ZAKŁAD TEORII POLA I CZĄSTEK ELEMENTARNYCH

1. Czym się zajmujemy?

Dążenie do poznania podstawowych składników materii, z których zbudowany jest świat towarzyszyło człowiekowi od najdawniejszych czasów. Wiedza na ten temat jest wynikiem prac wielu uczonych żyjących w różnych epokach. Demokryt, Arystoteles, Kopernik, Galileusz, Newton, Einstein to tylko niektórzy z nich. Podróż „w głąb materii” trwa od ponad 2500 lat. Od atomów Demokryta, poprzez jądra z protonami i neutronami dotarliśmy do kwarków i leptonów. W ostatnich 40 latach poznaliśmy wszystkie siły rządzące oddziaływaniami tych podstawowych składników materii. Powstał Model Standardowy (MS) oparty o tajemniczą lokalną symetrię cechowania.

Co dalej? Czy to już kres naszego poznania? Panuje tu dość powszechna zgoda, że bardzo ważne odkrycia struktury Wszechświata wciąż przed nami. Wiele pytań, które już potrafimy zadać pozostaje bez odpowiedzi. Oto niektóre z nich:­ jak rozwiązać problem ciemnej materii?­ jaki jest faktyczny wymiar czasoprzestrzeni?­ czy wszystkie siły natury jednoczą się dając jedno uniwersalne oddziaływanie?­ dlaczego istnieje tak wiele cząstek?­ dlaczego cząstki maja takie, a nie inne masy?­ czy neutrina sa własnymi antycząstkami? ­ czy naładowane leptony są zawsze cięższe od neutralnych?  ­ jak powstał Wszechświat? ­ dlaczego przeważa w nim materia nad antymaterią?­ dlaczego zachowanie mikroświata tak bardzo odbiega od tego czego doświadczamy w makroświecie?

Wysiłek wielu państw w Europie doprowadził do powstania w latach pięćdziesiątych największego ośrodka badań fizycznych na świecie CERN w Szwajcarii. W tej chwili działa tutaj największy akcelerator zbudowany przez ludzi – LHC (Large Hadron Collider). Zderzając protony z protonami z których każdy ma energię 7000 GeV, wytworzymy warunki jakie mogły panować jedną dziesięciobilionową część sekundy po Wielkim Wybuchu. Planowana jest budowa dużego zderzacza elektronów z ich antycząstkami – pozytonami. Powstanie szereg bardziej precyzyjnych urządzeń badających własności neutrin. To tylko niektóre największe inwestycje planowane w przyszłości.

Badania prowadzone w Zakładzie Teorii Pola i Cząstek Elementarnych (ZTPCE) są związane z poszukiwaniem odpowiedzi na część wyżej przedstawionych pytań w oparciu o dane doświadczalne ze wszystkich większych laboratoriów na świecie.

2. Kadra oraz aktywność naukowa

W ZTPCE zatrudnionych jest kilku pracowników. Badania wspomaga grupa doktorantów i magistrantów. Osoby te współpracują pomiędzy sobą. Mamy wspólne seminaria. Utrzymujemy stałe kontakty z wieloma ośrodkami zagranicznymi (Ateny, Berlin, Bolonia, DESY-Hamburg, DESY-Zeuthen, Frascati, Granada, Karlsruhe, Mainz, Padwa, Saclay, UCLA(USA), Walencja, Würzburg, Madison(USA), Moskwa, Zurich), a także z instytutami w Krakowie i Warszawie. Obecnie uczestniczymy w europejskim programie naukowym LHCPhenoNet http://www.lhcphenonet.eu/, kierownikiem nodu polskiego jest prof. UŚ Janusz Gluza, (poprzednio były to: FLAVIANET (http://ific.uv.es/flavianet, kierownikiem nodu polskiego prof. Henryk Czyż, oraz HEPTOOLS ( http://heptools.web.cern.ch/heptools/ ). Od 1975 roku, co dwa lata organizujemy międzynarodowe konferencje naukowe “Matter to the deepest”, ( http://www.us.edu.pl/~us2011/ ).

Praktycznie wszyscy pracownicy w Zakładzie przebywali na kilkuletnich stażach zagranicznych w różnych ośrodkach naukowych w Europie, staramy się, aby młoda kadra oraz doktoranci i magistranci także uczestniczyła w międzynarodowych badaniach i odbywała staże i szkolenia krajowe i zagraniczne.

Dodatkowe informacje o szczegółach badań, prowadzonych przez nas wykładach i ćwiczeniach, a także inne ciekawe wiadomości można znaleźć na stronie internetowej naszego Zakładu ( http://us.edu.pl/~ztpce/ )

3. Działalność popularnonaukowa

Dużą wagę przywiązujemy do popularyzacji fizyki. Szczegóły naszej aktywności w tym zakresie można znaleźć na stronie internetowej Zakładu. Prowadzimy wiele wykładów dla młodzieży szkolnej, a także radiowe audycje popularnonaukowe. Każdego roku w marcu organizujemy wideokonferencje dla uczniów szkół średnich. Po odpowiednim przygotowaniu na prowadzonych przez pracowników i doktorantów naszego Zakładu warsztatach „MasterClass – Hands on CERN”, które odbywają się w Zakładzie i w Pałacu Młodzieży w Katowicach, uczniowie biorą udział w dyskusji z udziałem swoich rówieśników z różnych państw Europy i Stanów Zjednoczonych. Aktualne informacje na temat „MasterClass”: www.physicsmasterclasses.org.

