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
Particle acceleration in magnetised mildly relativistic shocks
(The Henryk Niewodniczański Institute of Nuclear Physics Polish Academy of Sciences, 2026) Torralba Paz, Gabriel; Niemiec, Jacek; Bednarek, Włodzimierz; Nalewajko, Krzysztof; Stawarz, Łukasz
W niniejszej rozprawie, z wykorzystaniem w pełni kinetycznych symulacji typu particle-in-cell (PIC), badane są średnio relatywistyczne fale uderzeniowe w silnie zmagnetyzowanej, bezzderzeniowej plazmie o skośnej konfiguracji zewnętrznego pola magnetycznego. Tego rodzaju fale uderzeniowe mogą występować w relatywistycznych wypływach plazmy, w tym w dżetach aktywnych jąder galaktyk oraz mikrokwazarów, które są znanymi źródłami promieniowania nietermicznego i powszechnie uznawane są za potencjalne miejsca przyspieszania wysokoenergetycznych promieni kosmicznych.
Wcześniejsze badania wykazały, że o ile dyfuzyjne przyspieszanie na fali uderzeniowej jest efektywne w słabo zmagnetyzowanych falach podświetlnych, a przyspieszanie typu wakefield zachodzi głównie w reżimie ultrarelatywistycznym, o tyle oba te mechanizmy wydają się nieefektywne w średnio relatywistycznych, silnie zmagnetyzowanych plazmach. Niniejsza praca bada zatem, czy w tych dotąd nieeksplorowanych warunkach mogą działać alternatywne mechanizmy efektywnego grzania i przyspieszania cząstek.
W ramach niniejszej rozprawy przeprowadzono wysokiej rozdzielczości wielkoskalowe symulacje PIC w konfiguracji 2D3V z wykorzystaniem kodu THATMPI, który został na potrzeby pracy gruntownie zoptymalizowany i rozszerzony o nowe funkcjonalności. Symulacje obejmują fale uderzeniowe o współczynniku Lorentza γ0~2.24, rozchodzące się w plazmie o dużej magnetyzacji, σ = 1. Analizowano trzy konfiguracje pola magnetycznego: skośną falę nadświetlną (θBn=40°), skośną falę podświetlną (θBn=30°) bliską kąta progowego rozdzielającego konfiguracje nadświetlne i podświetlne oraz falę quasi-równoległą (θBn=10°).
Skośne fale uderzeniowe mają strukturę impulsów magnetosonicznych o dużej amplitudzie, która stopniowo maleje wraz z odległością od frontu fali. Impulsy te są związane z potencjałami elektrostatycznymi o stromych gradientach. Ich struktura przypomina słabe, nierelatywistyczne, subkrytyczne fale uderzeniowe obserwowane w przestrzeni kosmicznej. Badane fale są z natury niestacjonarne i rozwijają silne poprzeczne niejednorodności, co umożliwia odbicie i pułapkowanie cząstek w obrębie impulsów magnetosonicznych. W konfiguracji podświetlnej bliskiej kąta progowego prowadzi to do efektywnego grzania i przyspieszania zarówno elektronów, jak i jonów. Mechanizm akceleracji jest analogiczny do procesu pułapkowania i przyspieszania elektronów opisanego wcześniej dla fal nierelatywistycznych, lecz w przypadku fal średnio relatywistycznych działa dla obu rodzajów cząstek i cechuje się znacznie wyższą wydajnością dzięki założonej silniejszej magnetyzacji i większej prędkości fali uderzeniowej. W przypadku podświetlnym elektrony o wysokich energiach tworzą widmo potęgowe o indeksie p~2, ograniczone obcięciem wyznaczonym przez szerokość fali uderzeniowej, która skaluje się ze współczynnikiem Lorentza, amplitudą fali i stosunkiem masy jon-elektron. Efektywność przyspieszania jonów w ramach tego mechanizmu jest mniejsza o około dwa rzędy wielkości. Niektóre jony pokonują potencjał fali uderzeniowej i przemieszczają się w obszar przed frontem fali, gdzie ulegają dalszemu przyspieszaniu w procesie serfowania na fali (shock surfing acceleration).
