny CMOS sensor służący do automatycznego pomiaru położeń. Zrobiono projekt detektorów krzemowych, które zostaną wykonane przez firmę Hamamatsu. Prace prowadzone są w ramach współpracy FCAL i projektu UE EUDET. Wyniki zamieszczono w raportach: EUDET-Memo-2008-01, -2008-05, -2008-12, -2008-13, 2008-14, -2008-26 oraz w materiałach konferencyjnych współpracy FCAL. Prace prowadzone są we współpracy z AGH, UJ (Kraków), DESY Zeuthen (Niemcy), Tel Aviv Univ. (Izrael), Praga (Czechy), Uniwersytet w Mińsku, w ramach współpracy międzynarodowej FCAL, której koordynatorem jest prof. Wolfgang Lohmann. BADANIA TEORETYCZNE 7

zadanie 10. Teoria i fenomenologia oddziaływań fundamentalnych z uwzględnieniem eksperymentów fizyki cząstek elementarnych Zakład 42 1. Obliczanie poprawek radiacyjnych dla eksperymentów przy działających akceleratorach (HERA, fabryki B i inne), budowanych akceleratorach (LHC) i planowanych akceleratorach nowej generacji (zderzacze liniowe ILC, CLIC, zderzacze mionowe i inne) Tematyka prac dotyczyła rozwoju programów do obliczeń poprawek radiacyjnych w QCD i QED. Elektrosłabe obliczenia prowadzono z użyciem metod Monte Carlo. Program WINHAC rozwinięto o moduł opisujący wielofotonowy rozpad bozonu W z wykorzystaniem eksponencjacji YFS. We współpracy z JINR Dubna utworzono, przetestowano i opublikowano bibliotekę kompletnych poprawek elektrosłabych pierwszego rzędu dla programu WINHAC (współpraca w ramach projektu INTAS) Rozbudowano (we współpracy z Uniwersytetem Śląskim i Uniwersytetem w Karlsruhe) generator Monte Carlo PHOKHARA o procesy e + e - hadrony, µ + µ - fotony. Zaimplementowano procesy rozpadów wąskich rezonansów J/Ψ i Ψ(2s) na µ + µ -, π + π -, K + K - i K 0 K 0. Ulepszono także obliczanie form faktorów pionu i kaonu, aby uzyskać lepszą zgodność z wynikami eksperymentu CLEO-c i przewidywaniami teoretycznymi. Procesy radiacyjne w elektrodynamice kwantowej mają duże znaczenie dla eksperymentów akceleratorowych przy wysokich energiach. Połowa tegorocznej nagrody Nobla została przyznana za teorię mieszania kwarków, potwierdzoną licznymi pomiarami w eksperymentach BaBar i Belle. Nasze programy Monte Carlo, między innymi PHOTOS, są wykorzystywane w analizie danych z tych eksperymentów. Program PHOTOS, opisujący wielokrotną emisję fotonów w stanie końcowym, jest szeroko wykorzystywany w eksperymentach niskich i wysokich energii oraz znajdzie zastosowanie w eksperymencie LHC (Marie Curie Reseach Training Network FLAVIAnet). Współpraca z LAPP Annecy, w ramach umowy z IN2P3, koordynator: prof. B. Pietrzyk Wykonano i przetestowano uniwersalny interfejs do biblioteki rozpadów τ TAUOLA, oparty na standardzie HepMC. Rozwinięto narzędzia do półautomatycznego porównywania przewidywań rozpadów cząstek z różnych generatorów Monte Carlo i różnych ich ustawień. Rozwinięto program KKMC, symulujący procesy e + e - µ + µ - oraz e + e - τ + τ -. W ulepszonej implementacji uwzględniono hadronową część polaryzacji próżni, dzięki czemu zwiększono precyzję obliczeń przekrojów czynnych na te procesy przy niskich energiach. Tego typu obliczenia znajdują zastosowanie w precyzyjnych pomiarach przekrojów czynnych na poszczególne kanały rozpadu τ w eksperymentach BaBar i Belle. Współpraca z Uniwersytetem w Atenach, koordynator: prof. C. Papadopoulos Programy obliczające twarde procesy z dowolną ilością zewnętrznych cząstek (partonów) są bardzo istotnym składnikiem fenomenologii LHC. W programach tego typu obliczenia przeprowadzane są w sposób automatyczny, występuje również możliwość całkowania przestrzeni fazowej w celu uzyskania przekroju czynnego. Dostępne do tej pory programy wykonują obliczenia na poziomie drzewiastym (w szczególności dla wielu partonów). Dla uzyskania precyzji odpowiedniej dla fizyki w LHC obliczenia te muszą być przeprowadzone z większą precyzją. Wykonano dwa najbardziej istotne, brakujące składniki potrzebne do zautomatyzowania obliczeń w rzędzie wyższym niż wiodący. Składniki te to biblioteka jednopętlowych funkcji skalarnych (we wszystkich rejonach 8

