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
Measurement of the linear energy transfer (LET) with passive luminescence detectors in clinical proton beams
(Institute of Nuclear Physics Polish Academy of Sciences, 2024) Muñoz , Iván ; Van Hoey, Olivier; Parisi, Alessio; Bassler, Niels; Grzanka, Leszek; Vaniqui, Ana; Olko, Paweł; Sądel, Michał; Stolarczyk, Liliana; Vestergaard, Anne; Yukihara, Eduardo; Christensen, Jeppe Brage
The Liner Energy Transfer (LET) measurements using the different luminescent materials have been tested. Since the linearity coefficient (so-called detector efficiency to protons) depends on luminescent material energy response to protons in itself, but as well as on radiation quality parameters (i.e. kinetic energy, in case of irradiation with protons), a detailed understanding of detector efficiency response is essential to develop a calibration method for measurements in modern ion’s therapeutic techniques. This set of data explores the use of various types of passive luminescent detectors to determine linear energy transfer (LET) values and to analyze their luminescence response at clinically relevant proton energies. The findings of this research will further contribute to advancing energy/LET measurements using different luminescent techniques in 2D dosimetry, with potential applications in modern radiotherapeutic methods, such as proton radiotherapy. The data provided are the part of raw data obtained during irradiation with 60 MeV protons available at the IFJ PAN, based on which the LET was calculated. Data were partially used in the paper: I. D. Muñoz, O. Van Hoey, A. Parisi, N. Bassler, L. Grzanka, M. De Saint-Hubert, A. Vaniqui, P. Olko, M. Sądel, L. Stolarczyk, A. Vestergaard, O. Jäkel, E. G. Yukihara, J. B. Christensen. Assessment of fluence- and dose-averaged linear energy transfer with passive luminescence detectors in clinical proton beams Phys. Med. Biol. 69 (2024) 135004;
Przeprowadzono pomiary tzw. wydajności luminescencyjnej oraz LET (tzw. liniowy przekaz energii) przy użyciu różnych materiałów luminescencyjnych w wiązkach protonowych. Ponieważ parametr wydajności detektora np. dla protonów, zależy nie tylko od odpowiedzi energetycznej materiału luminescencyjnego, ale także od parametrów jakości promieniowania (tj. energii kinetycznej w przypadku napromieniowania protonami), szczegółowa wiedza na temat wydajności jest kluczowa dla ustalenia metody kalibracji pasywnych detektorów luminescencyjnych napromienionych np. protonami (lub innymi ciężkimi jonami). Niniejsza zestaw danych dotyczy wykorzystania różnych typów detektorów luminescencyjnych w pomiarach wartości uśrednionego liniowego transferu energii (LET) oraz zrozumienia odpowiedzi luminescencyjnej detektora dla energii stosowanych w terapii protonowej. Realizacja badań przyczyniła się do poszerzenie wiedzy w obszarze pomiarów energii/LET z zastosowaniem technik stymulowanej luminescencji w dozymetrii, pod kątem ich zastosowania w nowoczesnych metodach radioterapeutycznych, takich jak radioterapia protonowa. Udostępnione dane stanowią odczyty detektorów napromienionych wiązką protonową o energii 60 MeV (IFJ PAN), na podstawie których wyznaczono współczynniki LET. Dane zostały wykorzystane w artykule; I. D. Muñoz, O. Van Hoey, A. Parisi, N. Bassler, L. Grzanka, M. De Saint-Hubert, A. Vaniqui, P. Olko, M. Sądel, L. Stolarczyk, A. Vestergaard, O. Jäkel, E. G. Yukihara, J. B. Christensen. Assessment of fluence- and dose-averaged linear energy transfer with passive luminescence detectors in clinical proton beams Phys. Med. Biol. 69 (2024) 135004;
Structural and mechanical characterization of collagen-hyaluronan hydrogels used to study cancer cell invasion through the bladder wall
(Institute of Nuclear Physics Polish Academy of Sciences, 2025-03-06) Lekka, Małgorzata ; Metwally, Sara ; Śmiałek-Bartyzel, Justyna ; Pabijan, Joanna
Collagen-hyaluronic acid (Col-HA) hydrogels are widely studied as biomimetic materials that recapitulate the environmental physical and mechanical properties crucial for understanding the cell behaviour during cancer invasion and progression. Our research focused on Col-HA hydrogels as an environment to study the invasion of bladder cancer cells through the bladder wall. The bladder is a heterogeneous structure composed of three main layers: urothelium (the softest), lamina propria (the stiffest), and the muscle outer layer, with elastic properties lying between the two. Thus, the bladder cancer cells migrate through the mechanically distinct environments. We investigated the impact of Col-HA hydrogel microstructure and rheology on migrating bladder cancer T24 cells from the cancer spheroid surface to the surrounding environment formed from various collagen I and HA concentrations and chemical structures. The designed hydrogels showed variability in pore size, network density, and rheological properties. The migration of bladder cancer cells was inhibited inside hydrogels of ~1kPa Pa storage modulus. The correlation analysis showed that collagen concentration primarily defined the rheological properties of Col-HA hydrogels, but hydrogels can soften or stiffen depending on the type of HA used. Within soft Col-HA hydrogels, cells freely invade the surrounding environment, while its stiffening impedes cell movement and almost inhibits cell migration. Only individual, probably leading, cells are observed at the spheroid edges initiating the invasion. Our findings showed that the rheological properties of the hydrogels dominate in regulating cancer cell migration, providing a platform to study how bladder cancer cells migrate through the heterogenous structure of the bladder wall.
