Welcome to the Repository of the Institute of Nuclear Physics PAN
The repository of the Institute of Nuclear Physics Polish Academy of Sciences collects, stores and shares documents that are the result of research work of the Institute's employees and doctoral students. Its purpose is to disseminate the scientific achievements of employees and promote scientific research conducted at the Institute. Access to bibliographic descriptions of deposited works and to the full texts of documents archived in the Repository of IFJ PAN is by default open to all users.
Communities in the Repository
Recent Submissions
Studies of Diffractive Jet-Gap-Jet Events using √s = 13.6 TeV ATLAS Data
(The Henryk Niewodniczański Institute of Nuclear Physics Polish Academy of Sciences, 2025) Patel, Pragati; Chwastowski, Janusz; Trzebiński, Maciej; Ciborowski, Jacek; Łuszczak, Marta; Szumlak, Tomasz
Zbadanie właściwości procesu produkcji układu dżet-przerwa-dżet jest bardzo interesujące zarówno z punktu widzenia eksperymentu jak i teorii. Po dokonaniu pierwszych obserwacji opartych o dane zgromadzone przez detektory CDF oraz D0 [4, 5] na akceleratorze Tevatron pomiar został przeprowadzony z wykorzystaniem danych zgromadzonych przez eksperymenty na LHC. Dla przykładu, pierwsza publikacja Współpracy ATLAS na ten temat oparta była o weto na obecność dżetu w tak zwanej przerwie w pseudopospieszności [6]. Z kolei Współpraca CMS opublikowała wynik pomiaru procesu tzw. dyfrakcyjnej produkcji dżet-przerwa- dżet [7]. Należy jednak nadmienić, że pomiary te, wykonane przy energiach w układzie środka masy 7 oraz 13 TeV, były obarczone dużą niepewnością. Ponadto, proces produkcji układu dżet-przerwa-dżet w procesie z podwójną wymianą Pomeronu, postulowany w Ref. [8], nie został nigdy zmierzony. Powyższe fakty stanowią mocną podstawę i motywację dla wykonania pomiaru procesu produkcji dżetów z przerwą w pseudopospieszności używając danych dostarczonych przez LHC przy energii zderzeń √s = 13.6 TeV.
Analiza przestawiona w niniejszej dysertacji została oparta o dane zebrane pod- czas jednego ze specjalnych naświetlań detektora ATLAS na LHC wykonanych w 2022 roku. Ustawienia punktu pracy akceleratora skutkowały średnim prawdopodobieństwem oddziaływania proton-proton podczas przecięcia się wiązek na poziomie 0.05. Bazując na doświadczeniach z analizy danych zebranych przy energii 13 TeV, taki zestaw danych (w tym wypadku ATLAS run 428770) powinien zapewnić dużą czystość próbki. Dodatkowo scałkowana świetlność wynosząca prawie 30 nb−1 daje nadzieję na wykonanie obserwacji o dużej znaczności statystycznej.
Sygnaturą procesu dżet-przerwa-dżet jest obecność co najmniej dwóch dżetów odseparowanych od siebie tak zwaną przerwą w pseudopospieszności. Eksperymentalnie, taka przerwa definiowana jest jako brak widocznej w detektorze aktywności (zrekonstruowanych śladów lub energii powyżej pewnego poziomu) w danym obszarze pseudopospieszności. W przypadku procesu dyfrakcyjnej produkcji dżet-przerwa-dżet sygnaturą jest dodatkowo obecność protonu rozproszonego pod małym kątem. Proton taki po oddziaływaniu poruszą się wewnątrz rury próżniowej akceleratora i może zostać zarejestrowany przy użyciu dedykowanych detektorów. W niniejszym przypadku są to detektory ATLAS Forward Proton (AFP).
