Rozprawy doktorskie IFJ PAN (Doctoral dissertations of IFJ PAN)

Permanent URI for this collection

https://rifj.ifj.edu.pl/handle/item/3

Browse

Now showing 1 - 20 of 129

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.
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.
Fluorescencyjne detektory śladów cząstek jądrowych na bazie kryształów fluorku litu: rozwój i optymalizacja metody oraz badanie efektów temperaturowych
(The Henryk Niewodniczański Institute of Nuclear Physics Polish Academy of Sciences, 2023) Sankowska, Małgorzata; Bilski, Paweł; Chruścińska, Alicja; Jung, Aleksandra; Mandowski, Arkadiusz
Jednym z najbardziej rewolucyjnych osiągnięć ostatnich lat w dziedzinie dozymetrii luminescencyjnej było przedstawienie przez firmę Landauer fluorescencyjnych detektorów śladów cząstek jądrowych (FNTD) z kryształów tlenku glinu (Al2O3:C,Mg). Technika ta wykorzystuje fotoluminescencję centrów barwnych, które wytwarzane są w materiale detektora w wyniku oddziaływania z promieniowaniem jonizującym. Wzbudzenie tych centrów światłem o odpowiedniej długości fali pozwala na obserwację śladów pojedynczych cząstek przy zastosowaniu mikroskopu fluorescencyjnego. Przez długi czas tlenek glinu był jedynym materiałem z powodzeniem stosowanym jako FNTD. Dopiero niedawno zespół naukowców z Instytutu Fizyki Jądrowej PAN w Krakowie był w stanie uzyskać wysokiej jakości obrazy mikroskopowe z użyciem kryształów fluorku litu (LiF). Chociaż technika ta ma ogromny potencjał, a detektory FNTD z powodzeniem zostały wykorzystane do obrazowania śladów takich cząstek jak cząstki alfa, jony oraz elektrony, dalszy rozwój metodyki pomiaru oraz analizy jest niezbędny. W ramach rozprawy doktorskiej opracowano metodykę umożliwiającą ilościową analizę i porównywanie ze sobą śladów cząstek jądrowych zmierzonych dla obrazów zarejestrowanych w różnych warunkach. Opracowano formuły korekcyjne pozwalające na uniezależnienie jasności śladów od takich parametrów, jak głębokość w krysztale, na której prowadzony jest pomiar oraz czas akwizycji. Druga część pracy skupiała się na badaniu efektów temperaturowych występujących we fluorku litu i próbie wykorzystania ich w celu zwiększenia możliwości pomiarowych fluorescencyjnych detektorów śladów cząstek jądrowych z LiF. Niski stosunek sygnału do tła jest jedną z największych przeszkód utrudniających dalszy rozwój techniki FNTD. Wykazano, że zastosowanie odpowiedniego procesu grzania dla wcześniej napromienionych detektorów może prowadzić do zwiększenia sygnału fotoluminescencji. Prowadzenie pomiarów w podwyższonych temperaturach (z zakresu od 60 do 100°C) pozwoliło po raz pierwszy na rejestrację obrazów mikroskopowych śladów cząstek alfa w zielonym zakresie widma emisyjnego. Za największe osiągnięcie pracy można uznać odkrycie efektu wzmocnienia jasności śladów w wyniku wygrzewania detektorów do temperatury z zakresu 200°C – 300°C. Wzmocnienie, a także szerokość warstwy powierzchniowej, w której efekt występuje, zależy od procesu grzania wysokotemperaturowego (temperatura 840°C), który stosowany jest standardowo podczas preparatyki próbek. Dzięki optymalizacji tych dwóch procesów grzania możliwe było osiągnięcie aż czterokrotnego wzmocnienia jasności obserwowanych śladów. Zjawisko to jest niezwykle obiecujące i może prowadzić do zwiększenia możliwości pomiarowych metody FNTD. Dodatkowo procedura grzania jest szybka i łatwa, co sprawia, że możne zostać bez problemu wprowadzona do standardowej metodyki pomiaru. One of the most revolutionary achievements in the field of luminescence dosimetry in recent years was the introduction of Fluorescent Nuclear Track Detectors (FNTDs) from aluminum oxide (Al2O3:C,Mg) crystals by the scientist from Landauer. This technique exploits the photoluminescence of color centers which are produced in the material as a result of interaction with ionizing radiation. Such centers, when excited by light of an appropriate wavelength, emit photons which make it possible to see the tracks of single particles while using a fluorescence microscope. For a long time, aluminum oxide was the only material successfully used as FNTD. Only recently, a team of scientists from the Institute of Nuclear Physics Polish Academy of Sciences in Kraków was able to obtain high-quality microscopic images using lithium fluoride (LiF) crystals. Although this technique has great potential, and FNTD detectors have been successfully used to image traces of particles such as alpha particles, ions and electrons, further development of measurement methodology and image analysis is necessary. Within this doctoral dissertation, a methodology was developed to enable quantitative analysis and comparison of nuclear particle tracks measured for images acquired under different conditions. Correction formulas have been developed to make the brightness of the tracks independent of such parameters as the depth in the crystal at which the measurement is carried out and the acquisition time. The second part of the work focused on the study of temperature effects occurring in lithium fluoride in an attempt to use them to increase the measurement capabilities of fluorescent nuclear track detectors based on LiF. The low signal-to-noise ratio is one of the biggest obstacles hindering the further development of the FNTD technique. Within the conducted studies it has been shown that the usage of an appropriate heating process after prior irradiation of FNTD detectors can lead to an increase in the photoluminescence signal. Performing measurements at elevated temperatures (from 60 to 100 °C) allowed, for the first time, to acquire microscopic images of alpha particles tracks in the green range of the emission spectrum. The discovery of the effect of track intensity enhancement after heating of the detectors to the temperature ranging from 200 to 300 °C can be considered the greatest achievement of this doctoral dissertation. The strength of the effect as well as the width of the surface layer in which the effect occurs depends on the high-temperature heating process (temperature of 840°C), which is routinely used during sample preparation. Thanks to the optimization of these two heating processes, it was possible to achieve a four-time increase in the brightness of the observed tracks. This phenomenon is extremely promising and may lead to an increase in the measurement capabilities of the FNTD method. In addition, the heating procedure is quick and easy, which means that it can be easily introduced into the standard measurement methodology.