Prompt and non-prompt J/ψ production in Pb–Pb collisions at √sNN = 5.02 TeV with ALICE experiment
(The Henryk Niewodniczański Institute of Nuclear Physics Polish Academy of Sciences, 2023) Sharma, Himanshu; Otwinowski, Jacek; Lökös, Sándor; Grabowska-Bołd, Iwona; Szumlak, Tomasz; Zbroszczyk, Hanna
Produkcja czarmonium jest powszechnie uważana za znakomity próbnik w badaniu własności gorącej i gęstej materii jądrowej produkowanej w zderzeniach jądrowych przy pomocy Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC) i Large Hadron Collider (LHC) w ramach chromodynamiki kwantowej (QCD). Pomiary produkcji J/ψ bezpośrednio w zderzeniach oraz z rozpadów cięższych stanów czarmonium, natychmiastowe J/ψ, pozwalają na porównanie do modeli produkcji J/ψ uwzględniających regenerację, która jest dominującym mechanizmem produkcji J/ψ przy małych pędach poprzecznych (pT) w centralnych zderzeniach ciężkich jonów. Pomiary te mają kluczowe znaczenie w zrozumieniu mechanizmu produkcji J/ψ poprzez regenerację. Pomiar produkcji J/ψ pochodzącej z rozpadów słabych b-hadronów, opóźnione J/ψ, dostarczają informacji o produkcji kwarków pięknych w zderzeniach jądrowych. Takie pomiary są ważne w badaniu zjawiska straty energii kwarków pięknych w materii jądrowej. Eksperyment ALICE ma unikatowe możliwości pomiaru trajektorii cząstek i ich identyfikacji przy niskich pędach w centralnym zakresie pospieszności (|y|<0.9), pozwalające na pomiar J/ψ przy pędach pT ~ 0 oraz separację produkcji natychmiastowych i opóźnionych J/ψ począwszy od pT ~ 1.5 GeV/c w zderzeniach Pb-Pb. Badania przedstawione w tej rozprawie wykorzystują dane ze zderzeń Pb-Pb przy energii w centrum masy na parę nukleonów √(s_NN ) = 5 TeV, zebrane przez kolaborację ALICE podczas LHC Run 2. Analiza polega na rekonstrukcji J/ψ w centralnym obszarze pospieszności w dielektronowym kanale rozpadu. Aby odseparować natychmiastowe od opóźnionych J/ψ, frakcja opóźnionych J/ψ (fB) jest wyznaczona wykorzystując dopasowanie funkcji jednocześnie do masy niezmienniczej i pseudopoprawnego czasu życia J/ψ, w różnych przedziałach pT w zakresie 1.5 < pT < 10 GeV/c. Dodatkowo, analiza jest przeprowadzona w różnych przedziałach centralności zderzeń Pb-Pb: 0-10%, 10-30% i 30-50%. To dopasowanie bazuje na szablonach otrzymanych z symulacji Monte-Carlo i danych eksperymentalnych. Frakcje otrzymane z dopasowania są poprawione na efekty związane z geometrią detektora i wydajnością rekonstrukcji. Frakcje opóźnionych J/ψ w zderzeniach pp wyznaczone są wykorzystując interpolację pomiędzy zmierzonymi wcześniej rozkładami opóźnionych J/ψ w centralnym przedziale pospieszności, w tych samych przedziałach pędowych jak w przypadku zderzeń Pb-Pb. Rozkłady produkowanych natychmiastowych i opóźnionych J/ψ, wyznaczone są poprzez przeskalowanie inkluzywnych rozkładów J/ψ RAA przez stosunek fB w zderzeniach Pb-Pb do fB w zderzeniach pp, w tych samych przedziałach pT i centralności. Błędy systematyczne pomiarów fB w zderzeniach Pb-Pb zostały wyznaczone biorąc pod uwagę wkłady z różnych źródeł i są uwzględnione w rozkładach natychmiastowych i opóźnionych J/ψ. Rozkłady produkcji natychmiastowych i opóźnionych J/ψ w zderzeniach jądrowych są zmodyfikowane w porównaniu do tych z binarnych zderzeń nukleon-nukleon przy tej samej energii zderzeń z powodu różnych efektów jądrowych. Takie modyfikacje można opisać ilościowo poprzez pomiar współczynników modyfikacji jądrowej (RAA). Współczynniki modyfikacji jądrowej dla natychmiastowych i opóźnionych J/ψ są zmierzone w zderzeniach Pb-Pb przy energii √(s_NN ) = 5 TeV w funkcji pT i przedziałach centralności wspomnianych powyżej. Błędy systematyczne wyznaczone dla fB są uwzględnione w zmierzonych rozkładach RAA. Końcowe wyniki są porównane z poprzednimi pomiarami wykonanymi przez eksperyment ALICE przy niższej energii zderzeń √(s_NN ) = 2.76 TeV. Należy zauważyć, że otrzymane nowe wyniki są znacznie dokładniejsze od tych przy niższej energii biorąc pod uwagę ilość przedziałów pędowych i centralności. Otrzymane wyniki są również porównane do podobnych pomiarów przy wysokich pędach wykonanych przez eksperymenty CMS i ATLAS. Prezentowane wyniki uzupełniają te otrzymane przy wysokich pędach rozszerzając zakres pędowy w stronę niskich pT. Wyniki najnowszych obliczeń teoretycznych opisujące produkcję J/ψ z uwzględnieniem różnych efektów w medium dla kwarków powabnych i pięknych w zależności od pT, użyte są do porównania ze zmierzonymi rozkładami i RAA dla natychmiastowych i opóźnionych J/ψ. Rozszerzenie tych badań jest również prezentowane, gdzie plany przyszłych pomiarów eksperymentu ALICE są w skrócie dyskutowane.