Niniejsza rozprawa została skomponowana w następujący sposób. Pierwszy rozdział stanowi krótkie wprowadzenie do chromodynamiki kwantowej potrzebnej do zrozumienia procesu produkcji dżetów z przerwą w pseudopospieszności. Rozdział 2 zawiera krótki opis akceleratora LHC, który dostarczył danych do omawianego pomiaru. Szczególny nacisk został położony na opis otoczenia punktu oddziaływania eksperymentu ATLAS, który jest kluczowy do zrozumienia kinematyki rozproszonych protonów. Rozdział ten zawiera również opis aparatury użytej do pomiarów – detektora ATLAS. Oprócz zwyczajowego opisu „centralnej” części eksperymentu koniecznej do rekonstrukcji dżetów oraz przerwy w pseudopospieszności, obszerniej omówione zostały zagadnienia poświęcone pomiarowi rozproszonych protonów w detektorach AFP. Rozdział 3 poświęcony jest rozważaniom na temat wyboru odpowiedniej próbki danych do analizy. Znaczna jego część jest poświęcona opisowi własności, w szczególności jakości, zebranych danych. Natomiast własności odpowiednich próbek Monte Carlo są pokrótce przedstawione w rozdziale 4. Najobszerniejszą część rozprawy stanowi rozdział 5, w którym w szczegółach zostały opisane aspekty rekonstrukcji obiektów użytych w analizie: dżetów, prz- erwy w pośpieszności definiowanej w opartciu o zrekonstruowane ślady jak i klas- try w kalorymetrach, protonów. Rozdział rozpoczyna się analizą wydajności trygerów użytych do selekcji przypadków. W przypadku analizy niedyfrakcyjnej – bez tagowanego protonu – argumentowana jest konieczność połączonego użycia dwóch trygerów, w zależności od pędu poprzecznego wiodącego dżetu. Jest to podyktowane użyciem na poziomie trugera czynników skalujących (prescale) oraz efektywności zastosowanych algo- rytmów trygerowych. W przypadku procesów dyfrakcyjnej produkcji, rekomendowane zostało użycie trygera opartego o obecność protonu w detektorze AFP oraz dżetu. Tryger ten, pomimo niewydajności związanej z tagowaniem protonu, wynoszącej 91.25 ± 0.29 oraz 45.92 ± 0.13 w zależności o tego czy proton jest po stronie A czy C detektora ATLAS, oferuje zapis największej ilości przypadków. Rozdział 5 zawiera również obszerną dyskusję na temat kalibracji oraz wydajności rekonstrukcji detektora AFP. Szczególnie interesująca jest oczekiwana precyzja odwikłania energii protonu, która wynosi δξ/ξ ≈ 1%. Nie mniej ważna jest akceptancja detektora AFP, która pozwala na zarejestrowanie protonów które straciły pomiędzy 0.03 a 0.09 swojej początkowej energii. Duża cześć rozdziału została poświęcona rekonstrukcji „centralnych” obiektów takich jak ślady cząstek naładowanych, energia deponowana w kalorymetrze oraz dżety. W szczególności, w przypadku tej ostatniej, konieczne było wykonanie dedykowanej kalibracji.
Mając opracowane charakterystyki kluczowych obiektów, możliwe było rozpoczęcie analizy danych pod kątem poszukiwania przypadków z przerwą w pseudopospieszności. Opis ten stanowi treść rozdziału 6. Na początek, na bazie wygenerowanych próbek Monte Carlo, przeprowadzone zostały rozważania różnych definicji przerwy w pseudopospieszności. Na ich podstawie przeprowadzona została selekcja przypadków w danych eksperymentalnych. Wymaganie obecności co najmniej dwóch dżetów o pędzie poprzecznym co najmniej 30 GeV oraz 20 GeV, mających pseudopospieszność przynajmniej |η| > 1.5, znajdujących się w przeciwnych hemisferach (ηJ1 × ηJ2 < 0) oraz przerwy w pseudopospieszności zdefiniowanej jako brak zrekonstruowanych śladów oraz klastrów o sumie energii większej niż 2 GeV w obszarze |η| < 1, poskutkowało wyłonieniem 234 przypadków- kandydatów o sygnaturze dżet-przerwa-dżet. Uwzględniając świetlność wynoszącą 29.65 ± 0.44 nb−1, przekrój czynny został oszacowany na: fid ND JGJ = 7.9 ± 0.5 nb. Rozdział 6 zawiera również opis selekcji dyfrakcyjnych przypadków produkcji dżetów, która w świetle opisywanej analizy dżet-przerwa-dżet stanowi krok pośredni do identyfikacji przypadków z tagowanym protonem. Selekcja przypadków została oparta o wymagania dżetów o odpowiednim pędzie poprzecznym (min. 30/20 GeV), ograniczeniu na liczbę zrekonstruowanych wierzchołków oraz związki kinematyczne pomiędzy energią zdeponowaną w kalorymetrze oraz odwikłaną z położenia protonu w AFP. Po zastosowaniu powyższych wymagań, zaobserwowano 4011 oraz 1328 przypadków z protonem tagowanym odpowiednio po stronie A oraz C. Analiza oparta o próbki Monte Carlo sugeruje obecność znacznej domieszki tła pochodzącego od przypadków niedyfrakcyjnych. Należy jednak nadmienić, że może one zostać zredukowane po zaadresowaniu zaobserwowanych problemów z rekonstrukcją wierzchołka oddziaływania. Złożenie selekcji opisanych powyżej zaowocowało wyłonieniem kandydatów o sygnaturze dyfrakcyjnej produkcji dżet-przerwa-dżet z pojedynczym tagowaniem protonu. W analizowanej próbce danych znaleziono 7 takich przypadków, co przekłada się na oszacowanie przekroju czynnego na poziomie:
• σfid SD JGJ, A = 0.19 ± 0.08 nb dla protonu tagowanego po stronie A,
• σfid SD JGJ, C = 0.15 ± 0.10 nb dla protonu po stronie C.
Właściwą cześć rozprawy kończy podsumowanie otrzymanych wyników wraz z wykazem rekomendacji odnośnie przyszłej analizy danych. Ponadto, w dodatkach obszernie opisane zostały techniczne aspekty studiów wydajności wykonanie podczas doktoratu: zagadnienie znalezienia tzw. „prawdziwej’’ optyki LHC oraz wpływ efektu rotacji stacji AFP na odwikłanie energii protonu. Ostatni załącznik stanowi krótki opis studiów wykonanych na potrzeby potencjalnego użycia „rzymskich garnków” na akceleratorze High Luminosity LHC.