Fala quasi-równoległa ma wyraźnie odmienną strukturę. Jest ona subkrytyczna względem krytycznej liczby Macha dla fal świstu i tworzy rozległy prekursor wypełniony dyspersyjnymi falami świstu (whistlers) o dużej amplitudzie. Oddziaływanie jonów i elektronów z tymi falami w prekursorze, a także z modami falowymi wynikającymi z ich nieliniowej dynamiki, prowadzi do silnego grzania obu rodzajów cząstek.
Ogólnie wyniki badań wykazują, że silnie zmagnetyzowane, średnio relatywistyczne skośne fale uderzeniowe mogą efektywnie przyspieszać cząstki w procesie odmiennym od dyfuzyjnego przyspieszania na fali uderzeniowej oraz przyspieszania typu wakefield. Choć widma cząstek są formowane w ograniczonym zakresie energii, proces ten zapewnia znaczący przyrost energii i może pełnić rolę efektywnego mechanizmu wstępnego wrzucania cząstek do dalszych procesów przyspieszania. Wyniki te podkreślają znaczenie niestacjonarności fal uderzeniowych oraz efektów wielowymiarowych i stanowią motywację dla przyszłych badań z wykorzystaniem w pełni trójwymiarowych symulacji.
Oprócz symulacji PIC, niniejsza rozprawa wprowadza nowatorskie podejście oparte na sieciach neuronowych do analizy trajektorii wybranych cząstek śledzonych w symulacjach kinetycznych. W celu oceny przydatności tego podejścia wykorzystano dane śledzonych cząstek z symulacji badających przyspieszanie elektronów w falach wzbudzanych przez niestabilność Bunemana w szokach o dużej liczbie Macha. Zastosowano trzy klasy algorytmów: klasyfikację, regresję oraz detekcję anomalii. Wyniki pokazują, że sieci neuronowe mają duży potencjał do usprawnienia
i przyspieszenia analizy trajektorii śledzonych cząstek w kinetycznych symulacjach plazmy.
Search for Lepton Flavour Violating B+→K+τ±ℓ∓ Decays at Belle and Belle II
(The Henryk Niewodniczański Institute of Nuclear Physics Polish Academy of Sciences, 2026) Ur Rehman, Junaid; Bożek, Andrzej; Wiechczyński, Jarosław; Obłąkowska-Mucha, Agnieszka; Przygoda, Witold; Ukleja, Artur
Rozpady mezonów B naruszające zapach leptonowy stanowią jednoznaczny sygnał fizyki poza Modelem Standardowym (MS), gdyż w jego ramach są praktycznie zabronione. Rozpad B→Kτℓ (ℓ = e,µ) jest szczególnie czułym testem scenariuszy nowej fizyki, takich jak modele z lepto-kwarkami czy rozszerzonym sektorem Higgsa.
Niniejsza rozprawa doktorska przedstawia rozwój nowych technik rekonstrukcji dedykowanych wymagającej topologii rozpadu B→Kτℓ w eksperymencie Belle II działającym przy zderzaczu SuperKEKB.
Kluczowym elementem analizy jest zastosowanie pół-leptonowego znakowania mezonu towarzyszącego. Choć metoda ta wprowadza brakującą energię po stronie znakującej, zapewnia istotnie wyższą efektywność w porównaniu z pełnym znakowaniem hadronowym. Spójność i skuteczność tej strategii osiągnięto poprzez wykorzystanie hadronowego rozpadu sygnałowego τ→(π/ρ)ν.
Wybór kanału τ→(π/ρ)ν powoduje, że po stronie sygnałowej występuje tylko jedno neutrino, co prowadzi do silnie ograniczonej konfiguracji kinematycznej. W połączeniu z dobrze zdefiniowanym stanem początkowym zderzeń e+e- oraz rekonstrukcją mezonu znakującego możliwe jest odtworzenie kinematyki rozpadu sygnałowego z dwuwartościową niejednoznacznością rozwiązań wynikającą z równań kwadratowych. Strategia ta pozwala odzyskać informacje niedostępne w standard- owych metodach oraz znacząco poprawia rozdzielczość sygnału względem procesów tła.