Study of b-jet production and properties at the LHC
(The Henryk Niewodniczański Institute of Nuclear Physics Polish Academy of Sciences, 2023) Bysiak, Sebastian; Otwinowski, Jacek; Sputowska, Iwona; Bołd, Tomasz; Kalinowski, Artur; Obłąkowska-Mucha, Agnieszka
Pomiary produkcji dżetów stanowią fundamentalne narzędzie badawcze w zakresie perturbatywnej chromodynamiki kwantowej (pQCD). Pełnią one również istotną rolę w innych dziedzinach fizyki wysokich energii. Tłumienie dżetów jest prawdopodobnie jednym z najbardziej spektakularnych dowodów na tworzenie się plazmy kwarkowo-gluonowej w ultrarelatywistycznych zderzeniach ciężkich jonów. Współcześnie pojawienie się nowatorskich technik eksperymentalnych, w tym obserwacji wewnętrznej struktury dżetów oraz zastosowania algorytmów uczenia maszynowego, rewolucjonizuje ten obszar badań. Nowe możliwości znakowania dżetów pozwalają na badania porównawcze między dżetami pochodzącymi z różnych partonów. Pomiar wewnętrznej struktury otwiera drzwi do bezpośrednich obserwacji efektów splątanych dotąd w bardziej ogólnych obserwacjach. Doskonałym przykładem jest pomiar efektu martwego stożka dokonany przez eksperyment ALICE. Wyniki przedstawione w tej pracy korzystają z postępów w obu tych obszarach. Pierwsza część opisuje analizę przekroju czynnego na produkcję dżetów pięknych, zmierzonego w zderzeniach pp przy √s = 5.02 TeV przez eksperyment ALICE na LHC. Jest to pierwsze zastosowanie uczenia maszynowego do pomiarów dżetów ciężkich kwarków w eksperymencie ALICE. Nowa metoda znacząco poprawia wydajność i czystość znakowania oraz wykazuje stabilność w szerokim zakresie tych parametrów. Wyniki są zgodne z przewidywaniami pQCD w przybliżeniu NLO oraz wynikami ALICE uzyskanymi innymi metodami. Druga część przedstawia badania symulacyjne efektu martwego stożka w pomiarach dżetów pięknych w zderzeniach ciężkich jonów. Badanie to skupia się na eliminacji zaburzeń wprowadzonych przez nieskorelowane tło. Połączenie re-klasteryzacji dżetów i technik ich oczyszczania pozwala na przywrócenie ilościowych właściwości dżetów związanych z efektem martwego stożka. Ponadto, praca zwraca uwagę na pewne nieoczywiste, potencjalne problemy, które mogą pojawić się podczas przyszłych pomiarów tego efektu. Jet production is a fundamental probe of perturbative quantum chromodynamics (pQCD). They play a vital role also in other areas of high energy physics. Jet quenching is arguably one of the most spectacular proofs of the creation of quark-gluon plasma in ultrarelativistic collisions of heavy ions. Nowadays, the rise of novel experimental techniques, including jet substructure observables and the application of machine learning algorithms, are revolutionizing this field of study. New jet tagging capabilities allow for comparative studies between jet flavours. Substructure measurements open doors for direct observation of the effects, entangled into more generic observables. A perfect example is the dead-cone measurement by ALICE. Results shown in this thesis benefit from both of these advances. The first part describes the analysis of the beauty-jet production cross section, measured in pp collisions at √s = 5.02 TeV by the ALICE experiment at the LHC. It is the first application of machine-learning for heavy flavour jet measurements in ALICE. The new method significantly improves tagging efficiency and purity, and shows a good stability over a wide range of these parameters. Results are consistent with the NLO pQCD predictions and the ALICE results obtained with other methods. The second part shows simulation studies for the dead-cone effect measurement for beauty jets in heavy-ion collisions. The study focuses on the removal of distortions introduced by uncorrelated heavy-ion background. The combination of jet reclustering and jet grooming allows for the restoration of the quantitative properties related to the dead-cone effect of jets. Additionally, this thesis highlights some potential issues that may arise during future measurements of this effect, which are not immediately apparent.
Badanie zmian struktury elektronowej związków tytanu wynikających z procesów utleniania oraz domieszkowania
(The Henryk Niewodniczański Institute of Nuclear Physics Polish Academy of Sciences, 2023) Wojtaszek, Klaudia; Szlachetko, Jakub; Wach, Anna; Tabiś, Wojciech; Witkowska, Agnieszka; Wolska, Anna
Niniejsza rozprawa doktorska została poświęcona badaniu zmian struktury elektronowej związków tytanu wynikających z procesów utleniania oraz domieszkowania. Ditlenek tytanu posiada specyficzne właściwości fotoindukcyjne, które są wykorzystywane w wielu obszarzch przemysłu, między innymi w tworzeniu samoczyszczących się powierzchni, odnawialnych źródeł energii czy oczyszczaniu wody i powietrza. Szczególne zainteresowanie świata naukowego wzbudza proces fotokatalizy, czyli promowanie na powierzchni fotokatalizatora reakcji chemicznych w wyniku absoprcji kwantu światła. TiO2 jest wydajnym fotokatalizatorem, lecz wymaga wzbudzenia światłem z zakresu promieniowania ultrafioletowego, co determinuje duża szerokości przerwy energetycznej (3,0 – 3,2 eV). Związek ten jest od wielu lat modyfikowany w celu zwiększenia jego aktywności w zakresie światła widzialnego, co umożliwiłoby bezpośrednie wykorzystania światła słonecznego do promowania przemian fotochemicznych z jego udziałem. Dominującą strategią modyfikacji jest domieszkowanie pierwiastkami takimi jak C, N, S lub Cu, których obecność może powodować przesunięcie energii pasma walencyjnego lub pasma przewodnictwa bądź tworzenie się stanów pułapkowych w paśmie wzbronionym fotokatalizatora. Sposób domieszkowania i skuteczność tego procesu w dużej mierze zależy od przyjętej procedury syntezy materiału, która prowadzi do specyficznych zmian jego struktury elektronowej. W wielu przypadkach zwiększenie absorpcji w zakresie światła widzialnego nie przekłada się jednak na poprawę właściwości fotokatalitycznych TiO2, bądź czasem nawet je pogarsza. Dlatego ustalenie zależności pomiędzy reaktywnością powierzchni fotokatalizatora a zmianami jakie zaszły w jego strukturze elektronowej ma kluczowe znaczenie w procesie jego efektywnej modyfikacji. W prezentowanej pracy zaproponowano wykorzystanie zaawansowanych technik pomiarowych rentgenowskiej spektroskopii emisyjnej i absorpcyjnej połączonych z obliczeniami teoretycznymi w celu wyznaczenia gęstości obsadzonych i nieobsadzonych stanów elektronowych oraz określenia lokalnego otoczenia chemicznego atomu tytanu w procesie domieszkowania oraz termicznego utleniania. W pracy wykonano kompleksowe badania struktury elektronowej TiO2 w trzech eksperymentach przeprowadzonych na synchrotronowych liniach badawczych w takich ośrodkach jak Swiss Light Source (Villingen, Szwajcaria), BESSY II (Berlin, Niemcy) oraz SOLARIS (Kraków, Polska). Pierwszy eksperyment skupiony był na zbadaniu struktury elektronowej ditlenku tytanu w formie anatazu i rutylu oraz metalicznego tytanu. Dokładne poznanie stanów tworzący pasmo walencyjne oraz pasmo przewodnictwa tych związków stanowiło podstawę do badań nad ich modyfikacją. Drugi eksperyment polegał na zbadaniu zmian zachodzących w strukturze elektronowej metalicznego tytanu podczas procesu termicznego utleniania. Eksperyment, ze względu na konieczność wykonania niektórych pomiarów w środowisku ultrawysokiej próżni, podzielono na pomiary ex situ (pomiar następuje po zakończonym procesie) oraz pomiary in situ prowadzone jednocześnie z termicznym utlenianiem próbki (pomiar w czasie trwania procesu). Ostatni, trzeci eksperyment poświęcono badaniu zmian jakie zachodzą w strukturze elektronowej TiO2 pod wpływem domieszkowania miedzią i azotem. W pracy zbadano przemiany metal-tlenek zachodzące w czasie rzeczywistym podczas procesu termicznego utleniania tytanu. Ponadto zbadano dynamikę zmian w strukturze elektronowej zachodzących w trakcie tworzenia się tlenku i wyznaczono zakres