Charmonium production has been widely recognized as an excellent probe for investigating the properties of hot and dense nuclear matter formed in ultrarelativistic nuclear collisions at the Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC) and the Large Hadron Collider (LHC) within the framework of Quantum Chromodynamics (QCD). The measurements of directly produced J/𝜓 and those originated from feed-down of heavy charmonium states, prompt J/𝜓, provide a direct comparison with models that include J/𝜓 production through regeneration, the dominant production mechanism at low transverse momentum (pT) and in central collisions at the LHC. This is crucial to understand the J/𝜓 production via the regeneration mechanism. The measurements of J/𝜓 originating from the weak decay of b-hadrons, non-prompt J/𝜓, provide an estimate of beauty quark production in nuclear collisions. Such measurements are important to investigate the beauty quark energy loss in the nuclear medium. The ALICE experiment has unique tracking and particle identification capabilities down to very low momentum at midrapidity (|y| < 0.9), enabling the J/𝜓 reconstruction down to pT ∼ 0 and separation of prompt and non-prompt J/𝜓 down to pT ∼ 1.5 GeV/c in Pb–Pb collisions. This study utilizes the complete datasets from Pb–Pb collisions at the center of mass energy, √sNN = 5.02 TeV, collected by the ALICE experiment during the LHC Run 2 program. The analysis is performed by reconstructing J/𝜓 meson at midrapidity in the dielectron decay channel. To separate the prompt and non-prompt J/𝜓 contributions, non-prompt J/𝜓 fraction (fB) is extracted by simultaneous unbinned fits on invariant mass and pseudoproper decay length of dielectron candidates in different pT intervals in the range 1.5 < pT < 10 GeV/c. Additionally, the analysis is performed in different centrality intervals, namely, 0-10%, 10–30%, and 30-50%. The fits rely on the templates obtained from Monte-Carlo simulation and data collected in the experiment. The fractions obtained from the fits are corrected for the detector’s acceptance and reconstruction efficiency. Similarly, non-prompt J/𝜓 fractions in pp collisions are obtained by interpolating available non-prompt J/𝜓 measurements at midrapidity in the same pT intervals as in Pb–Pb collisions. The production yields of prompt and non-prompt J/𝜓 are determined by scaling inclusive J/𝜓 RAA by the ratio of fB in Pb–Pb to fB in pp collisions in the same pT and centrality intervals. Systematic uncertainties in fB measurements in Pb–Pb collisions due to possible sources are estimated and propagated to the measurements of yields of prompt and non-prompt J/𝜓. The prompt and non-prompt J/𝜓 production is modified in nuclear collisions in comparison to binary nucleon-nucleon collisions at the same collision energy due to various nuclear effects. Such modifications can be quantified by measurements of nuclear modification factors (RAA). The nuclear modification factors of prompt and non-prompt J/𝜓 are measured as a function of pT in Pb–Pb collisions at √sNN= 5.02 TeV across aforementioned centrality intervals. The systematic uncertainties obtained in the fB measurements are propagated to the measurements of the RAA. The final results are compared with the previous measurements performed by the ALICE experiment at lower collision energy √sNN = 2.76 TeV. Notably, the presented new results are more precise in terms of pT and centrality intervals compared to results at lower collision energy. The results are further compared with similar measurements at high pT by the CMS and ATLAS experiments. The measurements presented in this study complement the existing results obtained at high pT by extending the analysis to lower pT values. The state-of-the-art theoretical model calculations that include several medium effects for charm and beauty quarks depending on pT are adopted to compare with the production yields and RAA of both prompt and non-prompt J/𝜓. An extension to these studies is also presented, where the future plans of the ALICE experiment for such measurements are briefly discussed.