4. Tematyka badawcza

W badaniach naukowych prowadzonych w Zakładzie uczestniczą pracownicy naukowi, doktoranci i magistranci. Poniżej prezentujemy główne tematy naszej aktywności z podaniem osób zaangażowanych w badania.

1) Precyzyjne obliczenia na potrzeby obecnych i przyszłych akceleratorów leptonowych i hadronowych (Janusz Gluza, Karol Kołodziej, Henryk Czyż)

2) Symulacje Monte Carlo procesów anihilacji elektronów i pozytonów (Henryk Czyż, K. Kołodziej),

3) Opracowanie i rozwijanie różnych technik rachunkowych diagramów wielopętlowych na potrzeby testów Modelu Standardowego (J. Gluza, H. Czyż),

4) Badanie możliwości wykrycia oddziaływań poza MS w procesach z udziałem neutrin (Bartosz Dziewit, Jacek Syska, Marek Zrałek),

5) Badanie przewidywań różnych modeli poza MS (H. Czyż, J. Gluza, K. Kołodziej M. Zrałek),

6) Zastosowanie statystycznej metody Fishera w teorii pola (J. Syska).

Istotą fizyki jest konfrontacja przewidywań teoretycznych z wynikami doświadczeń. Obecna teoria cząstek elementarnych - Model Standardowy - bardzo dobrze zgadza się z doświadczeniem, ale pewne jej założenia są dość arbitralne. Dlatego fizycy intensywnie poszukują nowej, szerszej i doskonalszej teorii. Bez wskazówek doświadczalnych jest to jednak przysłowiowe "poszukiwanie igły w stogu siana". Nowe modele fizyki cząstek elementarnych, które powinny odpowiedzieć na wiele wciąż istniejących pytań, wprowadzają nowe cząstki oraz nowe oddziaływania, a ich eksperymentalna weryfikacja wymaga coraz większych energii wiązek zderzanych w akceleratorach. W takich zderzeniach, w myśl einsteinowskiej zasady równoważności energii i masy, wraz z hipotetycznymi nowymi cząstkami produkowane są setki, a nawet tysiące cząstek już znanych. Aby odróżnić przypadki produkcji nowych cząstek, zwane sygnałem, od reszty przypadków, zwanej tłem, należy przede wszystkim jak najlepiej poznać przewidywania Modelu Standardowego. Tym m.in. zajmujemy się w naszym Zakładzie.

Podstawowym narzędziem używanym w tych badaniach jest Kwantowa Teoria Pola, w języku której sformułowane są teoretyczne modele. Skomplikowane obliczenia łączą w sobie zagadnienia teorii grafów, analizę wielu zmiennych zespolonych, algorytmy algebry komputerowej, a także obliczenia numeryczne. Badania te stanowią więc pomost między fizyką, matematyką i informatyką.

Zajmujemy się różnymi aspektami takiej „konfrontacji teorii z eksperymentem” – tematy badawcze od 1 do 5. Dokładność obliczeń mierzy się rzędem tzw. rachunku zaburzeń albo inaczej liczbą diagramów Feynmana, które należy obliczyć. Wykonujemy rachunki w pierwszym, drugim i trzecim rzędzie. Tego wymaga precyzja doświadczeń, takich jak te, które zaczną funkcjonować przy uruchamianym w tym roku akceleratorze LHC w CERN-ie i innych planowanych w przyszłości. Konieczna duża dokładność komplikuje wykonywane rachunki zmuszając do uwzględniania czasami paru tysięcy poprawek - diagramów Feynmana. Otrzymaliśmy wiele znaczących wyników publikowanych w bardzo dobrych międzynarodowych czasopismach. Wyniki nasze są także wykorzystywane przez większe kolaboracje eksperymentalne.

Tematy 4 i 5 poszukują fizyki poza modelem standardowym nieco w inny sposób. Obserwowane obecnie własności neutrin wskazują w najgorszym wypadku na istnienie nowych oddziaływań przy dużej skali energii – wskazują na unifikacje wszystkich znanych sił w przyrodzie z wyjątkiem grawitacji. Bardziej prawdopodobny jest jednak inny scenariusz – nowe cząstki i nowe

oddziaływania, ogólnie mówiąc tzw. Nowa Fizyka będą już widoczne przy znacznie mniejszych energiach. Wtedy poszukiwanie nowych zjawisk w procesach z udziałem neutrin będzie uzupełnieniem prób ich znalezienia w eksperymentach akceleratorowych. Zajmujemy się też bezpośrednio konstrukcją nowych modeli i poszukiwaniem możliwych do obserwacji doświadczalnych przewidywań kilku modeli istniejących (temat 5).

Konferencja w USTRONIU 2005