W pracy przedstawiono kompletny schemat analizy obejmujący modelowanie sygnału, strategie tłumienia tła, zastosowanie metod wielowymiarowej klasyfikacji, ocenę niepewności systematycznych oraz projekcje czułości przy rosnącej zakumulowanej świetlności. Opracowana metodologia stanowi skalowalne i eksperymentalnie solidne podejście do poszukiwań LFV w kanale B→Kτℓ.
Wykazano, że połączenie pół-leptonowego znakowania z kinematycznie ograniczonymi rozpadami τ otwiera nową perspektywę w badaniach naruszeń zapachu leptonu wzmacniając potencjał odkrywczy eksperymentu Belle II w dziedzinie precyzyjnej fizyki zapachu.
Engineering electronic edge states in kagome platforms
(The Henryk Niewodniczański Institute of Nuclear Physics Polish Academy of Sciences, 2026) Sekh, Sajid; Ptok, Andrzej; Piekarz, Przemysław; Domański, Tadeusz; Nowak, Michał; Wohlfeld, Krzysztof
Postępy w ciągu ostatnich dekad doprowadziły fizykę materii skondensowanej do skrzyżowania z topologią, prowadząc do rozwoju topologicznych faz materii. Fazy topologiczne charakteryzują się właściwościami objętościowymi, które są chronione przez globalne własności, a nie lokalne parametry porządku. Zakłada się, że materiały wykazujące fazy topologiczne są niewrażliwe na lokalne zaburzenia, takie jak zanieczyszczenia i nieporządek. Jest to niezwykle korzystne w zastosowaniach w urządzeniach, gdzie takie niedoskonałości są często nieuniknione. Fascynującą konsekwencją topologicznego porządku objętościowego jest pojawianie się stanów elektronowych na granicach materiałów. Te stany przewodzące prąd są zazwyczaj znane jako stany krawędziowe lub powierzchniowe, które występują przy izolatorze.
W niniejszej pracy proponujemy materiały o strukturze kagome jako platformę do projektowania elektronicznych stanów krawędziowych. Chociaż sieć kagome ma podobieństwa do sieci plastra miodu w swojej strukturze pasm elektronowych, to w unikalny sposób posiada dodatkowe płaskie pasmo. Co więcej, sieci kagome występują w szerokiej gamie związków wykazujących różnorodne zjawiska, takie jak fale gęstości ładunku, nadprzewodnictwo, sprzężenie spin-orbita i magnetyzm.
Zmotywowani tymi cechami, badamy zarówno pierwotne, jak i topologiczne stany krawędziowe sieci kagome w granicy monowarstwy. Pierwotne stany krawędziowe powstają w wyniku fizycznej terminacji sieci i identyfikujemy cztery różne terminacje uzyskane poprzez przecięcia liniowe. Terminacje te wpływają na obecność i liczbę stanów krawędziowych, a w niektórych przypadkach mogą je całkowicie stłumić. Po wprowadzeniu wewnętrznego sprzężenia spin-orbita (z ang. spin-orbit coupling SOC), modelowanego za pomocą modelu Kane-Mele, stany te stają się topologiczne. Powstałe stany krawędziowe są spolaryzowane spinowo i propagują się w przeciwnych kierunkach, zgodnie z helikalnymi stanami krawędziowymi Z2, co potwierdzamy za pomocą metody pętli Wilsona. Ponadto wykazujemy, że złamanie symetrii odwrócenia w czasie prowadzi do chiralnych stanów krawędziowych. Połączenie ferromagnetyzmu z polem magnetycznym indukowanym przez SOC typu Rashba powoduje powstanie dwóch topologicznych przerw objętościowych, skutkując bezprzerwowymi stanami chiralnymi dla wszystkich rodzajów krawędzi. Dodanie sprzężenia typu Kane-Mele poszerza przerwę objętościową i prowadzi do powstania dwóch odrębnych faz topologicznych. Jednakże chiralne stany krawędziowe mogą również powstawać wyłącznie z niekolinearnego porządku magnetycznego. W tym scenariuszu pole wymiany magnetycznej może wykazywać dwa odrębne stany w zależności od stopnia przechylenia spinu poza płaszczyznę. Analizujemy stany chiralne w obu przypadkach. Uzyskane wyniki pokazują, że pole magnetyczne indukowane przez Kane-Mele SOC może otwierać lub zamykać przerwy objętościowe i indukować różne fazy topologiczne, w zależności od natężenia pola magnetycznego i pola wymiany magnetycznej.