Dozymetria w przestrzennie frakcjonowanej radioterapii protonowej
(The Henryk Niewodniczański Institute of Nuclear Physics Polish Academy of Sciences, 2023) Toboła-Galus, Agata; Swakoń, Jan; Braziewicz, Janusz; Tulik, Piotr
Radioterapia protonowa jest jedną z metod leczenia nowotworów, w której odpowiednio uformowana wiązka protonów precyzyjnie napromienia obszar guza przy jednoczesnym oszczędzeniu otaczających zdrowych tkanek oraz narządów krytycznych pacjenta. Pewnym ograniczeń radioterapii są możliwe komplikacje wywołane reakcjami skóry w miejscu wejścia wiązki terapeutycznej w ciało pacjenta, m.in. w przypadku pasywnie formowanej wiązki protonowej do napromienienia nowotworów oka prowadzonej przez częściowo lub całkowicie zamkniętą powiekę. Jedną z możliwości zmniejszenia niepożądanej reakcji tkanek znajdujących się na drodze wiązki do guza, jest zastosowanie nowego sposobu formowania wiązki protonowej. Jest to technika, zwana przestrzennie frakcjonowaną radioterapią protonową pSFRT (ang. proton Spatially Fractionated Radiation Therapy) lub gridową radioterapią protonową (ang. Proton Grid Therapy). Metoda ta polega na uzyskaniu bardzo niejednorodnego rozkładu dawki w rejonie wejścia wiązki w tkanki pacjenta i jednorodnego rozkładu dawki w objętości guza. Tak uformowany rozkład dawki można uzyskać stosując np. kolimatory gridowe o odpowiednio dobranych parametrach siatki. Badania radiobiologiczne, w tym badania prowadzone na zwierzętach oraz testy kliniczne prowadzone na pacjentach pokazują, że tkanka zdrowa niejednorodnie napromieniona tak uformowaną wiązką regeneruje się szybciej i spada liczba powikłań u pacjentów. W trakcie realizacji niniejszej pracy przebadano w jaki sposób można uformować przestrzennie frakcjonowaną wiązkę protonową, która mogłaby zostać użyta w radioterapii protonowej nowotworów oka. Badania obliczeniowe dla kilku modeli kolimatorów gridowych dostarczyły danych, które pomogły wybrać optymalne konfiguracje fizycznych kolimatorów. Dla dwóch wybranych kolimatorów przeprowadzono weryfikację poprzecznego i głębokościowego rozkładu dawki na stanowisku do radioterapii protonowej nowotworów oka przy cyklotronie AIC-144, z wykorzystaniem dostępnej aparatury do kontroli jakości wiązki. Następnie, przy pomocy zaprojektowanych modulatorów energii przeprowadzono weryfikacje rozkładów formowanego poszerzonego piku Bragga SOBP dla przestrzenie frakcjonowanej wiązki protonowej. Na kształt poprzecznych i głębokościowych rozkładów dawki istotny wpływ mają parametry zastosowanego kolimatora, jak średnica otworu d oraz geometria układu napromieniania (odległość fantomu od kolimatora CPD (ang. Collimator to Phantom Distance)). Zmniejszając wartość CPD można uzyskać głębszą frakcjonację wiązki, zwiększając CPD zmniejsza się przestrzenna frakcjonacja wiązki