Projekti / Programi
Astrofizika osnovnih delcev
01. januar 2009
- 31. december 2014
| Koda |
Veda |
Področje |
Podpodročje |
| 1.02.00 |
Naravoslovje |
Fizika |
|
| Koda |
Veda |
Področje |
| P211 |
Naravoslovno-matematične vede |
Interakcije pri visokih energijah, kozmični žarki |
| Koda |
Veda |
Področje |
| 1.03 |
Naravoslovne vede |
Fizika |
kozmični žarki, astrofizika, osnovni gradniki snovi, kozmologija, simetrije, LIDAR
Raziskovalci (19)
Organizacije (2)
Povzetek
Mednarodna kolaboracija P. Auger gradi detektor za merjene pljuskov, ki jih kozmični žarki povzročijo v atmosferi. Ker je fluks kozmičnih žarkov z energijami nad 10 na 20 eV zelo majhen (1/km2/stoletje) ter velikost pljuska na tleh okoli 10 km, je potrebno zgraditi detektor, ki pokriva čim večjo prostornino v atmosferi. Observatorij Pierre Auger bo sestavljen iz dveh tipov detektorjev. Talni detektorji Čerenkova bodo pokrivali površino 3.000 km2 in vzorčevali pljusk na nadmorski višini 1.400 m. Štirje fluorescenčni detektorji bodo merili fluoresčenčno sevanje vzdolž pljuska nad talnimi detektorji. Eksperiment Pierre Auger bo 10 krat večji od ostalih in bo edini hibridni detektor z dvema eksperimentalnima načinoma merjenja.
Raziskovalno delo slovenske skupine bo obsegalo več področij: gradnja sistemov LIDAR za merjejnje lastnosti atmosfere, razvoj sistema za avtomatsko vodenje detektorjev in zajemanje podatkov, on-line analiza podatkov, kalibracija fluorescenčnega detektorja, analiza pljuskov hibridnega detektorja, Monte-Carlo simulacije razvoja pljuskov in sprejemnosti detektorjev, analiza spektra in izvora kozmičnih žarkov ter analiza modelov propagacije kozmičnih žarkov po vesolju.
Težisče analize pljuskov kozmičnih žarkov bo razumevanje njihovega spektra. Pri Observatoriju Pierre Auger bo posebnega pomena analiza podatkov iz obeh tipov detektorjev saj skupni dogodki nudijo edinstven način študija sistematskih napak, ki so bile pri dosedanjih eksperimentih slabo proučene. Iz medsobojne primerjave simulacij in podatkov bo mogoče sklepati tudi o začetnih interakcijah pri težiščnih energijah do 1.000 TeV, kar je stokrat več od energij, ki jih lahko dosežejo največji pospeševalniki.
Ker visokoenergijski kozmični žarki na poti od izvora do zemlje zaradi magnetnih polj le malo spremenijo smer, bo analiza vpadnih smeri omogočila študij izvorov in načina pospeševanja. Ločevanje med izotropnimi in točkastimi izvori bo bistveno prispevalo k odgovorom na vprašanja o vrsti delcev in načinih njihovega pospeševanja.
Mednarodna kolaboracija BELLE deluje na trkalniku KEK v Tsukubi na Japonskem. Simetrija CP je od že leta 1973 kot intrinsična lastnost elektro-šibke interakcije vgrajena v Standardni model. V naravi naj bi se manifestirala v raznih procesih, ne samo pri razpadih mezonov K, kjer je bila odkrita. Potrditev je zaradi težavnosti meritve prišla šele leta 2001, ko je izrecno temu cilju namenjen eksperiment BELLE, kot eden izmed prvih izmeril kršitev CP pri razpadih mezonov B. Ta se v okviru merskih napak ujema z napovedmi Standardnega modela. Kljub ujemanju pa zaradi velike količine prostih modelskih parametrov in zaradi eksperimentalno nepotrjenega mehanizma, ki pojasnjuje mase osnovnih delcev, večina znanstvenikov dvomi, da je Standardni model zares fundamentalna slika sveta. Natančnejše meritve kršitve simetrije CP so posredno občutljive na morebitne nove delce in nove fizikalne procese, ki jih Standardni model ne zajema in ki se bodo kazali kot odstopanja meritev od napovedanih vrednosti. Šele ko bomo bolje razumeli, kaj se dogaja med najmanjšimi gradniki vesolja, bomo boljše razumeli njegovo celotno sliko. Eksperiment bo v naslednjem petletnem obdobju zajemal podatke, naše delo pa bo osredotočeno na analizo podatkov ter študiju vpliva simetrij na dogajanje v vesolju.