The study of the properties of the jet-gap-jet production process is of great interest from both experimental and theoretical perspectives. Following the initial observations made using data collected by the CDF and D0 detectors [1, 3] at the Tevatron accelerator, measurements have also been performed using data from experiments at the LHC. For example, the first publication by the ATLAS Collaboration on this topic employed a veto on the presence of a jet within the so-called pseudorapidity gap [2]. In turn, the CMS Collaboration published the result of the measurement of the diffractive jet-gap-jet production process [5]. It should be noted, however, that these measurements, performed at centre-of-mass energies of 7 and 13 TeV, were affected by large uncertainties. Furthermore, the production process of the jet-gap-jet system in the double Pomeron exchange process, postulated in [4], has yet to be measured. These observations strongly motivate the measurement of jet-gap-jet production using data from the LHC at a collision energy of √ s = 13.6 TeV.
The analysis presented in this dissertation is based on data collected during one of the special exposures of the ATLAS detector at the LHC performed in 2022. The accelerator operating point settings resulted in an average probability of proton-proton interaction during beam intersection of 0.05. Based on experience from the analysis of data collected at an energy of 13 TeV, such a data set (specifically, ATLAS run 428770) should ensure high sample purity. Additionally, the integrated luminosity of almost 30 nb−1 % of the collected data offers the potential for observations with high statistical significance. The signature of the jet-gap-jet process is the presence of at least two jets separated from each other by the so-called pseudorapidity gap. Experimentally, such a gap is defined as the lack of visible activity in the detector (i.e., reconstructed tracks or energy above a certain level) in a given pseudorapidity region. In the case of the diffractive jet-gap-jet production process, the signature additionally includes the presence of a proton scattered at a small angle. After the interaction, this proton continues to travel inside the accelerator vacuum tube and can be detected using dedicated detectors —-in this case, the ATLAS Forward Proton (AFP) detectors. This dissertation is organized as follows. Chapter 1 provides a brief introduction to quantum chromodynamics needed to understand the process of producing jets with a pseudorapidity gap. Chapter 2 contains a short description of the LHC accelerator, which delivered data for the discussed measurement with particular emphasis on the environment of the ATLAS experiment’s interaction point, crucial to understanding the kinematics of scattered protons. This chapter also describes the equipment used for the measurements - the ATLAS detector. In addition to the general overview of the “central” part of the experiment necessary for reconstructing jets and the pseudorapidity gap, it discusses in more detail the measurement of scattered protons using the AFP detectors. Chapter 3 focuses on the selection of an appropriate data sample for analysis. A significant part of it is devoted to the description of the properties, dedicating a significant portion to describing the properties and, in particular, the quality of the collected data. Chapter 4 briefly presents the properties of the corresponding Monte Carlo samples. The most extensive part of the thesis is Chapter 5, which details various aspects of the reconstruction of objects used in the analysis: jets, the rapidity gap defined based on the reconstructed tracks and clusters in calorimeters, and protons. The chapter begins with an analysis of the efficiency of triggers used for event selection. In the case of non-diffraction analysis – without a tagged proton – the need for the combined use of two triggers arises depending on the transverse momentum of the leading jet. This is dictated by the use of scaling factors (prescale) at the trigger level and the efficiency of the employed trigger algorithms. For diffractive production processes, it is recommended to use a trigger based on the detection of a proton in the AFP detector along with a jet. Despite the inefficiency of proton tagging, which is 91.25 ± 0.29 and 45.92 ± 0.13 depending on whether the proton is on the A or C side of the ATLAS detector, this trigger delivers the largest number of events. Chapter 5 also includes a comprehensive discussion of the calibration and reconstruction efficiency of the AFP detector. Of particular interest is the expected precision of the proton energy measurement, which is δξ/ξ ≈ 1%. Equally important is the acceptance of the AFP detector, which allows the detection of protons that have lost between 0.03 and 0.09 of their initial energy.
A significant part of the chapter is devoted to the reconstruction of “central” objects such as tracks of charged particles, energy deposited in the calorimeter and jets. For jets, in particular, a dedicated calibration was required. Once the characteristics of these key objects were established, the analysis of the data could begin, aiming to identify events featuring a pseudorapidity gap. This topic is addressed in Chapter 6. Initially, various definitions of the pseudorapidity gap were examined using generated Monte Carlo samples. Based on these studies, a selection of relevant events within the experimental data was performed.
The selection criteria required the presence of at least two jets with transverse momenta of at least 30 GeV and 20 GeV, respectively, with pseudorapidities satisfying |η| > 1.5. The jets were also required to be located in opposite hemispheres (ηJ1 × ηJ2 < 0). Additionally, a pseudorapidity gap was defined as the absence of reconstructed tracks and clusters with a total energy greater than 2 GeV within the |η| < 1 region.