charakteryzowana przez parametr PVDR (ang. Peak to Valley Dose Ratio). Minimalna odległość CPD, która jest możliwa przy napromienianych pacjenta pozwala, niezależnie od szerokości modulacji, na uzyskanie jednorodnego rozkładu dawki dopiero od pewnej głębokości, umożliwiając tym napromieniania głęboko położonych guzów i prowadzenia wiązki przez powiekę. Zgromadzone dane pomiarowe, przedstawione analizy i uzyskane wyniki prowadzą do wniosku, że możliwe jest uformowanie pola promieniowania, które będzie mogło być wykorzystanie do zabiegów w radioterapii protonowej nowotworów oka. Drugim celem pracy było zbadanie rozkładów dawek dostarczanych przez promieniowanie wtórne i rozproszone powstające w trakcie przestrzennie frakcjonowanej radioterapii protonowej formowanej kolimatorem gridowym. Przedstawione w pracy wyniki są efektem współpracy w ramach European Radiation Dosimetry Group EURADOS i przeprowadzonego w ramach Working Group WG9 eksperymentu „Grid Project”. Analiza wyników wykazała, że dla pola wiązki 10 cm × 10 cm × 10 cm, bliżej kolimatora gridowego dominują dawki od promieniowania gamma Dɣ, a bliżej środka SOBP dominują neutrony termiczne wyrażone przez gamma-równoważnik dawki od neutronów Dn. Wraz z oddalaniem się od kolimatora oraz pola wiązki protonowej udział promieniowania gamma maleje szybciej niż udział neutronów termicznych, spada również udział neutronów prędkich na skutek ich spowolnienia. Wartości dawek Dɣ/Dp, Dn/Dp w obszarze półcienia pola wiązki nie przekraczają 200 mGy/Gy, a równoważnika dawki H/Dp są na poziomie 20 mSv/Gy. W odległości 45 cm od kolimatora gridowego wartości dawki pochłoniętej, gamma-równoważnik dawki i równoważnika dawki od neutronów spadają odpowiednio do wartości rzędu 0,1 mGy/Gy, 0,5 mGy/Gy i 0,5 mSv/Gy. Napromienianie techniką grid generuje wyższe dawki od promieniowania wtórnego i rozproszonego niż w przypadku napromieniań wykonywanych techniką PBS (ang. Pencil Beam Scanning). W przypadku promieniowania gamma oszacowano 5-krotny wzrost dawki pochłoniętej, w przypadku ɣ-równoważnika dawki od neutronów 15-krotny wzrost, równoważnika dawki od neutronów 8-krotny. Dawki te nie odbiegają jednak od dawek, na jakie eksponowani są pacjenci w przypadku zabiegów napromieniania wykonywanych wiązką protonową formowaną technikami pasywnymi.
Proton radiotherapy is one of the methods of cancer treatment in which a properly shaped beam of protons precisely irradiates the tumor area while sparing the surrounding healthy tissues and the patient's critical organs. Some of the limitations of radiotherapy are possible complications caused by skin reactions at the point of entry of the therapeutic beam into the patient's body, e.g. in the case of a passively formed proton beam to irradiate eye tumors through a partially or fully closed eyelid.