temperatur najszybszych przemian oraz temperatury dla przejścia z fazy metalicznej do anatazu, a następnie do rutylu. Analizę danych uzupełniły badania z wykorzystaniem rentgenowskich widm emisyjnych. Badania zrealizowano dla linii emisyjnych Kβ’ i Kβ1,3 oraz przejść walencyjnych. W pracy wykazano między innymi prawdopodobną obecność tytanu na +II stopniu utlenienia. Powiązano również wzrost parametru rozszczepienia w polu krystalicznym Δoct oraz stosunek intensywności struktur t2g/eg ze wzrostem temperatury utleniania. Zasugerowano, że efekty ekranowania dziur rdzeniowych dla stanów 2p1/2 i 2p3/2 są tej samej wielkości. W pracy zbadano również zmiany struktury elektronowej ditlenku tytanu wywołane domieszkowaniem. Zastosowanie pomiarów absorpcyjnych w trybie fluorescencji rentgenowskiej oraz pomiaru prądu próbki pozwoliło na zbadanie różnic pomiędzy sygnałem pochodzącym z całej objętości TiO2, a sygnałem z powierzchni materiału, która odgrywa znaczącą rolę w procesie fotokatalizy. Pokazano, że mechanizm substytucyjnego domieszkowania Cu jest dominującym procesem zarówno w objętości badanej próbki, jak i na jej powierzchni i powoduje zmiany w strukturze elektronowej TiO2 po stronie stanów walencyjnych. Miedź w badanej próbce występuje głównie w stanie Cu2+, jednakże stany powierzchniowe są zdominowane przez Cu+ co wynika z geometrii zakończenia powierzchni. Z kolei domieszkowanie TiO2 anionami N zachodzi w całym materiale w sposób międzywęzłowy. Wyniki otrzymane w pracy pozwoliły na wyjaśnienie jakie zmiany struktury elektronowej były odpowiedzialne za zwiększoną reaktywność TiO2 oraz absorpcję w zakresie światła widzialnego w badanych związkach tytanu domieszkowanych azotem i miedzią, a także na wgląd w sam proces tworzenia się tlenku podczas termicznego utleniania od stanu metaliczego tytanu do stanu stabilnej formy rutylu. Otrzymane wyniki opublikowano w pracy Wojtaszek i inni, Determination of Crystal-Field Splitting Induced by Thermal Oxidation of Titanium w czasopiśmie The Journal of Physical Chemistry A nr 125 z 2021 roku oraz w pracy Wach i inni, Towards understanding the TiO2 doping at the surface and bulk w czasopiśmie X-Ray Spectrometry w 2023 roku. This thesis concerns the study of the electronic structure changes in titanium compounds resulting from oxidation and doping processes. Titanium dioxide has specific photoinductive properties that are used in many areas of industry, including the creation of self-cleaning surfaces, renewable energy sources or water and air purification. Special interest of the scientific world is aroused by the process of photocatalysis, i.e., the promotion of chemical reactions on the surface of the photocatalyst as a result of the absorption of a light quantum. TiO2 is very effective photocatalyst, but it requires excitation in the UV-regime, which is determined by wide band gap energy (3,0 – 3,2 eV). For many years, research has been conducted on the modification of TiO2 in order to increase its activity in the visible light range, which would enable the direct utilization of sunlight to promote photochemical transformations with its participation. The main modification strategy is doping with elements such as C, N, S or Cu, the presence of which can cause a shift in the valence or conduction band edge and formation of trap states within the photocatalyst's band gap. The method of doping and the effectiveness of this process largely depend on the adopted procedure for the synthesis of the material, which leads to specific changes in its electronic structure. However, in many cases, the increased absorption in the visible light range does not improve the photocatalytic properties of TiO2, or even often diminish them. Therefore, determining the relationship between the reactivity of the photocatalyst surface and the changes that have occurred in its electronic structure is of crucial meaning in the process of its effective modification. In the present thesis proposes the use of advanced measurement techniques X-ray emission and X-ray absorption spectroscopy with support of theoretical calculations to determine the density of occupied and unoccupied electronic states and the local chemical environment of Ti atom in the process of doping and thermal oxidation. In this work, the electronic structure of TiO2 was studied in three experiments carried out on synchrotron beamlines at such research facilities as Swiss Light Source (Villingen, Switzerland), BESSY II (Berlin, Germany) and SOLARIS (Krakow, Poland). The first experiment was focused on the investigation of the electronic structure of titanium dioxide in the form of anatase and rutile and metallic titanium. Accurate knowledge of the states forming the valence band and the conduction band of these compounds was the basis for research on their modification. Due to the necessity to perform some measurements in an ultra-high vacuum environment, the experiment was divided into ex situ measurements (measurement takes place after the process is completed) and in situ measurements carried out simultaneously with thermal oxidation of the sample (measurements during the process). The last, third experiment was devoted to the study of changes that occur in the electronic structure of TiO2 under the influence of copper and nitrogen doping. In this work, real-time metal-oxide transformations during the thermal oxidation of titanium were investigated. Moreover, the dynamics of changes in the electronic structure occurring during the formation of the oxide were examined. The temperature range of the fastest transformations and transition temperature from the metallic phase to anatase and then to rutile were determined. Data analysis was complemented by studies that utilized X-ray emission spectra. The research was performed for the Kβ' and Kβ1,3 emission lines and valence transitions. The analysis showed the probable presence of titanium in the +II oxidation state. The relationship between the crystal-field splitting parameter Δoct and the ratio of t2g and eg states and the increase in the oxidation temperature was demonstrated. It was suggested that the core hole screening effect for the 2p1/2 and 2p3/2 states are of the same magnitude. Changes in the electronic structure of titanium dioxide caused by doping were also investigated in the work. Application of absorption measurements in total fluorescence yield mode and in a surface-sensitive total electron yield mode allowed to examine the differences between the signal coming from the bulk and from the surcace of TiO2, which plays a significant role in the photocatalysis process. It was shown that the mechanism of substitutional Cu doping is the dominant process both in the bulk and on the of the tested sample, and causes changes in the electronic structure of TiO2 on the side of valence states. In the case of Cu doping in TiO2 the data shows the formation of Cu2+ in the bulk states, but the surface states are dominated by Cu+ components resulting from surface termination geometries. On the other hand N doping was found to be interstitial and well distributed throughout the material. The results obtained in the work allowed to explain what changes in the electronic structure were responsible for the increased TiO2 reactivity and absorption in the visible light range in the nitrogen and copper doped titanium compounds. The research also provided insight into the process of oxide formation during thermal oxidation from the metallic state of titanium to the state of the stable rutile form. The obtained results were published in the work of Wojtaszek et al., titled “Determination of Crystal-Field Splitting Induced by Thermal Oxidation of Titanium” in The Journal of Physical Chemistry A No. 125 in 2021 and in the work of Wach et al., titled “Towards understanding the TiO2 doping at the surface and bulk” in the journal X-Ray Spectrometry in 2023.