Mednarodna kolaboracija DELPHI, ki deluje v Evropskem centru za fiziko delcev v Ženevi, Švica, končuje svoje delo. V naslednjih dveh letih se bomo ukvarjali z iskanjem morebitnih novih osnovnih delcev in iskali morebitne povezave z obstojem kozmičnih žarkov pri ekstremno visokih energijah.
Pomen za razvoj znanosti
Osnovni cilj raziskovalnega programa so bile raziskave fizikalnih pojavov, povezanih z ekstremnimi energijskimi skalami v naravi. Umeščene so bile v delo mednarodnih znanstvenih kolaboracij s kompetentnimi partnerji, ki med drugim prihajajo iz Evrope, ZDA, Brazilije, Argentine in Japonske. Pričakovana dognanja so imela izjemen pomen za znanost nasploh, še posebej pa za fiziko osnovnih delcev, kozmologijo in astrofiziko. Raziskave kozmičnih žarkov ekstremnih energij (UHECR) in njihovih interakcij v Zemeljski atmosferi pri energijah, ki več kot 10-krat presegajo tiste, dosegljive na trkalniku LHC, je ena izmed prioritet v bazični znanosti, saj nam omogoča vpogled v procese, ki s sedanjo tehnologijo nikoli ne bodo dosegljivi v laboratorijih. Analiza in interpretacija delčnih podatkov o UHCER, zbranih z observatorijem Pierre Auger, je nemara res težavnejša meritev na delčnih trkalnikih, vendar zaradi edinstvene priložnosti znanstveni javnosti prestavlja velik izziv. Iskanje izvorov in načinov pospeševanja UHECR, ki je ena od prioritet observatorija, nam lahko razjasni mehanizme energijsko najbolj intenzivnih pojavov v naravi. Povezana dejavnost so raziskave gama žarkov visokih energij (VHEGR). Ker potujejo premočrtno, neodvisno od vmesnih magnetnih polj, bi lahko ključno prispevali k določitvi izvorov VHEGR in UHECR, ki so po vsej verjetnosti povezani. Naša udeležba v projektu Cherenkov Telescope Array (CTA), iniciativi za izgradnjo talnega observatorija za detekcijo gama žarkov visokih energij, je korak v to smer. Pričakujemo, da bodo rezultati CTA bistveno izboljšali današnjo sliko visoko-energijskega vesolja. Aktivnosti v okviru Pierre Auger in CTA podpiramo in dopolnjujemo s teoretskimi študijami. Razumevanje pojava črnih lukenj in začetnih stopenj razvoja vesolja je v zadnjih letih doživelo velik napredek, še posebej zaradi ugotovitev eksperimentov kot je n. pr. Planck-LAT. Na področjih kvantne gravitacije, črnih lukenj in kozmologije smo tako prvič v položaju, da lahko na podlagi eksperimentov izločimo neustrezne modele, s čemer se povečujejo možnosti za teoretski preboj in za ustreznejšo interpretacijo novih meritev. Sodobna dognanja na področju fizike osnovnih delcev so n. pr. potrdila mehanizem izvora mase osnovnih delcev in kršitve diskretne simetrije CP, vendar hkrati odpirajo nova vprašanja o obstoju t.i. "nove" fizike izven ustaljenega Standardnega modela osnovnih delcev in interakcij med njimi. V okviru programa bomo raziskave na področju osnovnih delcev nadaljevali v mednarodni kolaboraciji Belle2, ki se bo osredotočala na meritve lastnosti razpadov B mezonov, nastalih pri trkih elektronov in pozitronov v trkalniku SuperKEKB napravi z največjo luminosnostjo na svetu. Pričakujemo, da bodo rezultati močno in na fundamentalnem nivoju vplivali na razumevanje fizike osnovnih delcev in kozmologije, saj bi po pričakovanjih lahko odkrili n. pr. nov simetrijski mehanizem na višji energijski skali, odgovoren za izmerjene hierarhične lastnosti matrike CKM, oziroma nove mehanizme za asimetrijo snov -- anti-snov v naravi, ki je kršitev CP v Standardnem modelu ne more pojasniti. Raziskovalni program je bil nenazadnje relevanten tudi za integracijo Slovenije v raziskovalne prioritete in raziskovalne projekte Evropske unije. K nadalnjem razvoju oziroma nadgradnji observatorijev Pierre Auger Cherenkov Telescope Array, na katerih delujemo, bodo največ prispevale institucije iz Evropske unije (Nemčije, Francije in Italije), zato bomo tudi v naprej aktivnosti programske skupine koordinirali z delom naših kolaboracijskih partnerjev in skupaj nastopali tudi pri prijavah na evropske projekte v okviru Horizon 2020 in drugih relevantnih mehanizmov financiranja.