One possibility to reduce the adverse reaction of tissues in the path of the beam to the tumor is the use of a new method of proton beam formation. This is a technique called proton Spatially Fractionated Radiation Therapy (pSFRT) or Proton Grid Therapy. This method consists in obtaining a very inhomogeneous dose distribution in the area of beam entry into the patient's tissues and a homogeneous dose distribution in the tumor volume. Dose distribution formed in this way can be obtained using grid collimators with appropriate grid parameters. Radiobiological studies, including studies on animals and clinical tests on patients, show that healthy tissue irradiated with a beam formed in this way regenerates faster and the number of complications in patients decreases. During the implementation of this work, it was investigated how to form a spatially fractionated proton beam that could be used in proton radiotherapy of eye tumors. Monte Carlo simulations for several models of grid collimators provided data for selecting the optimal configuration of physical collimators. Finally, for two collimators, verification of the lateral and depth distribution of the dose was carried out on the facility for proton radiotherapy of eye tumors at the AIC-144 cyclotron, using the available equipment for beam quality control in radiotherapy. Then, using the designed modulators, the distributions of the formed spread out Bragg Peak (SOBP) for the spatially fractionated proton beam were verified. The shape of the lateral and depth dose distributions is significantly influenced by the parameters of the collimator used, such as the diameter of the hole d and the geometry of the irradiation system - Collimator to Phantom Distance (CPD). By reducing the CPD value, a larger fractionation of the beam can be obtained, by increasing the CPD, the spatial fractionation of the beam, characterized by the PVDR (Peak to Valley Dose Ratio) parameter, decreases. The minimum CPD distance that is possible with irradiated patients allows, regardless of the modulation, to obtain a uniform dose distribution only from a certain depth, thus enabling the irradiation of deep-situated tumors and leading the beam through the eyelid. The collected measurement data presented analyzes and obtained results lead to the conclusion that it is possible to form a radiation field that can be used for proton radiotherapy treatments of eye tumors. The second aim of the study was to investigate the distribution of doses delivered by secondary radiation generated during spatially fractionated proton radiotherapy. The "Grid Project" experiment was carried out in cooperation with the European Radiation Dosimetry Group EURADOS in CCB IFJ PAN. The analysis of the results showed that for the 10 cm × 10 cm × 10 cm beam field, out-of-field doses from gamma radiation Dɣ dominate closer to the grid collimator, and thermal neutrons expressed by the ɣ-equivalent neutron dose Dn dominate closer to the center of the SOBP. With the distance from the collimator and the field of the proton beam, the contribution of gamma radiation decreases faster than the contribution of thermal neutrons, and the contribution of fast neutrons also decreases due to their slowdown. The dose values Dɣ/Dp, Dn/Dp in the penumbra area of the beam field do not exceed 200 mGy/Gy, and the neutron dose equivalent H/Dp was obtained at the level of 20 mSv/Gy. At a distance of 45 cm from the grid collimator, these values decrease to values of the order of 0.1 mGy/Gy, 0.5 mGy/Gy and 0.5 mSv/Gy, respectively. Grid irradiation generates higher doses from secondary radiation than in the case of irradiation using the Pencil Beam Scanning (PBS) technique. In the case of gamma radiation, a 5-fold increase in the absorbed dose was estimated, in the case of ɣ-equivalent neutron dose, a 15-fold increase, and an 8-fold increase in the neutron dose equivalent. However, these doses do not differ from the doses to which patients are exposed in the case of irradiation procedures performed with a proton beam formed using passive techniques.
Evidence of the Exclusive Jet Production Using the ATLAS Detector
(The Henryk Niewodniczański Institute of Nuclear Physics Polish Academy of Sciences, 2023) Erland, Paula; Chwastowski, Janusz; Trzebiński , Maciej; Ciborowski, Jacek; Łuszczak, Marta; Szumlak, Tomasz