Applying these criteria resulted in the selection of 234 candidate events with a jet-gap-jet signature. Considering the luminosity of 29.65 ± 0.44 nb−1, the cross section was estimated to be: σfid ND JGJ = 7.9 ± 0.5 nb. Chapter 6 also describes the selection of diffraction jet production events, which, in the context of the jet-gap-jet analysis, is an intermediate step to the identification of events with a tagged proton. The event selection required the presence of jets with transverse momentum of at least 30 and 20 GeV, a constraint on the number of reconstructed vertices, and kinematic relations between the energy deposited in the calorimeter and derived from the proton position in the AFP. After applying these requirements, 4011 and 1328 events were observed with the proton tagged on the A and C sides, respectively. Analysis based on Monte Carlo samples suggests a significant background contribution from nondiffractive events. However, this can be reduced by addressing the observed problems with the interaction vertex reconstruction. The combination of the selection criteria described above resulted in the selection of candidates exhibiting a diffraction signature of jet-gap-jet production with a single tagged proton. In the analyzed data sample, seven such events were found, corresponding to the estimated cross-section of:
• σfid SD JGJ, A = 0.19 ± 0.08 nb for the proton tagged on side A,
• σfid SD JGJ, C = 0.15 ± 0.10 nb for the proton on side C.
The main part of the thesis ends with a summary of the obtained results, together with a set of recommendations for future data analysis. Additionally, the technical aspects of performance studies carried out during this doctoral studies are extensively described in the appendices. These include the problem of determining the so-called “true” LHC optics and the impact of the AFP station rotation on the proton energy reconstruction. The last appendix provides a brief description of studies investigating the potential use of “Roman pots” at the High Luminosity LHC accelerator.
References
[1] F. Abe et al. “Events with a rapidity gap between jets in ¯pp collisions at √s = 630 GeV”. In: Phys. Rev. Lett. 81 (1998), pp. 5278–5283. doi: 10.1103/PhysRevLett.81.5278.
[2] ATLAS Collaboration. “Measurement of dijet production with a veto on additional central jet activity in pp collisions at √s = 7 TeV using the ATLAS detector”. In: JHEP 2011.9 (Sept. 2011). issn: 1029-8479. doi: 0.1007/jhep09(2011)053. url: http://dx.doi.org/10.1007/ JHEP09(2011)053.
[3] F. Abe et al. “Dijet production by color - singlet exchange at the Fermilab Tevatron”. In: Phys. Rev. Lett. 80 (1998), pp. 1156–1161. doi: 10.1103/PhysRevLett.80.1156.
[4] C. Marquet et al. “Gaps between jets in double-Pomeron-exchange processes at the LHC”. In: Phys. Rev. D 87.3 (Feb. 2013). issn: 1550-2368. doi: 10 . 1103 / physrevd . 87 . 034010. url: http://dx.doi.org/10.1103/PhysRevD.87.034010.
[5] TOTEM, CMS Collaboration. “Hard color-singlet exchange in dijet events in proton-proton collisions at √s = 13 TeV”. In: Phys. Rev. D 104 (2021), p. 032009. doi: 10.1103/PhysRevD.104. 032009. arXiv: 2102.06945 [hep-ex].
Search for Λ_C^+→pe^± μ^∓decays at LHCb
(The Henryk Niewodniczański Institute of Nuclear Physics Polish Academy of Sciences, 2025) Malczewski, Jakub; Witek, Mariusz; Fiorini, Massimiliano; Bołd, Tomasz; Konecki, Marcin; Łagoda, Justyna
Niniejsza rozprawa przedstawia poszukiwanie rozpadów powabnych barionów, zachodzących z naruszeniem zasady zachowania liczby leptonowej, Λ+c → pe+μ− and Λ+c → pe−μ+, oraz ich sprzężeń ładunkowych. Analiza oparta jest na danych eksperymentalnych pochodzących ze zderzeń protonów przy energii w układzie środka masy wynoszącej 13 TeV, zebranych przez eksperyment LHCb i odpowiadających zintegrowanej ´świetlności około 5.4 fb−1. Poszukiwane rozpady są praktycznie zabronione w Modelu Standardowym, co czyni je czułymi na efekty spoza Modelu Standardowego. Zaobserwowanie znaczącego sygnału rozpadów Λ+c → pe±μ∓ stanowiłoby jednoznaczny efekt Nowej Fizyki.
