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
A prototype apparatus for measurement of the correlation coefficients in the β-decay of a free polarized neutron – BRAND-0 experiment
(The Henryk Niewodniczański Institute of Nuclear Physics Polish Academy of Sciences, 2023) Dhanmeher, Karishma; Pysz, Krzysztof; Mazzocchi , Chiara; Kuźniak, Marcin; Stephan, Elżbieta
W złożonej pracy doktorskiej przedstawiono rezultaty pierwszej fazy prac nad budową aparatury pomiarowej dla eksperymentu BRAND. W tym eksperymencie planuje się zmierzenie 11 współczynników kinematycznych korelacji między parametrami produktów rozpadu β swobodnego neutronu o określonej orientacji spinu. W tym celu konieczne jest zmierzenie czteropędów elektronu i protonu, polaryzacji spinowej elektronu oraz odwikłanie wielkości energii i pędu antyneutrina elektronowego. Współczynniki korelacji określają udział poszczególnych konfiguracji kinematycznych we wzorze na rozkład energetyczno-kątowy produktów reakcji rozpadu β. W najbardziej ogólnym sformułowaniu Hamiltonianu oddziaływania słabego, oprócz współczynników występujących w aktualnej teorii V-A (składowe wektorowa i aksjalna) dopuszcza się też współczynniki zależne od teoretycznie możliwych oddziaływań skalarnych i tensorowych (S, T). Wykazanie niezerowych wartości takich współczynników korelacji wskazywałoby na istnienie oddziaływań spoza Modelu Standardowego. Dla części z nich w sposób konieczny nie jest zachowywana symetria odwrócenia czasu. Wobec paradygmatu bezwzględnego zachowania globalnej symetrii CPT, badania te są zatem przyczynkiem m. in. do poszukiwań procesów odpowiedzialnych za niezachowanie symetrii CP powodujących dominacje materii nad antymaterią we Wszechświecie.
Pierwsza faza eksperymentu BRAND oznaczona jako BRAND-0 polegała na budowie niewielkiego zestawu prototypowego umożliwiającego, przy ograniczonej akceptancji geometrycznej, rejestrację elektronu i protonu z rozpadu β oraz określenie orientacji spinu elektronu. Jej celem było głównie wypracowanie rozwiązań technicznych i metod analizy danych oraz ich doświadczalna weryfikacja, tak aby zebrać wiedzę konieczną do budowy aparatury wymaganej w następnym etapie eksperymentu.
Omawiana praca doktorska zawiera opis budowy i testów tej części tego zestawu eksperymentalnego, która dotyczy rejestracji elektronów pochodzących z rozpadu β. Nazywana jest ona polarymetrem Motta, gdyż umożliwia nie tylko pomiar energii i pędu elektronu ale również orientację przestrzenną jego spinu. Do tego celu wykorzystywane jest rozpraszanie Motta elektronów na cienkiej folii ołowianej. Zbudowany i badany zestaw (polarymetr Motta) składa się z (i) komory dryfowej (MWDC, traker) o heksagonalnych komórkach, wypełnionej mieszanką helu i dwutlenku węgla z niewielka domieszką oparów etanolu; (ii) cienkiej folii mylarowej z napyloną warstewka ołowiu, zainstalowaną wewnątrz trakera i służącą jak tarcza to rozpraszania Motta; (iii) dwóch detektorów scyntylacyjnych umieszczonych wewnątrz trakera, służących do rejestracji elektronów rozproszonych na tarczy Motta (detektory Motta); (iv) detektora scyntylacyjnego służącego do rejestracji elektronów, które nie zostały rozproszone na tarczy Motta (tylny scyntylator). Detektory te, po ich montażu, stanowią jedną całość. Detektory scyntylacyjne dostarczają sygnału tryggera dla układu akwizycji danych (DAQ). Trójwymiarową rekonstrukcję trajektorii elektronów w MWDC uzyskuje się poprzez pomiar czasów dryfu elektronów jonizacji w jego poszczególnych komórkach (płaszczyzna XY) oraz z asymetrii ładunków sygnałów zmierzonych na obu końcach drutów anodowych poszczególnych komórek trakera (płaszczyzna XZ).
Wszystkie sygnały, zarówno czasowe (czasy dryfu) jak i amplitudowe - sygnały ze scyntylatorów (energia) oraz sygnały z końców drutów anodowych (ładunek) są dygitalizowane w wielokanałowym konwerterze czasowo-cyfrowym (Multihit TDC). W tym celu sygnały amplitudowe są przetwarzane na sygnały czasowe przy pomocy wykonanych przez grupę BRAND konwerterów amplituda-czas.