kinematycznych, wszystkich możliwych kombinacjach mas i struktur osobliwości podczerwonych) oraz program do obliczeń amplitud jednopętlowych. W wykorzystanej metodzie OPP (Ossola, Papadopoulos, Pittau) problem obliczenia tysięcy diagramów Feynmana jest przesunięty do poziomu obliczania całek jednopętlowych. We wspomnianym programie problem ten został rozwiązany przez zastosowanie rekursywnych technik Dysona-Schwingera (Marie Curie Research Training Network HEPTOOLS i Marie Curie Action: Host Fellowships for the Transfer of Knowledge (ToK) CAMTOPH). 2. Prace nad teorią standardową i jej uogólnieniami Aby sprostać analizie przyszłych danych eksperymentalnych z LHC musimy zwiększyć precyzje dostępnych obliczeń. W szczególności jest tu miejsce na poprawienie opisu procesów wielokrotnych emisji cząstek. Zaimplementowano rodzinę nowych programów do rozwiązywania równań ewolucji w QCD, opisujących wielokrotne emisje cząstek. Programy te są nowatorskie zarówno pod względem wykorzystanych algorytmów jak również pod względem procedury resumacji. Jednym z problemów który został tutaj rozwiązany to problem preselekcji energii i rodzaju partonu wchodzącego do twardego procesu. Dzięki temu istniejące do tej pory rozwiązanie w postaci ewolucji wstecznej zyskało bardziej elastyczną alternatywę. Głównym celem, który chcemy osiągnąć jest implementacja ewolucji rozkładu partonów w formie całkowicie ekskluzywnej na poziomie następnym niż wiodący rząd rachunku zaburzeń (NLO). W szczególności w odróżnieniu od dobrze znanej ewolucji dla wycałkowanych rozkładów partonów wymaga ona przedefiniowania kerneli ewolucyjnych do poziomu ekskluzywnego. Badania rozpoczęto od zbudowania ekskluzywnych kerneli ewolucyjnych na podstawie podzbioru dwóch diagramów Feynmana (obecnie dodawane są kolejne diagramy). Ewolucja oparta na tych kernelach została wytestowana przez porówanie wyników ze standardową ewolucją. Perfekcyjna zgodność obu podejść na poziomie wycałkowanych rozkładów partonów dowodzi, że implementacja równania ewolucji typu DGLAP na poziomie ekskluzywnym jest możliwa. (Marie Curie Research Training Network (HEPTOOLS i Marie Curie Action: Host Fellowships for the Transfer of Knowledge (ToK) CAMTOPH). 3. Zastosowanie metod geometrycznych i algebraicznych w kwantowej teorii pola i kwantowej statystyce Przeprowadzono badania nad możliwością obliczenia przekrojów czynnych w kwantowej teorii pola sformułowanej w sposób algebraiczny przez Haaga. Pomysł na obliczenie przekroju czynnego polegał na zastosowaniu narzędzi geometrycznych do algebry obserwabli Haaga. Nasza hipoteza, że czasoprzestrzeń jest płaska w mikroskali, została przetłumaczona na własności operatorowo-algebraiczne obserwabli. Pytanie czy własności te są wystarczające do uzyskania przekrojów czynnych pozostaje otwarte. Jak do tej pory udało się uzyskać część numerycznych charakterystyk badanej algebry obserwabli. Najważniejsze osiągnięcia: Wykazano, że dotychczasowe techniki QCD do analizy wielokrotnej emisji w stanie początkowym (ISR) w obliczeniach Monte Carlo są niewystarczające dla wysokiej precyzji eksperymentów LHC. Zatem rozbudowę komponentów generatorów Monte Carlo dla analizy eksperymentów LHC oparto na zupełnie nowej koncepcji: rozwinięto zupełnie nowe techniki implementacji poprawek wyższego rzędu (next to leading order 'NLO') do obliczeń Monte Carlo kaskad partonów QCD ISR dla dowolnego procesu z obiektem o zerowym ładunku kolorowym produkowanym w LHC (W/Z, Higgs, WW, graviton). 9