Największym wyzwaniem w przeprowadzonej analizie jest identyfikacja i redukcja tła. Głównymi ´źródłami tła są częste rozpady Λ+c → pπ+π−, w których piony są błędnie zidentyfikowane jako leptony, a także przypadkowe kombinacje pe±μ∓. Do ich stłumienia wykorzystane są modele klasyfikacji wielowymiarowej opartej na zmiennych kinematycznych, topologicznych oraz identyfikacji cząstek. Rozpady sygnałowe są identyfikowane przy użyciu zrekonstruowanej masy barionów Λ+c , m(Λ+c ). Wydajności selekcji rozpadów sygnałowych, a także tych błędnie zidentyfikowanych, są oszacowane przy pomocy skalibrowanych symulacji. Oczekiwane liczby przypadków tła kombinatorycznego, a także jego kształt są wyznaczone poprzez dopasowania do rozkładów m(Λ+c ) poza obszarem sygnałowym oraz do danych uzyskanych ze złych kombinacji ładunkowych pe±μ±. Rozpady Λ+c → pϕ, gdzie ϕ → μ+μ−, stanowią rozpady referencyjne, względem których mierzone są stosunki rozgałęzień rozpadów sygnałowych. Selekcja w przestrzeni rozpiętej przez wynik wielowymiarowego klasyfikatora, a także zmienne identyfikacyjne elektronu i mionu, jest zoptymalizowana tak aby uzyskać najlepsze (t.j. najniższe) górne ograniczenia na częstości rozpadów sygnałowych. Ograniczenia te są wyznaczane z wykorzystaniem metody statystycznej CLs. Aby uniknąć nieprawidłowości eksperymentalnych, analiza jest prowadzona z zaślepionym obszarem sygnałowym w rozkładzie m(Λ+c ), aż do sfinalizowania metod pomiarowych i wyboru optymalnej selekcji. Nie zaobserwowano znaczącego sygnału dla poszukiwanych rozpadów, a górne ograniczenia na ich stosunki rozgałęzień, wyznaczone na poziomie ufności 90%, są następujące: B(Λ+c → pe+μ−) < 7.7 × 10−8 oraz B(Λ+c → pe−μ+) < 9.5 × 10−8.
Pomiar jest zdominowany przez niepewności statystyczne, natomiast głównym źródłem niepewności systematycznych jest niepewność częstości dla rozpadów referencyjnych. Wyznaczone graniczenia są o około dwa rzędy wielkości lepsze niż te pochodzące z wcześniejszych poszukiwań przez eksperyment BaBar. Prezentowana analiza jest jednym z najbardziej czułych poszukiwań efektów Nowej Fizyki w sektorze powabu. Ponadto, niniejsza rozprawa prezentuje również wkład do opracowania i budowy detektora Magnet Stations, w szczególności wkład do rozbudowy jego oprogramowania i symulacji. Ten detektor jest planowany jako część detektora LHCb w jego kolejnej fazie Upgrade II, i ma na celu poprawę rekonstrukcji cząstek o niskich pędach. Zwiększy on czułość wielu badań w sektorze powabu, w tym również przyszłe poszukiwania rozpadów Λ+c → pe±μ∓.
This thesis presents the search for the lepton-flavour violating decays of the charmed baryon, Λ+ → pe+µ− and Λ+ → pe−µ+, and their charge conjugates. It is performed using 5.4 fb−1 of the pp collision data, collected at the centre-of-mass energy of 13 TeV by the LHCb experiment. These decays are effectively forbidden within the Standard Model, which makes them sensitive probes for effects beyond the Standard Model. Finding any significant Λ+ → pe±µ∓ signal would be a clear sign of New Physics.
The primary challenge in this study lies in identifying and suppressing background. The dominant background stems from frequent Λ+ → pπ+π− decays, with pions misidentified as leptons, and from random pe±µ∓ combinations. Multivariate classification models based on kinematical, topological and particle-identification observables are employed to reduce these backgrounds. Signal decays are identified with the reconstructed mass of the Λ+ candidates, m(Λ+). The selection efficiencies for the signal and misidentified decays are determined using the calibrated simulations. Expected yields and shapes of the combinatorial background are estimated through fitting the data in the m(Λ+) sidebands, as well as the data with the wrong-charge pe±µ± combinations. The decay Λ+ → pϕ, with ϕ → µ+µ−, is chosen as the reference channel, with respect to which the branching fractions of the signal decays are measured. Selection requirements on the multivariate classifier output, and electron and muon identifications are optimised to provide the best (i.e. lowest) upper limits on B(Λ+ → pe±µ∓). These limits are calculated using the CLs statistical method. To avoid any experimental bias, the analysis is conducted with the m(Λ+) signal region blinded until the methods have been established and the final selection optimised. No significant signal has been observed, and the upper limits at 90% confidence level are set as: B(Λ+c → pe+μ−) < 7.7 × 10−8, and B(Λ+c → pe−μ+) < 9.5 × 10−8.
They are dominated by the statistical uncertainty, while the largest systematic contribution comes from the branching fraction of the reference channel. The measured limits improve those previously set by the BaBar experiment by about two orders of magnitude. The presented study is one of the most sensitive New Physics searches performed so far in the charm sector.
In addition, the thesis also presents a contribution into the development of Magnet Stations, in particular various software and simulation studies. The Magnet Stations subdetector is planned by the LHCb experiment for its Upgrade II, in order to improve the reconstruction of low- momentum particles. It will increase sensitivities of many charm studies, including future
searches for Λ+ → pe±µ∓ decays.