Theory and phenomenology of transverse momentum dependent parton distribution functions
(The Henryk Niewodniczański Institute of Nuclear Physics Polish Academy of Sciences, 2023) Goda, Tomoki; Sapeta, Sebastian; Gőrlich, Lidia; Motyka, Leszek; Wagner, Jakub
Chromodynamika Kwantowa (Quantum Chromodynamics, QCD) została zaproponowana jako teoria oddziaływań silnych w latach 1972-1973 i przez następne pięćdziesiąt lat była intensywnie testowana w eksperymentach. Prawdopodobnie najbardziej intrygującymi własnościami QCD są uwięzienie kwarków i asymptotyczna swoboda. Pierwsza z nich oznacza, że naładowane kolorowo stopnie swobody teorii nie mogą być wyizolowane. Druga własność sprawia, że oddziaływania między kwarkami i gluonami stają się słabsze wraz ze wzrostem skali energetycznej. Powyższe cechy QCD w sposób naturalny doprowadziły do ba- dania silnych oddziaływań w granicy wysokich energii, w której stosowane może być podejście perturbacyjne (pQCD). W ciągu kilku minionych dekad prowadzone były liczne badania w takich eksperymentach jak Stanford Linear Accelerator Center (SLAC), Hadron–Electron Ring Accelerator (HERA) w DESY, Large Hadron Collider (LHC) w ośrodku CERN, i wielu innych. Obecnie, w fazie planowania i konstrukcji znajduje się nowy akcelerator Electron-Ion Collider (EIC), zlokalizowany Brookhaven National Laboratory (BNL) w USA. Jednym z głównych celów wymienionych wyżej badań jest poznanie i zrozumienie struktury hadronów, w szczególności protonu. Mimo, że obiekty te posiadają immanentny składnik nie-perturbacyjny, związany z uwięzieniem koloru, dzięki teoriom faktoryzacyjnym efekty te mogą być wyizolowane i zmierzone. Co więcej, własności hadronów mogą być badane w znaczniej mierze przy pomocy metod perturbacyjnej QCD, dzięki równaniom ewolucji mających swe źródło w resumacji dużych logarytmów. W perturbacyjnej Chromodynamice Kwantowej obliczane są tzw. elementy macierzowe, rząd po rzędzie w rozwinięciu względem silnej stałej sprzężenia αs. Podczas gdy wiodący rząd takiego rozwinięcia może dać pewien wgląd w dany proces, zazwyczaj konieczne jest liczenie kolejnych rzędów. Złożoność rachunków w wyższych rzędach wzrasta jednak eksponencjalne i niezbędne staje się używanie algorytmów zaimplementowanych w formie programów komputerowych. Podsumowując, badania struktury protonu związane są z dwoma aspektami: perturbacyjnym i nieperturbacyjnym. Efekty nieperturbacyjne opisywane są zwykle przy pomocy modeli fenomenologicznych, których parametry ustalane są przez fity do danych eksperymentalnych. Podejście perturbacyjne natomiast pozwala na zrozumienie wielu cech protonu, takich jak zależność od twardej skali, poprzez systematyczne rozwinięcie w stałej sprzężenia. Istotne jest jednak, że opis danych doświadczalnych nie może być kompletny bez uwzględnienia obu z powyższych aspektów. Modele fenomenologiczne są zazwyczaj prostsze niż rachunki perturbacyjne ale obydwa podejścia są do siebie komplementarne. Niniejsza rozprawa doktorska oparta jest na badaniach przeprowadzonych przeze mnie we współpracy z osobami wymienionymi poniżej i bazuje na następujących oryginalnych publikacjach: • ”Sector Decomposition Scheme for N3LO Beam Function” T. Goda and P. Mullender Acta Phys. Polon. B, vol. 52, no. 8, p. 947, 2021 • ”Sudakov effects and the dipole amplitude” T. Goda, K. Kutak and S. Sapeta, Nucl. Phys. B, vol. 990, p. 116155, 2023 • ”Effects of gluon kinematics and the Sudakov form factor on the dipole amplitude” T. Goda, K. Kutak and S. Sapeta arXiv:2305.14025, wysłane do European Physical Journal C Badania przedstawione w rozprawie przeprowadzone zostały zasadniczo w dwóch obszarach w ramach QCD: efektywnej teorii miękkich i kolinearnych gluonów (Soft-Collinear Effective Theory, SCET) oraz obszaru kinematycznego w którym dominują partony niosące mały ułamek, x, całkowitego pędu protonu. Pierwszy artykuł na powyższej liście publikacji zawiera badania w ramach SCET a dwa pozostałe dotyczą fizyki małych x. Prezentowana rozprawa posiada następującą strukturę. W rozdziale pierwszym dyskutowane są zagadnienia istotne dla obu z wyżej wymienionych obszarów. Celem tego rozdziału jest wyjaśnienie kluczowych pojęć i ustalenie notacji. W drugiej części rozdziału pierwszego skupiamy się na bardziej szczegółowym wprowadzeniu do zagadnień badanych w kolejnych rozdziałach. Drugi rozdział poświęcony jest badaniom funkcji beam w rzędzie N3LO. Kluczowym dla tego zagadnienia problemem jest zrozumienie skomplikowanej struktury rozbieżności podczerwonych oraz efektywna ich ekstrakcja. Dwa wprowadzone w tym celu narzędzia to tzw. selector functions oraz rozkład na sektory. W rozdziale drugim przedstawiony jest kompletny algorytm umożliwiający wykonywanie wszystkich całek pojawiających się rachunku funkcji beam w rzędzie N3LO. Algorytm jest następnie przetestowany i użyty do wyliczenia części biegunowej powyższej funkcji. Trzeci rozdział rozprawy skupia się na dwóch zagadnieniach z obszaru fizyki małych x. Badania te przeprowadzane zostały w ramach modeli saturacyjnych, które w niniejszej pracy zostały rozszerzone poprzez dodanie ważnych efektów fizycznych. Pierwszym z nich był czynnik Sudakova, który został włączony do dwóch znanych modeli przekrojów dipolowych tzw. modeli Golec-Biernat–Wustoff (GBW) i Bartels–Golec-Biernat–Kowalski (BGK). W drugiej części rozdziału dyskutujemy natomiast znaczenie dokładnej kinematyki w ramach faktoryzacji wysokich energii. Pokazujemy, że jej uwzględnienie ma znaczenie dla opisu danych oraz używamy tak rozszerzonych modeli do wyliczenia przewidywań dla projektowanego obecnie akceleratora EIC. Rozprawa zakończona jest podsumowaniem oraz trzema dodatkami. Quantum Chromodynamics (QCD) was proposed as a theory of strong interactions in the years 1972-1973 and, for over the next fifty years, it has been tested extensively in experiments. Probably the most puzzling and characteristic of QCD are the confinement and asymptotic freedom. The former means that colour-charged degrees of freedom of the theory cannot be iso- lated, while the latter causes interactions to become weaker as a relevant energy scale increases. These features of QCD naturally led to studying strong interactions in the high energy limit, in which perturbation theory (pQCD) is applicable. In the last several decades, numerous interna- tional efforts have been made, most notably at the Stanford Linear Accelerator Center (SLAC), Hadron–Electron Ring Accelerator (HERA) at DESY, and the Large Hadron Collider (LHC) at CERN, among others. A new