Pomen za razvoj Slovenije
Neposredni pomen in korist programa za slovensko gospodarstvo in družbo leži v možnosti prenosa znanja in state-of-the art tehnologij, razvitih za uporabo v mednarodnih kolaboracijah, n.pr. Observatoriju Pierre Auger (PAO) v Argentini v komercialno in družbeno koristno uporabo v Sloveniji, pri čemer smo bili že do sedaj zelo uspešni. Konkretno, kot spin-off osnovnih raziskav na PAO (lidarska karakterizacija atmosfere kot detektorskega medija observatorija, sinhronizacija talnega detektorskega sklopa z GPS signali) je Laboratorij za astrofiziko osnovnih delcev Univerze v Novi Gorici skupaj s Centrom za raziskave atmosfere in Agencijo RS za okolje na Otlici nad Ajdovščino postavil prvi lidarski observatorij v Sloveniji, ki je bil med drugim uporabljen za sledenje Islandskega vulkanskega pepela in daljinske meritve njegovih lastnosti leta 2010. Sami smo razvili tudi Ramanski lidar za daljinske meritve profilov vodne pare ter v sodelovanju s slovensko industrijo (Optotech, Fotona) tudi trikanalni mobilni lidar za sledenje in identifikacijo aerosolov, proučujemo pa tudi vpliv ionosferskih motenj na GPS sprejemnike in možnost njihove odprave, kar je imelo velik pomen v času povečane sončeve aktivnosti v letih 2012-2013. Vse razvite naprave že dajejo ne le znanstvene ampak tudi širše družbeno koristne rezultate. Trenutno smo v fazi dogovarjanja s slovenskimi gospodarskimi subjekti, da bi prenešeno in doma ustvarjeno znanje prenesli v industrijo. Te dejavnosti bomo v okviru predlaganega projekta še razširili in intenzivirali. Posredni pomen predlaganega programa za družbo je aktivno in enakopravno sodelovanje slovenskih znanstvenikov in študentov v v vrhunskih svetovnih znanstvenih in tehnoloških raziskavah. Mednarodni uspeh predlaganega in podobnih projektov pomeni hkrati tudi priznavanje Slovenije kot visokotehnološke in napredne države, kar nadalje stimulira naše globalne ekonomske in finančne povezave. Nadaljevanje programa bo omogočilo prenos vrhunskega znanja v Slovenijo, še posebej pa bo omogočilo boljše razumevanje osnovnih interakcij v naravi, vključno z gravitacijo, katere delovanje zaenkrat najmanj razumemo. Rezultati programa bodo družbeno koristni na več nivojih, med njimi tudi na kulturnem in tehničnem nivoju, saj globlje razumevanje določenih pojavov vedno privede do razvoja novih orodij, ki v splošnem smislu služijo celotni družbi in civilizaciji.
Najpomembnejši znanstveni rezultati
Letno poročilo
2009,
2010,
2011,
2012,
2013,
zaključno poročilo,
celotno poročilo na dLib.si
Najpomembnejši družbeno–ekonomsko in kulturno relevantni rezultati
Letno poročilo
2009,
2010,
2011,
2012,
2013,
zaključno poročilo,
celotno poročilo na dLib.si