In-situ liquid cell TEM synthesis, dissolution and Au decoration of CexOy nanoaggregates with various oxidation states studied by XANES and STXM
(The Henryk Niewodniczański Institute of Nuclear Physics Polish Academy of Sciences, 2025) Tarnawski, Tomasz; Parlińska-Wojtan, Magdalena; Depciuch-Czarny, Joanna; Smalc-Koziorowska, Julita; Kret, Sławomir; Kossacki, Piotr
Transmisyjna mikroskopia elektronowa z komórką cieczową (LC-TEM) jest jedną z najbardziej zaawansowanych technik obrazowania i analizy nanostruktur. Umożliwia rejestrowanie w czasie rzeczywistym wzrostu oraz ewolucji materiałów we wnętrzu miniaturowego reaktora. Kluczowym wyzwaniem w badaniach LC-TEM jest radioliza wody, proces, w którym wiązka elektronowa generuje rodniki mogące prowadzić do niezamierzonych przemian chemicznych.
Niniejsza rozprawa doktorska przedstawia dogłębne badanie nanochemicznych procesów indukowanych przez wiązkę elektronową na konkretnym nanomateriale – nanocząstkach tlenku ceru (CexOy NPs). Skupia się na analizie wpływu wiązki na rozpuszczanie, stabilność i mechanizmy syntezy nanocząstek jak również jej wpływu na zastosowanie katalityczne nanocząstek po dekoracji nanocząstkami złota (Au). Poprzez badanie tych interakcji, praca ta ma na celu udoskonalić metodologie stosowane w mikroskopii elektronowej in-situ oraz dostarczyć wgląd w reakcje chemiczne zachodzące w nanoskali w czasie rzeczywistym. Dzięki systematycznej analizie efektów działania wiązki elektronowej, udało mi się opisać wpływ takich czynników jak doza elektronowa, pH roztworu oraz dynamika przepływu cieczy. Opisana analiza dostarcza nowych wskazówek, pomocnych w usprawnianiu badań LC-TEM.
Jednym z kluczowych eksperymentów przeprowadzonych w ramach badań była synteza nanocząstek tlenku ceru z roztworu prekursora w środowisku LC-TEM. Wyniki pokazały, że wiązka elektronowa może pełnić rolę czynnika redukującego w procesie formowania nanocząstek, wpływając na ich rozmiar, morfologię i krystaliczność. Ponadto, zbadane zostały efekty związane z różnymi przepływami cieczy. Wykazałem, że dostosowując przepływ można kontrolować kinetykę rozpuszczania się nanocząstek, co stanowi kolejną ciekawą strategię dla obrazowania w czasie rzeczywistym.
Istotnym elementem badań było dekorowanie nanocząstek tlenku ceru nanocząstkami złota (Au NPs) w warunkach dynamicznych (przy ciągłym przepływie roztworu) i statycznych (bez przepływu). W pierwszym, Au NPs wykazywały większą tendencję do agregacji, tworząc duże skupiska na powierzchni ceru. Z drugiej strony, w warunkach statycznych obserwowałem głównie mniejsze i bardziej równomiernie rozmieszczone nanocząstki złota.
W ramach testów aktywności katalitycznej nanosystemu przeprowadziłem reakcję utleniania etanolu (EOR). Dekorowane złotem nanoagregaty wykazały wyższą wydajność niż katalizator z czystego złota, co sugeruje, że zachodzi efekt synergii pomiędzy podłożem z tlenku ceru, a złotem. Dodatkowo, zmiany stanu utlenienia ceru w nanokatalizatorze zostały zbadane i omówione. Wysoka jakość nanokatalizatora została również potwierdzona trzygodzinnym eksperymentem z użyciem cyklicznej woltamperometrii oraz spektroskopii absorpcji w podczerwieni in-situ. Badania wykazały, że analizowany system skutecznie utlenia etanol, prowadząc do intensywnej generacji CO2.
Rozprawa ta poszerza wiedzę na temat procesów nanochemicznych indukowanych przez wiązkę elektronową w środowisku ciekłym, ze szczególnym uwzględnieniem układów katalitycznych opartych na tlenku ceru. Prezentuje nowe metody eksperymentalne i sposoby, co stanowi wartościowy wkład dla dziedziny LC-TEM. Opracowane strategie mogą pozwolić na większą kontrolę procesów nanochemicznych i bardziej wiarygodną interpretację danych, co pomoże w dalszej optymalizacji technik mikroskopii elektronowej in-situ.
Liquid cell transmission electron microscopy (LC-TEM) is one of the most advanced techniques for imaging and analysing nanostructures. It allows to conduct chemical reactions in a tiny reactor and register in real time the growth and evolution of the materials inside it. A key challenge in LC-TEM studies is the radiolysis of water, a process wherein the electron beam generates reactive radical species that can drive unintended chemical transformations.