Prawdopodobnie od początku swojej historii ludzie zaczęli zadawać pytania dotyczące ich otoczenia. Ta ciekawość prowadziła ludzkość przez wieki odkryć i innowacji. Wciąż jednak wiele pytań pozostaje bez odpowiedzi. Wśród nich są bardzo podstawowe, takie jak te o początek Wszechświata lub o prawa nim rządzące. Jednym ze sposobów znalezienia odpowiedzi na pytania dotyczące natury naszego Wszech- świata jest badanie podstawowych składników materii. Można to zrobić za pomocą najpotężniejszych mikroskopów zbudowanych ludzką ręką – akceleratorów cząstek – i ich „oczu” – detektorów. Ogólną ideą działania takiej aparatury jest zderzanie przyspieszonych wiązek cząstek (np. elektronów, protonów, jonów) i mierzenie produktów takiego zderzenia. Obecnie, ze względu na złożoność tych urządzeń, badania prowadzone są we współpracy skupiającej fizyków z całego świata. Jednym z takich międzynarodowych laboratoriów jest CERN (Conseil Europ ́een pour la Recherche Nucl ́eaire), w którym znajduje się największy akcelerator dotychczas zbudowany przez człowieka – Wielki Zderzacz Hadronów (LHC). Akcelerator ten wraz z zainstalowanymi na nim detektorami umożliwia badanie różnych zjawisk pojawiających się w oddziaływaniach zderzają- cych się cząstek. Niniejsza praca opisuje badania dotyczące produkcji tzw. dżetów w przypadkach gdy jeden z oddziałujących protonów pozostaje nietknięty i może zostać zmierzony. Pierwszy rozdział zawiera wprowadzenie do Modelu Standardowego, który jest powszechnie używaną teorią opisującą cząstki elementarne i oddziaływania między nimi. Omówiona została również chromodynamika kwantowa – teoria opisująca oddziaływania kwarków i gluonów. W rozdziale można również znaleźć opis procesów dyfrakcyjnych, które są jednymi z możliwych typów oddziaływań podczas zderzeń proton-proton. Opisana została też pokrótce budowa protonu i Pomeronu. Na koniec opisany został główny temat pracy: proces dyfrakcyjnej i ekskluzywnej produkcji dżetów. Rozdział drugi zawiera informacje o strukturze Wielkiego Zderzacza Hadronów. Zrozumienie tej aparatury jest niezbędne, ponieważ ustawienia akceleratora LHC (tzw. optyka) wpływa na trajektorię protonów. Ich obecność jest jedną z cech procesów dyfrakcyjnych i ekskluzywnych. Opis detektora „A Toroidal LHC ApparatuS” (ATLAS) użytego w tej pracy do pomiaru dżetów, znajduje się w rozdziale 3. Natomiast w rozdziale 4 przedstawiono detektory „ATLAS Forward Proton” (AFP) dostarczające informacji o protonie rozproszonym do przodu. Rozdziały 3 i 4 są równie ważne, ponieważ dane zebrane przez rozważane detektory są wykorzystywane w niniejszej pracy. Po powyższej części wprowadzającej następuje Rozdział 5 zawierający szczegółowy opis analizy procesów pojedynczej dyfrakcyji w danych zebranych przez detektor ATLAS w 2017 roku. W pierwszej kolejności przedstawiono badania poświęcone doborowi najbardziej odpowiednich do tej analizy algorytmów triggerowych. Następnie przeprowadzone zostały studia obiektów zrekonstruowanych w detektorach ATLAS i AFP. Opisano cięcia na ich „dobrą jakość”, pokazano ich podstawowe właściwości w porównaniu z przewidywaniami generatora Monte Carlo oraz przedstawiono szczegóły selekcji przypadków pojedynczej dyfrakcji. W następnej części rozdziału szóstego zostały omówione dwie metody redukcji tła. Pierwsza wykorzystuje próbkę tła (zdominowaną przez dżety niedyfrakcyjne) do określenia regionów wzbogaconych w zdarzenia sygnałowe. Druga wprowadza cięcie na obecność klastrów w przednim obszarze kalorymetru. Obie metody zostały wykorzystane do selekcji przypadków. Na koniec przedstawiono efektywne przekroje czynne po zastosowaniu danych kryteriów selekcji. Średni przekrój czynny dla strony A i C wynosi odpowiednio 74.4 ± 9.0 nb oraz 81.1 ± 3.8 nb. Liczby te powinny być jednak traktowane z zachowaniem dużej rezerwy gdyż czystość próbki jest mała (zaledwie 10-20%). Ostatni rozdział skupia się na poszukiwaniach przypadków produkcji ekskluzywnych dżetów. Analizę oparto o metodę pojedynczego tagu protonu. Procesy ekskluzywnej produkcji dżetów nie były widoczne w danych z wyższą krotnością zderzeń proton-proton (pile-up, μ). W danych z małym pile-upem (μ ∼ 0.05) 101 zderzeń zostało zidentyfikowanych jako kandydaci na przypadki ekskluzywne. Widoczny przekrój czynny na produkcję ekskluzywnych dżetów został oszacowany na 1.56 ± 0.47 nb dla protonu tagowanego po stronie A oraz 1.9 ± 0.2 nb gdy proton jest po stronie C. Otrzymany wynik jest zgodny z przewidywaniami Monte Carlo. Techniczne aspekty wybranych analiz wykonanych w trakcie mojego doktoratu zostały opisane w dodatkach. W Dodatku A przedstawiono badania wykonane dla detektorów AFP Silicon Tracker (SiT). Ich celem było opracowanie algorytmu wyszukiwania martwych, mało wydajnych lub gorących pikseli. Wydajność tych algorytmów przedstawiono w niniejszym dodatku. W dodatku B omówiono działanie algorytmu tiggerowego do zastosowania w selekcji ekskluzywnej produkcji dżetów. Idea algorytmu polega na porównaniu położenia protonu przewidywanego na podstawie kinematyki układu dwu-dżetowego w centralnym detektorze z położeniem protonu zarejestrowanego w detektorze AFP. Podczas badań przeanalizowano różne scenariusze optyki LHC, a także możliwe ulepszenia działania triggera. Dodatek C zawiera badania poświęcone działaniu algorytmów triggerowych wyszukujących przypadki zawierające dżety i protony “do przodu”. Obliczono efektywności algorytmów dostępnych podczas zbierania danych w 2017 r. Efektywności zostały przeanalizowane w zależności od czasu, pędu poprzecznego wiodącego dżetu i strat energii protonów. Ponadto pokazano tzw. „dead-time effect” dla triggerów AFP.
