Projekti / Programi
Astrofizika osnovnih delcev
01. januar 2015
- 31. december 2021
| Koda |
Veda |
Področje |
Podpodročje |
| 1.02.00 |
Naravoslovje |
Fizika |
|
| Koda |
Veda |
Področje |
| P002 |
Naravoslovno-matematične vede |
Fizika |
| Koda |
Veda |
Področje |
| 1.03 |
Naravoslovne vede |
Fizika |
kozmični žarki ekstremnih energij, hadronske interakcije pri najvišjih energijah, astronomija z gama žarki, črne luknje, nova fizika
Raziskovalci (26)
Organizacije (2)
Povzetek
Predlagani program je usmerjen v študij pojavov na ekstremnih energijskih skalah v naravi. Njegova glavni cilji pa so raziskave kozmičnih žarkov ekstremnih energij (UHECR), gama žarkov zelo visokih energij (VHE) in osnovnih delcev. Raziskovalne dejavnosti bodo potekale v okviru dela mednarodnih znanstvenih kolaboracij Pierre Auger, CTA in Belle2.
Raziskave UHECR bodo potekale skozi udeležbo v mednarodni kolaboraciji Pierre Auger. Dosedanje ugotovitve kolaboracije, kot so n.pr. primer močno pojemanje fluksa kozmičnih žarkov pri energijah nad 55 EeV, anizotropija vpadnih smeri UHECR ter zgornje meje za vrednosti fluksov fotonov in nevtrinov ekstremnih energij, so že prispevale k bistvenemu napredku znanja na področju raziskav kozmičnih žarkov z energijami nad 1 EeV. Ključna odprta vprašanja, kot so n.pr. delčna sestava fluksa UHECR in identiteta njihovih izvorov, bomo proučili v okviru predlaganega programa. V ta namen kolaboracija Pierre Auger pripravlja obsežno nadgradnjo observatorija, ki bo omogočala izboljšane meritve vsebnosti mionov v atmosferskih plazovih in s tem identifikacijo primarnih UHECR. Tako pri fizikalnih analizah kot pri nadgradnji observatorija bo programska skupina prevzela aktivno vlogo, pri čemer se bomo osredotočili na študij delčne sestave fluksa primarnih UHECR ter na študij anizotropije UHECR pri najvišjih energijah.
Raziskave kozmičnih gama žarkov zelo visokih energij (VHE) bodo potekale skozi udeležbo v mednarodnem konzorciju Cherenkov Telescope Array (CTA). Fotoni s temi energijami energij naj bi nastajali kot sekundarni produkt pospeševanja UHECR ter pri njihovih neelastičnih interakcijah s snovjo med razširjanjem po vesolju. V nasprotju z nabitimi kozmičnimi žarki, galaktična in medgalaktična magnetna polja na gama žarke ne vplivajo, kar nam omogoča njihovo sledenje do mesta nastanka. CTA načrtuje izgradnjo dveh teleskopov, tako da bo z njimi pokril celotno nebo; imela bosta večjo občutljivost ter boljšo kotno in energijsko ločljivost od dosedanjih eksperimentov. Že začetne raziskave, ki jih načrtujemo na delno dograjenem observatoriju konec leta 2016, bodo omogočile bistven napredek pri študiju izvorov VHE gama žarkov, mehanizmov pospeševanja in njihove interakcije z medzvezdno snovjo ter lastnosti in raznolikost pospeševanja delcev s črnimi luknjami. Poleg tega bo CTA zaradi izjemno visoke občutljivosti služil tudi kot orodje za iskanje temne snovi, kršitve Lorentzove invariance in izvedbo drugih fundamentalnih fizikalnih testov.
Predlagani znanstveni cilji v obeh kolaboracijah, Pierre Auger in CTA, bodo podprti in komplementirani s teoretsko obravnavo kvantne gravitacije, s poudarkom na teoriji strun, ki je trenutno najboljši kandidat za teorijo velikega poenotenja. Druga komplementarna aktivnost bo nadaljevanje naše udeležbe v kolaboraciji Belle2, ki bo proučila možnost obstoja "nove" fizike preko analize izjemno velike statistike razpadov mezonov B.
Pomen za razvoj znanosti
Osnovni cilj predlaganega nadaljevanja raziskovalnega programa so raziskave fizikalnih pojavov, povezanih z ekstremnimi energijskimi skalami v naravi. Umeščene so v delo mednarodnih znanstvenih kolaboracij s kompetentnimi partnerji, ki med drugim prihajajo iz Evrope, ZDA, Brazilije, Argentine in Japonske. Pričakovana dognanja bodo 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 visoko-energijsko sliko vesolja.
Aktivnosti v okviru Pierre Auger in CTA bomo podprli in dopolnili 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. Fermi-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.
Predlagani raziskovalni program je nenazadnje relevanten tudi za integracijo Slovenije v raziskovalne prioritete in raziskovalne projekte Evropske unije in širše. K razvoju oziroma nadgradnji observatorijev Pierre Auger Cherenkov in Telescope Array bodo največ prispevale institucije iz Evropske unije, zato bomo aktivnosti programske skupine koordinirali z delom naših 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 predlaganega 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 tehnicˇnem 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
2015,
vmesno poročilo
Najpomembnejši družbeno–ekonomsko in kulturno relevantni rezultati
Letno poročilo
2015,
vmesno poročilo