accelerator, Electron-Ion Collider (EIC), is currently under development at the Brookhaven National Laboratory (BNL). One of the main objectives of these studies is to reveal the structure of hadrons, particularly the proton. While QCD is inherently non-perturbative due to colour-confinement, factorization theorems allow the non-perturbative effects to be isolated and measured. Although the hadron structure involves a non-perturbative component, its behaviour can still be studied in pQCD, most importantly via resummation of large logarithms. In perturbative QCD, one computes operator matrix elements, order by order in the strong coupling constant, αs. While the leading order (LO) approximation may give some insights into the processes, it is also important to go beyond. However, such computations become exponentially complex as the orders increase and use of automated algorithms implemented in computer programs is indispensable. To summarize, the study of the proton structure has two aspects: perturbative and non- perturbative. On the non-perturbative side, models are built and fitted to experimental data. On the perturbative side, some specific behaviours, for example, the hard-scale dependence can be studied by calculating series expansion in the strong coupling constant. As we discuss in this thesis, descriptions of experimental data is incomplete, if either of the above aspects is missing. In general, phenomenological models are much simpler to implement than perturbative calculations, while perturbative calculations are more precise, and they can motivate some specific forms of models. Therefore it is important to approach the problem of hadron structure from both sides. This thesis is based on the research conducted by myself in collaboration with people listed below. The list of the original publications is as follows: • ”Sector Decomposition Scheme for N3LO Beam Function” T. Goda and P. Mullender Acta Phys. Polon. B, vol. 52, no. 8, p. 947, 2021 • ”Sudakov effects and the dipole amplitude” T. Goda, K. Kutak and S. Sapeta, Nucl. Phys. B, vol. 990, p. 116155, 2023 • ”Effects of gluon kinematics and the Sudakov form factor on the dipole amplitude” T. Goda, K. Kutak and S. Sapeta arXiv:2305.14025, submitted to European Physical Journal C The research presented in this thesis involves two distinct areas of QCD, namely the field of Soft-Collinear Effective Theory (SCET), and the field of small-x physics. The first item in the above list of publications belongs to the former, while the rest of the items belong to th latter. The structure of the thesis is as follows. In the first chapter, we discus general topics which are related to both of the above fields, intended to outline some basic concepts and fix terminology and notation. In the latter half of the first chapter, we discuss in depth, the issues relevant for the specific problems. The second chapter is devoted to studies of the calculative techniques for the N3LO beam functions. In this chapter, two main ideas are introduced: selector functions and sector decomposition. A complete algorithm for calculation of phase space integrals appearing at N3LO is presented and successfully used to compute the pole part of the N3LO beam functions. The third chapter is devoted to the two projects in the area of small-x physics. Since they share some common background, the introductory part, which is focused on specific models of the dipole cross section, is be given jointly for the two studies. After the introductory sections, we discuss effects of the Sudakov form factor on the dipole cross section models, with special reference to the Golec-Biernat–Wustoff (GBW) and Bartels–Golec-Biernat–Kowalski (BGK) models. Finally, in the latter part of the chapter, effects of exact gluon kinematics in the kT -factorization formula of the F2 structure function are investigated in the context of the aforementioned models. These effects which are reflected in the fit parameters of the models, along with the Sudakov form factor, are further studied in the context of the future Electron-Ion Collider. The thesis is concluded by the summary chapter, which is followed by appendices.
Ill-posed inverse problems in the controlled nuclear fusion neutron measurements
(The Henryk Niewodniczański Institute of Nuclear Physics Polish Academy of Sciences, 2023) Mikszuta-Michalik, Katarzyna; Bielecki, Jakub; Łaszyńska, Ewa; Moskal, Paweł; Pawelec, Ewa; Słabkowska, Katarzyna
Fuzja termojądrowa to obiecująca reakcja jądrowa dla bezpiecznej i przyjaznej dla środowiska produkcji energii. Zrozumienie fizyki plazmy jest kluczowe dla opracowania reaktora termojądrowego, który zostanie wykorzystany do budowy komercyjnej elektrowni. Głównymi produktami fuzji jądrowej są neutrony, które wydostają się z plazmy bez interakcji dzięki czemu niosą niezaburzoną informację na temat swojego źródła. Celem pracy jest interpretacja rozkładu przestrzennego oraz energetycznego emisji neutronów. Rozkłady te są wynikiem rozwiązania źle postawionych problemów odwrotnych, które pozwalają na zrozumienie zjawisk zachodzących w plazmie. W rozprawie przedstawiono opracowane procedury matematyczne użyte do rozwiązywania problemów odwrotnych związanych z pomiarem diagnostykami neutronowymi na urządzeniach fuzyjnych. Algorytmy oparte na różnych metodach zostały wykorzystane do rekonstrukcji przestrzennego rozkładu emisyjności oraz widma energetycznego neutronów. Podstawowym przedmiotem rozprawy jest rekonstrukcja rozkładu emisyjności neutronów użyta jako narzędzie do badania temperatury i gęstości plazmy lub oddziaływań oraz transportu jonów podczas pracy tokamaka. Autorka rozprawy zaimplementowała kod komputerowy oparty na regularyzacji poprzez minimalizację Informacji Fishera (MFR) do tomografii neutronowej, która w rozprawie definiowana jest jako rekonstrukcja dwu wymiarowego rozkładu wielkości fizycznej. Opracowana metoda została wykorzystana do analizy danych syntetycznych w przypadku tokamaka ITER oraz eksperymentalnych dla tokamaka JET. Rekonstrukcja tomograficzna profili emisji neutronów umożliwia badanie temperatury jonów paliwa i kontrolę stabilności plazmy. Algorytm MFR został wykorzystany do optymalizacji architektury i wyboru rodzaju detektorów Radialnej Kamery Neutronowej (RNC – ang. Radial Neutron Camera) projektowanej dla tokamaka ITER. Analiza wyników otrzymanych z symulacji przy różnych trybach pracy tokamaka wykazała, że zmiana w architekturze kamery nie spowoduje znaczących zmian w jakości rekonstrukcji emisyjności neutronów