This dissertation presents an in-depth investigation of electron beam-induced nanochemical processes on a specific nanomaterial: cerium oxide nanoparticles (CexOy NPs). I focused on understanding how electron irradiation influences the dissolution, stability, and synthesis mechanisms of nanoparticles and their catalytic applications, when decorated with gold (Au) nanoparticles. By exploring these interactions, the study aims to refine the methodologies used in in-situ electron microscopy and provide insights into real-time chemical reactions at nanoscale. By systematical analysis of the beam-induced effects, I describe the influence of such factors like electron dose rate, solution pH and liquid flow dynamics. With this analysis, I provide new insights, which can be helpful in improving the LC-TEM methodology and the accuracy of in-situ experiments.
One of the central experiments of the research involves synthesis of cerium oxide nanoparticles from a precursor solution within the LC-TEM environment. The results demonstrate that electron beam irradiation can serve as a reducing agent for nanoparticle formation, influencing their size, morphology and crystallinity. Furthermore, the effects of different liquid flowing conditions in LC-TEM were investigated. It has been shown, that by adjusting the flow rate, the dissolution kinetics of ceria can be controlled, which is another interesting strategy for real-time imaging.
A crucial aspect of the research is the decoration of cerium oxide nanoparticles with gold nanoparticles (Au NPs) using both static and dynamic conditions in LC-TEM. In dynamic conditions, with continuous solution flow, Au NPs tend to aggregate more, forming larger clusters on the ceria surface. On the other hand, under static conditions, we observed mostly smaller and more uniformly dispersed Au nanoparticles.
For the analysis of catalytic activity of the examined nanosystem, the ethanol oxidation reaction was performed. The ceria nanoaggregates decorated with Au NPs exhibited higher efficiency, than pure Au catalyst, which suggests that there is a synergetic effect between ceria support and Au NPs. Furthermore, the evolution of the oxidation state in the nanocatalyst was investigated and discussed. High quality of the nanocatalyst was proved also by 3-hours long experiment using cyclic voltammetry and in-situ infrared reflective absorption spectroscopy. It showed that the studied system efficiently conducts full ethanol oxidation, leading to high CO2 generation.
Presented research advances the understanding of electron beam-induced nanochemical processes in liquid environments, with a particular focus on cerium oxide-based catalytic systems. It shows new experimental methods, which is a valuable contribution to the LC-TEM field. The presented strategies can be helpful in controlling nanochemical processes and data interpretation, which will be valuable for further optimization of in-situ TEM.
Beyond the Standard Model searches in the sector of heavy quarks and exotic long-lived particles
(The Henryk Niewodniczański Institute of Nuclear Physics Polish Academy of Sciences, 2024) Goncerz, Mateusz; Kucharczyk, Marcin; Rachwał, Bartłomiej; Graczykowski, Łukasz; Rybczyński, Maciej; Grabowska-Bołd, Iwona
Praca doktorska rozważa trzy aspekty poszukiwań zjawisk wykraczających poza Model Standardowy, skupiając się˛ na eksperymentalnych sygnaturach z ciężkimi dżetami oraz egzotycznymi cząstkami rozpadającymi się˛ w przesuniętych wierzchołkach wtórnych. Przekrój czynny na produkcję Z0 (→ μ+μ−) b¯b został zmierzony w części "do przodu" przestrzeni fazowej, wykorzystując dane ze zderzeń proton-proton, zebrane przez eksperyment LHCb przy energii 13 TeV w układzie środka masy. Wartość została wstępnie oszacowana na 70.70±26.56 (syst.)±0.74 (stat.) pb i jest zgodna z przewidywaniami Next-to-Leading Order. Następnie zbadana została czułość detektora CLIC, w pierwszej z jego planowanych faz działania, na sygnatury egzotycznych cząstek długożyciowych. Przeanalizowano scenariusz Ukrytej Doliny (Hidden Valley), z dodatkowym sektorem cząstek o strukturze podobnej do QCD, oraz proces H → π0vπ0v → b¯bb¯b. Zbadane zostały hipotezy mπ0v∈(25, 35, 50) GeV oraz τπ0v∈ (1, 10, 100, 300) ps, a górne limity zostały obliczone na poziomie ufności 95%. Są˛ one rzędu 10−4 pb i są˛ kilka rzędów wielkości lepsze niż˙ dla obecnie działających detektorów. Na koniec, opracowane zostało centralne oprogramowanie dla planowanego eksperymentu MUonE, który ma wykonać precyzyjny
pomiar hadronowego przyczynku do anomalnego momentu magnetycznego mionu. Zawiera ono algorytmy dla wszystkich niezbędnych stadiów analizy danych eksperymentalnych, tj. rekonstrukcji przypadków, symulacji detektora, jego pozycjonowania oraz selekcji przypadków w trybie offline. Oprogramowanie zostało z powodzeniem użyte do analizy danych zebranych podczas wiązki testowej w 2018 roku. Wydajność algorytmów oraz detektora zostały również oszacowane dla jego ostatecznej konfiguracji, przy użyciu symulacji Monte Carlo. Wzięty pod uwagę został rozszerzony program fizyczny eksperymentu MUonE, zawierający poszukiwanie egzotycznych cząstek długożyciowych z leptonowymi sygnaturami rozpadu.