Aparatura prototypowa BRAND-0 została przetestowana na wiązce spolaryzowanych, zimnych neutronów PF1B w instytucie ILL w Grenoble (Francja). Praca doktorska zawiera szczegółowy opis prac związanych z budową i optymalizacją aparatury prototypowej w zakresie dotyczącym polarymetru Motta oraz budowy próżniowej komory rozpadu neutronów wraz w cienkim oknem próżniowym. Prezentuje też obszerny opis testów laboratoryjnych jak i tych przeprowadzonych podczas pomiaru w ILL. Przedstawione są metody analizy zebranych danych, koniecznych kalibracji, oraz ich rezultaty.
Stwierdzono zadowalające działanie detektora MWDC w zakresie stabilności pracy, wydajności detekcji oraz pomiaru trajektorii elektronów z rozpadu β przy użyciu metody pomiaru czasu dryfu elektronów jonizacji ośrodka (składowa Y). Rozdzielczość przestrzenna pomiaru śladów w tym przypadku mieści się w zakresie 0.3 – 0.8 mm (w zależności od położenia geometrycznego trajektorii) i jest wystarczająca do identyfikacji sygnału oraz określenia odpowiednich składowych pędu elektronu.
Dużo gorsza rozdzielczość przestrzenną uzyskano dla metody podziału ładunku wzdłuż drutów anodowych (składowa Z). Rozdzielczość ta jest najlepsza dla trajektorii mierzonych w centralnej części drutów (13 mm) i pogarsza się w kierunku końców drutów osiągając wartość nawet 25 mm.
Podobnie niezadowalającą rozdzielczość stwierdzono dla pomiarów energii z wszystkich detektorów scyntylacyjnych. W przypadku tylnego scyntylatora jest to 16 % dla energii padających elektronów ok. 1 MeV. Przy niższych energiach rozdzielczość energetyczna jeszcze się pogarsza. W przypadku detektorów Motta, w testach, nie uzyskano rozdzielenia linii kalibracyjnych ze źródła elektronów 207Bi w widmie energetycznym, co uniemożliwia zmierzenia rozdzielczości energetycznej tego detektora.
Przeprowadzone testy laboratoryjne pozwoliły zidentyfikować przyczynę problemów z precyzyjnym pomiarem energii i ładunku w eksperymencie BRAND-0. Odpowiedzialny jest wadliwie działający układ konwertera amplituda-czas, który powoduje znaczne zmiany długości uzyskanych sygnałów czasowych, przy nawet minimalnych fluktuacjach poziomu linii bazowej sygnału amplitudowego, typowych dla używanej aparatury i warunków eksperymentalnych. Jest to zasadnicza wada elektroniki odczytu aparatury BRAND-0, która będzie usunięta w jej następnej wersji.
W pracy obszernie przedstawiono również środowisko eksperymentalne PF1B w ILL Grenoble, omówiono kluczowe parametry wiązki neutronów, przeprowadzono analizę energetyczną i przestrzenną pochodzenia tła eksperymentalnego obserwowanego w rejestrowanych widmach. Przygotowano również model aparatury eksperymentu BRAND-0 i przeprowadzono obszerne symulacje z użyciem pakietu Geant4. Wspomogło to zrozumienie efektów oddziaływania wiązki neutronów z elementami aparatury BRAND-0 oraz identyfikacje głównych komponentów tła eksperymentalnego.
Stwierdzona słaba rozdzielczość przestrzenna (w kierunku Z) oraz niewystarczająca rozdzielczość energetyczna wszystkich detektorów scyntylacyjnych, uniemożliwia obecnie pomiar współczynników korelacji A, N, R, które w pierwszej kolejności powinny być zmierzone w eksperymencie BRAND. Innymi przeszkodami w określeniu tych współczynników jest duży udział tła eksperymentalnego w zebranych danych, które nie może być odfiltrowane, oraz niska statystyka zdarzeń.
Uzyskane wyniki jasno wskazują konieczność modyfikacji pewnych metod detekcyjnych i obróbki sygnału w eksperymencie BRAND. Wypracowane metody analizy danych, kalibracji i określania trajektorii śladów elektronów są przyczynkiem do prac badawczych BRAND, które będą prowadzone w przyszłości. Tak samo użyteczne dla dalszych prac BRAND są zidentyfikowane źródła tła eksperymentalnego w pomiarach prowadzonych w PF1B w ILL Grenoble, oraz stworzony model do symulacji eksperymentu przy pomocy pakietu Geant4.
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.