w plazmie. Zastosowanie dodatkowego ograniczenia w postaci całkowitej emisji neutronów zmierzonej za pomocą niezależnego monitora neutronów znacząco poprawia wyniki tomografii. Dodatkowo zbadano wpływ zaburzeń w danych wejściowych, które mogą pojawić się podczas eksperymentu, na wyniki obliczeń. Opracowana metoda została wykorzystana również do analizy danych eksperymentalnych z kamery neutronowej na tokamaku JET, uzyskanych podczas kampanii deuterowo-trytowej w 2021 roku. Badanie zaburzeń w rozkładzie emisyjności neutronów dostarcza informacji niezbędnych do optymalizacji parametrów pracy pozwalających na wydłużenie czasu wyładowania plazmy. Zinterpretowano wyniki rekonstrukcji rozkładu emisyjności neutronów w przypadku dwóch scenariuszy pracy; bazowego i hybrydowego. Obliczenia tomograficzne dostarczają informacji o wpływie stosunku izotopów paliwa na stabilność plazmy oraz wpływie aktywności MHD na produkcję neutronów. W wyładowaniach zawierających małe ilości trytu zaobserwowano wiele odstępstw od standardowych rozkładów symetrycznych z maksymalną emisyjnością neutronów w centrum. W przypadku zaburzeń magnetohydrodynamicznych przeprowadzona analiza nie pozwoliła powiązać niestabilności emisji neutronów z badanymi zjawiskami. Ograniczenie w postaci całkowitej emisyjności neutronów nie poprawia bezwzględnych wartości rozkładu emisyjności neutronów dla tokamaka JET. Problemem są różne energie progowe dla detektorów kamer neutronowych i monitorów neutronów. Kolejnym przykładem źle postawionego problemu odwrotnego w pomiarach neutronów na urządzeniach fuzyjnych jest rekonstrukcja widma energetycznego z wykorzystaniem metody aktywacyjnej. Autorka rozprawy przygotowała kody komputerowe oparte na regularyzacji Tichonowa, minimalizacji informacji Fishera, zasadzie maksymalnej entropii i zasadzie maksymalnego prawdopodobieństwa. Nowatorskie podejście dotyczy łączenia różnych technik poprzez obliczanie średniego widma energetycznego ze wszystkich otrzymanych rezultatów. Opracowana metoda zastosowana została do analizy widm energetycznych neutronów emitowanych przez dwa rodzaje przenośnych generatorów neutronów 14 MeV opartych na reakcji deuter-tryt. Analiza widma energetycznego emitowanego przez plazmowy generator neutronów została wykonana z użyciem folii dozymetrycznych Al, Zn, Fe, Ni, Zr, oraz Au. Obliczenia pokazały, że reakcje deuter-deuter i tryt-tryt mogące zachodzić w urządzeniu mają pomijalnie mały wpływ na rozkład energii neutronów emitowanych w tym urządzeniu. Ze względu na dużą niepewność pomiarową aktywności folii dozymetrycznych najniższy błąd rekonstrukcji wynosił 18% dla widma otrzymanego z uśredniania po wszystkich metodach. Pomiar aktywności próbek Al, Fe, Ni, Zr, Au, Mg i Nb naświetlonych neutronami z generatora opartego na reakcji wiązka tarcza został wykonany za pomocą innego spektrometru z większą dokładnością. Pozwoliło to na zrekonstruowanie energetycznego widma neutronów dla którego otrzymano zgodność aktywności symulowanej i eksperymentalnej na poziomie 10%. Ustawienie próbek w odległości 21 cm od generatora spowodowało, że zarejestrowano wiele neutronów rozproszonych, które uniemożliwiają rozstrzygniecie czy w generatorze występują reakcje związane z adsorpcja jonów wiązki na tarczy. Opracowane metody zostaną w przyszłości zastosowane w analizie energetycznych widm neutronów na tokamakach. The thesis presents mathematical methods' potential to solve inverse problems related to the measurement by neutron diagnostics on fusion devices. Similar algorithms can be used to reconstruct the neutron emissivity spatial distribution and neutron energy spectrum. The main subject of this thesis is the tomography reconstruction of the neutron emissivity as the tool for studying plasma temperature and density or interactions and transport of the ions during the tokamak operation. An algorithm based on the Minimum Fisher Information Regularisation (MFR) has been implemented to analyse the data obtained by neutron cameras on ITER and JET tokamaks. The MFR algorithm was applied to optimise the Radial Neutron Camera for ITER architecture and detectors type during its design. Investigation of various operation regimes and issues that can appear during the experiment allows for preparing the efficient tool for thermal plasma analysis during ITER operation. The total neutron yield was applied to the MFR algorithm as the additional constraint and improved the tomography reconstruction precision. The developed method was used to analyse the experimental data from the neutron camera on JET tokamak collected during the deuterium tritium campaign in 2021. The interpretation of the neutron emissivity for two scenarios, baseline and hybrid, considered for ITER is described. The tomography calculations provide information about fuel isotopes ratio influence on the plasma stability and MHD activity impact on neutron production. The total neutron yield constraint does not improve the absolute values of the neutron emissivity distribution for JET tokamak. The problem is the different threshold energies for neutron camera detectors and neutron rate monitors. The combination of Tikhonov Regularization, Minimum Fisher Information, Maximum Entropy, and Maximum Likelihood methods was applied to analyse the energy spectra emitted by two kinds of the 14 MeV portable neutron generators based on deuterium-tritium reaction. The activities induced in the Al, Zn, Fe, Ni, Zr, Au by Gradel Fusion NSD 35 2-DT-C-W gas-plasma target neutron generator were measured by the BrilLanCe 380 scintillator with the lowest uncertainty equal to 10%. The reconstruction results show the domination of the 14 MeV neutrons in the energy spectrum. The impact of the deuterium-deuterium and tritium-tritium reactions is not demonstrated. The lowest energy spectrum reconstruction uncertainty, equal to 18%, was obtained by calculating the mean spectrum from all the considered methods. The neutron emission from the sealed tube neutron generator Genie 16C manufactured by Sodern was monitored by Al, Fe, Ni, Zr, Au, Mg, and Nb foils. The HPGe spectrometer measured their activity with a precision of better than 12%. The best spectrum reconstruction uncertainty was obtained for mean energy spectra and varied from 11% to 15%. A significant impact from the scattered neutrons on the measured neutron intensity makes it impossible to distinguish the presence of the deuterium-deuterium reaction. It is planned to implement the developed methodology on fusion devices like tokamaks.