Ogólnie rzecz biorąc, nasze wyniki pokazują, że dostrojenie pola magnetycznego i porządku magnetycznego umożliwia kontrolę nad przerwami objętościowymi i fazami topologicznymi, co może być przydatne w projektowaniu zróżnicowanych i dostrajalnych stanów krawędziowych w układach zawierających sieci kagome.
Study of Topological Edge States in Selected Solid State Systems
(The Henryk Niewodniczański Institute of Nuclear Physics Polish Academy of Sciences, 2025) Yadav, Shivam; Ptok, Andrzej; Piekarz, Przemysław; Kapcia, Konrad; Margańska-Łyżniak, Magdalena; Sedlmayr, Nicholas
Materiały topologiczne i ich odporne na nieporządek stany brzegowe wzbudziły duże zainteresowanie, znajdując potencjalne zastosowania wykraczające poza badania podstawowe. Wymiarowość krawędzi odgrywa kluczową rolę w naturze tych stanów. Jednowymiarowe (1D) materiały topologiczne, sprzężone z pobliskim nadprzewodnikiem, są zdolne do tworzenia stanów związania Majorany, których nieabelowa natura stwarza potencjał do ich zastosowań w komputerach kwantowych. W niniejszej rozprawie badaliśmy taki quasi-1D układ, w postaci drabinki zawierającej dwa równoległe sprzężone łańcuchy. Stwierdziliśmy, w ramach modelu ciasnego wiązania, że układ z periodycznymi warunkami brzegowymi realizuje fazę topologiczną z niezmiennikiem topologicznym w zakresie [-3, 3]. Wykazujemy, że jest to bezpośredni wynik sprzężenia między nanodrutami, a fazę topologiczną można zmienić poprzez dostrojenie wartości tego sprzężenia. Co więcej, skończony układ zawiera stany związane Majorany w przerwie nadprzewodzącej w pewnych zakresach parametrów.
Z drugiej strony, materiały topologiczne dwu- i trójwymiarowe (2D i 3D) wzbudziły zainteresowanie ze względu na stany bezprzerwowe, które manifestują się wewenątrz strefy Brillouina. Te stany bezprzerwowe zachowują się jak quasi-cząstki posiadające cechy fermionów Diraca i Weyla, naturalnie klasyfikując bazowy materiał jako półmetal Diraca i Weyla (DSM i WSM). Materiały te są wysoce obiecujące dla elektroniki nowej generacji i spintroniki ze względu na wysoką ruchliwość elektronów i potencjał dla urządzeń o małej mocy i dużej szybkości. Aby lepiej zrozumieć stany krawędziowe, badamy interfejs pomiędzy izolatorem i WSM. W tej części, wykorzystujemy nieskoenergetyczny model efektywny WSM z symetrią odwrócenia w czasie, który zawiera cztery węzły Weyla (stany bezprzerwowe). Wybierając parametry prowadzące do pożądanego interfejsu, rozwiązujemy problem numerycznie. Wykorzystując funkcję widmową, omawiamy różne obserwacje i właściwości stanów krawędziowych interfejsu.