The thesis considers three aspects of Beyond the Standard Model searches, focusing on experimental signatures with heavy particle jets and exotic particles decaying in displaced secondary vertices. The Z0 (→ μ+μ−) b¯b production cross-section is measured in the forward kinematic region, using proton-proton collisions collected by the LHCb experiment at the centre-of-mass energy of 13 TeV. The value is preliminarily evaluated as 70.70 ± 26.56 (syst.) ± 0.74 (stat.) pb, which is compatible with the Next-to-Leading Order prediction. Next, the sensitivity of the CLIC detector to exotic long-lived particle signatures is studied for the first stage of its planned operation. A Hidden Valley scenario with a QCD-like hidden sector and a H → π0vπ0v →b¯bb¯b process are analysed. The hypotheses of mπ0v∈ (25, 35, 50) GeV and τπ0v∈(1, 10, 100, 300) ps are considered and the upper limits on σ (H) BR (H → π0
vπ0v) are calculated at 95% confidence level. They are found to be at the order of 10−4 pb and are several orders of magnitude better than for currently operating detectors. Finally, the central software has been developed for the planned MUonE experiment, aiming to perform a precise measurement of the hadronic contribution to the anomalous muon magnetic moment. It includes algorithms for all the crucial stages of experimental data analysis, i.e. event reconstruction, detector simulation, alignment and offline selection. It is successfully used to perform an analysis of the data collected during 2018 test beam. The algorithm and detector performance are also evaluated for the ultimate apparatus, using Monte Carlo simulation. The extended physics program of MUonE experiment, including searches for exotic longlived
particles with leptonic final states, is considered and discussed.
Hybrid kT-factorization at next to leading order
(The Henryk Niewodniczański Institute of Nuclear Physics Polish Academy of Sciences, 2024) Ziarko, Grzegorz; van Hameren, Andreas; Kotko, Piotr; Szymanowski, Lech; Worek, Małgorzata
W tej rozprawie, wykorzystujemy faktoryzację pędu poprzecznego do badania chromodynamiki kwantowej w zakresie wysokich energii. W porównaniu do faktoryzacji współliniowej, faktoryzację pędu poprzecznego charakteryzuje niezerowa prostopadła składowa pędu niesionego przez jeden początkowy parton.
Głównym celem tej pracy jest opracowanie poprawki pierwszego rzędu do wyrażeń hybrydowej faktoryzacji. Opracowaliśmy część rzeczywistą i wirtualną rzeczonej poprawki. Znaleźliśmy i zidentyfikowaliśmy wszystkie obecne rozbieżności pojawiające się we wzorach. Niektóre z nich redukują się bezpośrednio, pozostałe w części można dołączyć do funkcji rozkładu partonów oraz należy interpretować je jako poprawka do zderzeniowego czynniku wpływu i źródła ewolucji. Również stworzyliśmy generalny schemat obliczeń czynników wpływu i odtworzyliśmy istniejące wyrażenia dla poprawek pierwszego rzędu dla kwarkowych i gluonowych czynników wpływu.
Zastosowaliśmy również metodę odejmowania do rozbieżności pochodzącej od części rzeczywistej poprawki dla hybrydowej faktoryzacji pędu poprzecznego. W przeciwieństwie do faktoryzacji współliniowej, gdzie metoda odejmowania traktuje pęd odrzutu w inny sposób, w naszej sytuacji odrzut może być rozprowadzony wśród stanów początkowych partonów. Przy pomocy metod numerycznych obliczyliśmy całki skończone, upewniając się o ich zbieżności. Dodatkowo, spostrzegliśmy, że rozbieżności obecne w czynniku odejmowania, redukują się z rozbieżnościami obecnymi w części wirtualnej poprawki.
Niniejsza rozprawa bazuje na publikacjach [1, 2], dla których badania przeprowadzone w czasie doktoratu są kluczowym składnikiem.
In this thesis, we employ kT-factorization to study quantum chromodynamics (QCD) in the high-energy limit. The kT-factorization differs from collinear factorization by incorporating the transverse momentum component carried by one initial-state parton.
The main goal of this study is to extend the hybrid factorization formula to next-toleading order (NLO). We establish both real and virtual contributions. We identified all divergences present in obtained formulas. Some divergent terms cancel straightforwardly, while others remain and can partly be attributed to the PDFs (parton distribution function), but not completely and require the interpretation as corrections to target impast factors and evolution kernel. We also provide a general framework for calculating NLO impast factors and reproduce the known formulas for inclusive NLO gluon and quark impast factor corrections.
We also investigated the application of the subtraction method to real radiation divergences at NLO in hybrid kT-factorization. Unlike the subtraction method in collinear factorization, where momentum recoil is handled differently, here we distribute the recoil over the initial-state partons. We applied numerical methods to evaluate the fnite integrals, ensuring their convergence. Additionally, we found that the divergences present In the integrated subtraction terms cancel against those from the virtual contributions.
The thesis is based on the publications [1, 2]. The research conducted during this Ph.D. study forms a significant component of these two publications.