Search for the 𝛬𝑐+ →𝑝𝜇+𝜇− decay at the LHCb Experiment
(The Henryk Niewodniczański Institute of Nuclear Physics Polish Academy of Sciences, 2023) Dudek, Maciej; Witek, Mariusz; Calabrese, Roberto; Bołd, Tomasz; Ciborowski, Jacek; Muryn, Bogdan
Głównym celem niniejszej pracy doktorskiej jest poszukiwanie nowej fizyki w rzadkim rozpadzie barionu Λ_c^+→pμ^+ μ^-. Hadrony powabne są obficie produkowane przez akcelerator LHC w zderzeniach proton-proton a ich produkty rozpadu są następnie rejestrowane przez detektor LHCb. Analiza przeprowadzona została dla danych zebranych w fazie Run2 w latach 2016-2018 przy energii w środku masy 13 TeV. Rozpad Λ_c^+→pμ^+ μ^- jest silnie tłumiony gdyż zachodzi poprzez procesy FCNC (Flavour-Changing Neutral Currents). Stwarza to potencjał dla obserwacji niewielkich efektów od procesów spoza Modelu Standardowego, które mogą spowodować różnice przewidywanych i zaobserwowanych częstości rozpadu lub rozkładów kątowych produktów rozpadu. W pracy przeprowadzono analizę dwóch zakresów masy inwariantnej systemu mionów m(µ+µ−). Obszar sygnału odpowiadający rozpadowi w procesach krótko zasięgowych obejmował zakresy mµ+µ− < 507.86 MeV/c2 i mµ+µ− > 1059.45 MeV/c2. Obszar rozpadów długo- zasięgowych z udziałem rezonansów podzielony został na zakresy obejmujące η, ρ, ω i ϕ. Rozpad rezonansowy Λ+→ pϕ posłużył jako kanał jednocześnie normalizacyjny i kontrolny. Ten sam stan końcowy dla sygnału i kanału normalizacyjnego zapewnił znoszenie się wielu efektów systematycznych. Przedstawiono wyniki na górna granice rozpadu sygnałowego oraz na stosunki rozpadu kanałów rezonansowych względem kanału normalizacyjnego. W górnym zakresie sygnału mµ+µ− > 1059.45 MeV/c2 znaczącość statystyczna przekroczyła dwa odchylenia standardowe. Interpretacja tego wyniku rożna od zajścia fluktuacji statystycznej wymagałaby zebrania większej liczby przypadków i przeprowadzenia analizy kątowej. W obszarze rezonansowym zaobserwowano po raz pierwszy rozpad Λ+ → pρ i zmierzono jego rozgałęzienie rozpadu. The main goal of this PhD thesis is to search for new physics in the rare baryon decay Λ_c^+→pμ^+ μ^-. Charm hadrons are abundantly produced by the LHC accelerator in proton-proton collisions and their decay products are recorded by the LHCb detector. The analysis was carried out for data collected in the Run2 phase in the years 2016-2018 at the center of mass energy of 13 TeV. The decay of Λ_c^+→pμ^+ μ^- is strongly suppressed as it occurs through FCNC (Flavour-Changing Neutral Currents) processes. This creates the potential for observing small effects from processes beyond the Standard Model that may cause differences in predicted and observed decay rates or angular distributions of decay products. In this thesis, an analysis of two ranges of the invariant mass of the muon system m(µ+µ−) was performed. The region of the signal corresponding to a decay in short-distance processes included the ranges mµ+µ− < 507.86 MeV/c2 and mµ+µ− > 1059.45 MeV/c2. The region of long-distance decays involving resonances was divided into ranges including η, ρ, ω and ϕ. The resonant decay Λ+→ pϕ served as both a normalization and control channel. The same final state for the signal and the normalization channel ensured the cancellation of many systematic effects. The results on the upper limit of the signal decay and the decay ratios of the resonant channels with respect to the normalization channel are presented. In the upper range of the signal mµ+µ− > 1059.45 MeV/c2 the statistical significance exceeded two standard deviations. Interpretation of this result other than the occurrence of statistical fluctuation would require collecting more events and performing an angular analysis. In the resonant region, the decay of Λ+ → pρ was observed for the first time and its branching ratio was measured.
Spectator-induced electromagnetic effects in 40Ar+45Sc collisions at 40A GeV/c beam momentum
(The Henryk Niewodniczański Institute of Nuclear Physics Polish Academy of Sciences, 2023) Bhosale, Sneha; Rybicki, Andrzej; Grabowska-Bołd, Iwona; Siemiarczuk, Teodor; Szumlak, Tomasz
Eksperyment NA61/SHINE (SPS Heavy Ion and Neutrino Experiment) w CERN to przedsięwzięcie naukowe, mające na celu zbadanie własności zjawisk produkcji hadronów w zderzeniach hadron-hadron, hadron-jądro i jądro-jądro. Niniejsza rozprawa doktorska przedstawia studium doświadczalne efektów elektromagnetycznych wywołanych przez "układy spektatorów" w zderzeniach Ar+Sc przy pędzie wiązki równym 40A GeV/c (√sNN = 8.76 GeV). Studium to polega na zbadaniu modyfikacji stosunków emisji naładowanych pionów (π+/π−) w funkcji zmiennej Feynmana xF, pędu poprzecznego pT i centralności zderzenia. Przedstawiona analiza eksperymentalna udowadnia obecność spowodowanych przez układy spektatorów efektów elektromagnetycznych w systemach zderzających się niewielkich jąder przy energiach akceleratora SPS. Z rosnącą peryferyjnością zderzenia, elektromagnetyczna dystorsja stosunków π+/π− zwiększa się wraz z rosnącym całkowitym ładunkiem układu spektatorów. Zaprezentowana w rozprawie analiza powiększa naszą wiedzę o nakładaniu się efektów elektromagnetycznych i izospinowych w zderzeniu. Zawiera ona także studium porównawcze pomiędzy zderzeniami Ar+Sc oraz danymi z peryferyjnych zderzeń Pb+Pb przy pędzie wiązki równym 158A GeV/c (√sNN = 17.3 GeV), uzyskanymi przez eksperyment NA49 na akceleratorze SPS. Studium to uzupełnia dyskusja jakościowych podobieństw oraz ilościowych różnic w efektach elektromagnetycznych w zderzeniach Ar+Sc i Pb+Pb. Wreszcie, uwzględniając fakt że wspomniane efekty mogą rzucić nowe światło na czasoprzestrzenną ewolucję procesu produkcji cząstek, rozprawa zawiera również obliczenia modelowe wykonane za pomocą symulacji Monte Carlo i mające na celu analizę tej ewolucji. The SPS Heavy Ion and Neutrino Experiment (NA61/SHINE) at CERN is a scientific endeavour aimed at scrutinizing the characteristics of hadron pro- duction in hadron-hadron, hadron-nucleus, and nucleus-nucleus collisions. In this doctoral dissertation, a comprehensive experimental study of spectator-induced electromagnetic (EM) effects in Ar+Sc collisions at 40A GeV/c (√sNN = 8.76 GeV) is presented. The study is carried out by analyzing the modification of charged pion (π+/π−) ratios as a function of the Feynman variable xF, transverse momentum pT, and collision centrality. The exper- imental analysis presented herein demonstrates the presence of spectatorinduced EM effects in small-scale nuclear collision systems at SPS energies. With increasing peripherality of the collision, the EM distortion of π+/π− ratios increases as a function of increasing spectator charge. The study presented in this dissertation enhances our understanding of the interplay between EM and isospin effects in the collision. Also, it in- cludes a comparative analysis between current Ar+Sc results and earlier results from the NA49 experiment’s Pb+Pb data for peripheral collisions at 158A GeV/c (√sNN = 17.3 GeV) obtained at the SPS. This analysis is sup- plemented by a discussion of the qualitative similarities and quantitative differences in EM effects in Ar+Sc and Pb+Pb collisions. Finally, acknowl- edging that these effects can shed new light on the space-time evolution of particle production, the study incorporates a dedicated Monte Carlo model simulation to explore this evolution.