Charakterystyka widm liniowego przekazu energii w radioterapii protonowej z modulacją intensywności wiązki
(The Henryk Niewodniczański Institute of Nuclear Physics Polish Academy of Sciences, 2025) Stasica-Dudek, Paulina; Kopeć, Renata; Gajewski, Jan; Brzozowska, Beata; Kozłowska, Beata; Kukołowicz, Paweł
Radioterapia protonowa z modulacją intensywności wiązki (z ang. Intensity-Modulated Proton Therapy, IMPT) pozwala na lepszą ochronę zdrowych tkanek w porównaniu do konwencjonalnie stosowanych metod radioterapii wykorzystujących wiązki fotonowe lub elektronowe. W odróżnieniu od radioterapii konwencjonalnej, jakość promieniowania w mieszanych polach produkowanych przez wiązki protonowe jest zmienna, co wpływa na efektywność biologiczną oddziaływania protonów z komórkami w ciele pacjenta. Jakość promieniowania opisana może być rozkładem linowego przekazu energii (z ang. \textit{linear energy transfer}, LET) i współczesne systemy do planowania leczenia pozwalają na uwzględnienie tego parametru w procesie optymalizacji planów napromieniania obok standardowo stosowanego rozkładu dawki. Do tej pory jednak brakuje komercyjnie dostępnych rozwiązań dla eksperymentalnej walidacji obliczeń oraz procedur kontroli i zapewniania jakości uwzględniających LET. Celem niniejszej pracy jest opracowanie metod eksperymentalnej weryfikacji jakości mieszanych pól promieniowania z uwzględnieniem LET pojedynczych protonów, co pozwoli w przyszłości na bezpieczne zastosowanie optymalizacji LET w planowaniu leczenia, poprawę skuteczności terapii oraz zminimalizowanie jej skutków ubocznych.
W tej pracy do charakterystyki LET zastosowano rozwinięty w CERN i skomercjalizowany przez firmę ADVACAM (Praga, Czechy) zminiaturyzowany półprzewodnikowy detektor pikselowy MiniPIX Timepix3. Detektor ten pozwala na śledzenie i pomiar energii depozycji od pojedynczych cząstek, umożliwiając identyfikację śladów protonów oraz charakterystykę LET w mieszanych polach promieniowania. Na podstawie pomiarów ze źródłem Am-241 oraz pojedynczymi wiązkami protonowymi w powietrzu oceniono wpływ modyfikacji ustawień elektroniki odczytu na działanie detektora. Następnie wykonano pomiary ze zredukowanym prądem wiązki dla pojedynczych wiązek ołówkowych, planu napromieniania poszerzonego piku Bragga, a także planów leczenia zoptymalizowanych z modulacją intensywności w fantomie jednorodnym i antropomorficznym. Identyfikacji śladów protonów dokonano wykorzystując metody sztucznej inteligencji.
Modyfikacja ustawień elektroniki odczytu detektora pozwoliła zmniejszyć poziom zajęcia pikseli i skrócić czas trwania sygnału dla protonów o 80%. Ponadto poprzez podniesienie progu detekcji, liczba zajętych pikseli została dodatkowo zmniejszona o 20-40%. Wyniki pomiarów dla planów napromienienia w fantomach jednorodnych porównano z wynikami symulacji Monte Carlo uzyskując zgodność kształtu widm oraz wartości średnich LET ważonego dawką. W fantomie antropomorficznym zaobserwowano różnice w kształcie widm wykraczające poza zakres niepewności, co może być spowodowane różnicami między rzeczywistymi a zaimplementowanymi w kodzie Monte Carlo przekrojami czynnymi na reakcje jądrowe.
Eksperymentalna charakterystyka LET w warunkach terapii protonowej ma na celu walidację obliczeń oraz zapewnienie i kontrolę jakości planów terapeutycznych IMPT zoptymalizowanych z uwzględnieniem dawki i LET. W niniejszej pracy zaproponowano metodologię oceny jakości promieniowania w terapii protonowej poprzez pomiary widm LET w jednorodnych i klinicznych polach IMPT. Prosty układ pomiarowy i komercyjna dostępność detektora pozwalają na zastosowanie opracowanej metodologii w dowolnym ośrodku radioterapii protonowej. W przyszłości, planowane jest rozszerzenie i testy opracowanej metodologii w radioterapii wiązkami ciężkich jonów.