Opublikowano w 2008 roku 14 artykułów w czasopismach wyróżnionych w JCR z tego zadania. zadanie 11. Astrofizyczne i kosmologiczne aspekty fizyki cząstek Zakład 43 1. Tematy badań: - obecność ciemnej materii w galaktykach spiralnych - gwiazdy neutronowe i kwarkowe - relatywistyczny opis rotacji - magnetosfery pulsarów Najważniejsze osiągnięcie: Wyznaczenie przez J. Jałochę, Ł. Bratka i M. Kutscherę mas galaktyk spiralnych na podstawie nowej metody opracowanej w IFJ PAN, której publikacja w Astrophysical Journal [1] i MNRAS [2] spotkała się z ogromnym zainteresowaniem. Portal naukowy New Scientist doniósł o tym, jako o sensacyjnym wyniku, pokazującym, że w wielu galaktykach spiralnych nie ma ciemnej materii. W tej najdokładniejszej z obecnie stosowanych metod wyznaczania mas galaktyk spiralnych zastosowany został model cienkiego dysku, rozkład masy którego odtworzony jest ściśle na podstawie mierzonej krzywej rotacji galaktyki oraz pomiarów radiowych wodoru na zewnątrz dysku. Uzyskany rozkład masy pozwala na lokalne zmierzenie stosunku masy do jasności, który dla wielu zbadanych galaktyk jest mały, a więc w pełni zgodny z barionową naturą materii galaktyki. Rozważane galaktyki mają krzywe rotacji, które nie zezwalają na obecność sferycznego halo ciemnej materii wokół nich, zatem rozkład dyskowy masy jest jedynym fizycznie uzasadnionym wyborem. [1] Joanna Jałocha, Łukasz Bratek, Marek Kutschera, Astrophys. J. 679: 373-378, 2008 [2] Łukasz Bratek, Joanna Jałocha, Marek Kutschera, Mon. Not. R. Astron. Soc. 391, 1373-1383 (2008) Opublikowano w 2008 roku łącznie 5 artykuły w czasopismach wyróżnionych w JCR z tej tematyki. 2. Badania w zakresie astronomii gamma. Udział w eksperymencie HESS (High Energy Stereoscopic System) oraz w fazie projektowej obserwatorium CTA (Cherenkov Telescope Array) W ramach eksperymentów promieniowania gamma wysokich energii: HESS oraz VERITAS prowadzono prace obserwacyjne (HESS) oraz analizę i interpretację danych. Opublikowane wyniki dotyczą poszukiwania diagnostyk anihilacji cząstek ciemnej materii w obiektach astrofizycznych, detekcji nowych źródeł promieniowania gamma wysokich energii w klasie pozostałości po supernowych oraz aktywnych jąder galaktyk, jak rónież analizy widma elektronowej składowej promieniowania kosmicznego o TeV-owych energiach. Prowadzono także prace nad nową metodą analizy danych w oparciu o mapy twardości. Zespół z IFJ PAN bierze również udział w pracach przygotowawczych i projektowych dla obserwatorium promieniowania gamma nowej generacji CTA. Prace projektowe i techniczne opisane są w części T5. Opublikowano w 2008 roku 4 artykuły w czasopismach wyróżnionych w JCR z tej tematyki. 10

zadanie 12. Podstawy i uogólnienia mechaniki kwantowej Zakład 43 1. Metody algebraiczne fizyki kwantowej 2. Analiza zasad nieoznaczoności uogólniających zasadę nieoznaczoności Heisenberga Opracowana została metoda analizy algebry Heisenberga-Weyla bazująca na użyciu grafów kombinatorycznych. Pozwala ona skonstruować wzajemnie jednoznaczną relację pomiędzy grafami i problemem uporządkowania normalnego operatorów kwantowo-mechanicznych. Powiązanie uzyskanych wyników z klasycznym problemem kombinatorycznym wież szachowych umożliwiło analityczne wyliczenie stałych struktury dla algebry Heisenberga- Weyla. Opublikowano 1 artykuł w czasopiśmie z listy JRC z tego zadania. P. Błasiak, G.H.E. Duchamp, A. Horzela, K.A. Penson, A.I. Solomon: Heisenberg-Weyl algebra revisited: combinatorics of words and paths, J. Phys. A 41 (2008) 415204. 11