Very early in human history, people started to ask questions concerning their surroundings. This curiosity lead mankind thru the ages of discoveries and innovations. Still, many questions remain unanswered. Among them are very basic ones, like how the Universe started or what are its fundamental components. One way to find the answers to questions about the nature of our Universe is to study basic constituents of matter. This can be done using the most powerful microscopes human-build so far – the particle accelerators – and their eyepieces – the particle detectors. Their general principle of operation is to collide accelerated bunches of particles (e.g. electrons, protons, ions) and detect products of such a collision. Nowadays, due to the complexity of these devices, studies are carried out by collaborations gathering physicists from all around the world. One such laboratory is CERN (Conseil Europ ́een pour la Recherche Nucl ́eaire) hosting the largest and the highest energy human-build accelerator – the Large Hadron Collider (LHC). This accelerator and its detectors allow studies of various phenomena observed in the interactions of colliding particles. This thesis describes one class of such processes: the production of jets in cases one interacting proton survives and can be measured. The first Chapter introduces basics of the Standard Model, a commonly accepted theory describing elementary particles and interactions between them. It discusses also Quantum Chromodynamics (QCD) – a theory describing interactions of quarks and gluons. In this chapter one can also find the description of diffractive processes followed by a brief discussion on the structure of a proton and Pomeron. Finally, the main subject of this thesis, the processes of Single Diffractive Di-Jet (SD JJ) is described. The second Chapter provides information about the structure of the Large Hadron Collider. Its understanding is essential since the LHC accelerator settings (the so-called machine optics) influence the scattered forward proton trajectory. The presence of the forward protons is one of the features of the diffractive or exclusive events. A brief description of “A Toroidal LHC ApparatuS” (ATLAS) detector, which is used for the jet measurement, is given in Chapter 3. Chapter 4 introduces the ATLAS Forward Proton detectors (AFP) providing information concerning the forward scattered proton. Both Chapters 3 and 4 are equally important since the data collected by the considered detectors are used in the present work. The above introductory part is followed by Chapter 5 containing the description of the analysis of the Single Diffractive Jet processes. First, the studies dedicated to the selection of triggers most suitable for this analysis are presented. Next, the properties of objects reconstructed in ATLAS and AFP are studied. The selection on their “quality” is described. Their basic properties in comparison to the Monte Carlo sample are shown and the details on standard SD JJ cuts are presented. These studies are followed by an exploration of background subtraction methods. The first one uses the background sample (triggered by a random trigger, expected to be dominated by non-diffractive jets) to determine the regions enriched in signal events. The second method introduces the gap-like cut on the presence of clusters in the forward calorimeter region. Both methods are then applied in the analysis. Finally, the visible cross-section is presented for all studied data sets after each selection step. The average visible cross-section for sides A and C is 74.4 ± 9.0 nb and 81.1 ± 3.8 nb, correspondingly. These numbers should be, however, treated with great caution since the purity of considered samples is low an between 10-20%. The last chapter focuses on searches of the exclusive jet processes in the low-μ 2017 data. The analysis uses the single tag method. The presence of the exclusive events was not evident in data taken with higher pile-up conditions. However, in the sample recorded with the smallest pile-up (0.05), 101 events were determined as candidates. The event displays were presented for the most interesting cases. The visible cross-section for the production of exclusive di-jets to be 1.56 ± 0.47 nb for the A side proton tag and 1.9 ± 0.2 nb for the C side one. The results are in a good agreement with Monte Carlo predictions. In the appendixes, a few technical aspects of the analyses done during my PhD are described. Appendix A presents the studies performed for the AFP Silicon Tracker detectors (SiT). The goal of this work was to develop an algorithm for searches of low-efficiency, dead and hot pixels. The performance of these algorithms is presented. In Appendix B, the performance of the AFP exclusive jet trigger algorithm is discussed. The algorithm was designed to enable an efficient registration of the exclusive jet processes. The idea of the algorithm is to compare the proton position predicted from the di-jet system kinematics in the central detector to that of the proton registered in the AFP. During the study, various scenarios of the LHC optics were analysed as well as the possible improvements of the trigger performance (e.g. studying the trigger efficiency with various radii of acceptance). Appendix C contains studies dedicated to the performance of AFP jet trigger algorithms. The efficiencies of such triggers available during 2017 data taking are calculated. The efficiencies are analysed in dependence on time, the leading jet transverse momentum and proton energy loss. In addition, the dead-time effect for AFP triggers is described.