The morphology, structure, and magnetic properties of metallic nanowires synthesized by electrodeposition
(The Henryk Niewodniczański Institute of Nuclear Physics Polish Academy of Sciences, 2024) Nykiel, Anna; Kąc, Małgorzata; Walcarius , Alain; Itina, Tatiana; Oćwieja, Magdalena; Ślęzak, Michał
Przedmiotem badań niniejszej pracy są nanodruty, czyli jednowymiarowe nanostruktury o długości kilku mikrometrów i średnicach rzędu nanometrów. Szczególnie interesujące magnetyczne nanodruty o silnej efektywnej anizotropii magnetycznej są obiecującymi materiałami do zastosowań jako nośniki pamięci magnetycznych 3D ze względu na obserwowaną w nich zdolność do płynnego rozprzestrzeniania się ściany domenowej z bardzo dużą prędkością wzdłuż nanodrutów (3D racetrack memory). Nanodruty o pożądanej geometrii, składzie i strukturze otrzymywane były w procesie elektrodepozycji wspomaganej szablonem. Prezentowana praca jest pracą interdyscyplinarną, a jej głównym celem była modyfikacja właściwości magnetycznych wzdłuż nanodrutów w celu uzyskania segmentowanych nanodrutów, których poszczególne segmenty wykazują zmiany składu chemicznego i związane z tym różne właściwości magnetyczne. W pracy przedstawiono wyniki badań morfologii, składu chemicznego, struktury i właściwości magnetycznych nanodrutów na bazie żelaza, kobaltu i niklu, a także ich stopów. Jednoelementowe nanodruty Fe, Co i Ni przygotowane w membranach poliwęglanowych charakteryzowały się różnymi typami struktury oraz parametrami magnetycznymi, takimi jak koercja i kwadratowość. Stopy binarne FeCo i FeNi były badane pod kątem wpływu zmiany potencjału katodowego na ich skład chemiczny, a co za tym idzie, właściwości. Nanodruty FeCo charakteryzowały się słabą wrażliwością składu chemicznego na przyłożony potencjał w przeciwieństwie do nanodrutów FeNi, które wykazywały wzrost zawartości Ni wraz ze wzrostem napięcia i związany z tym wzrost koercji i prostopadłości. Główna część pracy dotyczyła nanodrutów FeCoNi o różnych średnicach i długościach, których skład chemiczny był także modyfikowany poprzez zmiany przyłożonego potencjału. Zaobserwowano, że wzrost potencjału katodowego powodował wzrost zawartości niklu z jednoczesnym ubożeniem układów w żelazo i kobalt. Obserwacje morfologii potwierdziły ciągłość nanodrutów i gładkość ich powierzchni oraz stałe średnice mierzone wzdłuż osi, natomiast pomiary dyfrakcji rentgenowskiej ujawniły polikrystaliczną strukturę fcc FeCoNi z preferowanym kierunkiem wzrostu zmieniającym się ze wzrostem napięcia z [111] do [220]. Wszystkie nanodruty wykazywały anizotropię magnetyczną z łatwą osią wzdłuż osi nanodrutu. W zależności od geometrii nanodrutu, obserwowano różną zależność namagnesowania nasycenia, koercji i kwadratowości od przyłożonego potencjału, wyjaśnioną na podstawie oddziaływań magnetostatycznych. Pomiary pola koercji w funkcji kąta zmieniającego się od osi łatwej do kierunku trudnego, pokazały wzrost koercji do kąta o wartości 70 stopni, a następnie spadek dla kąta 90 stopni. Zależność tę zinterpretowano jako zmianę trybu przemagnesowania, który dla kątów bliskich łatwemu kierunkowi był typowy dla przemieszczania się wirowej ściany domenowej, a dla kątów bliskich kierunku trudnego przechodził w tryb charakterystyczny dla ruchu poprzecznej ściany domenowej lub koherentnej rotacji. Ponadto pomiary magnetyczne wskazywały raczej na jednodomenową strukturę nanodrutów FeCoNi. Ostatnim etapem pracy były badania segmentowych nanodrutów FeCoNi, które zostały uzyskane poprzez zastosowanie określonej sekwencji napięć podczas elektrodepozycji. Granice segmentów w tych nanodrutach zidentyfikowano jako miejsca przypinania ścian domenowych, co sprawiło, że takie materiały są obiecującymi kandydatami do zastosowań w tworzeniu trójwymiarowych jednostek pamięci 3D racetrack memory. The subject of these studies are nanowires, i.e. one-dimensional nanostructures with lengths of several micrometers and diameters of the order of nanometers. Especially interesting magnetic nanowires with strong effective magnetic anisotropy are promising materials for possible applications as 3D magnetic memory carriers due to the observed ability of the domain wall to spread smoothly at a very high speed along the nanowires (3D racetrack memory). Nanowires with the desired geometry, composition, and structure were obtained by template-assisted electrodeposition process. The presented thesis is interdisciplinary, and its main goal was to modify the magnetic properties along the nanowires in order to obtain segmented nanowires with individual segments exhibiting changes in chemical composition and associated changes in magnetic properties. The work presents the results of the studies of the morphology, chemical composition, structure, and magnetic properties of nanowires based on iron, cobalt, and nickel, as well as their alloys. Single-element Fe, Co, and Ni nanowires prepared in polycarbonate membranes were characterized by different types of structure and magnetic parameters, such as coercivity and squareness. Binary FeCo and FeNi alloys were studied in terms of the effect of changing the cathodic potential on their chemical composition and, consequently, their properties. FeCo nanowires were characterized by poor sensitivity of chemical composition to the applied potential, in contrast to FeNi nanowires, which showed an increase in Ni content with increasing voltage and an associated increase in coercivity and squareness. The main part of the thesis concerned FeCoNi nanowires with different diameters and lengths, whose chemical composition was also modified by changing the applied potential. It was observed that the increase in the cathodic potential caused an increase in nickel content with simultaneous depletion of the systems in iron and cobalt. Morphology observations confirmed the continuity of the nanowires and their smooth surfaces, and constant diameters measured along the axes, while X-ray diffraction measurements revealed a polycrystalline fcc FeCoNi structure with a preferred growth direction changing from [111] to [220] with increasing voltage. All nanowires showed magnetic anisotropy with an easy axis along the nanowire axis. Depending on the nanowire geometry, we observed a different dependence of the saturation magnetization, coercivity, and squareness on the applied potential, which was explained based on magnetostatic interactions. Measurements of the coercive field as a function of the angle changing from the easy axis to the hard direction showed an increase in coercivity up to an angle of 70 degrees, followed by a decrease for an angle of 90 degrees. This dependence was interpreted as a change in the magnetization reversal mechanism, which for angles close to the easy direction was typical for the movement of the vortex domain wall and changed into the mode characteristic for the transverse domain wall motion or coherent rotation for angles close to the hard direction. Moreover, magnetic measurements rather indicated a single-domain structure of FeCoNi nanowires. The last stage of the work was the study of segmented FeCoNi nanowires, which were obtained by applying a specific sequence of voltages during electrodeposition. The boundaries of segments in these nanowires were identified as the domain wall pinning sites, which made such materials promising candidates for applications in the creation of three-dimensional racetrack memory units.
Searches for Beyond Standard Model effects in rare B decays
(The Henryk Niewodniczański Institute of Nuclear Physics Polish Academy of Sciences, 2024) Borsuk, Józef; Chrząszcz, Marcin; Fiorini, Massimiliano; Dyndał, Mateusz; Kalinowski, Artur; Siódmok, Andrzej
Celem niniejszej rozprawy doktorskiej jest badanie tzw. mezonu pięknego B0, który składa się z pary kwark-antykwark (kwarka dolnego i antykwarka pięknego). Jest to cząstka nietrwała, czyli rozpadająca się bardzo szybko, a jej rozpad może przebiegać na różne sposoby. W jednym ze scenariuszy po jej rozpadzie pozostaje cząstka K*(K-star - złożona z kwarka dolnego i antykwarka dziwnego, który z kolei rozpada się na kaon K+ i pion π-) i para mion-antymion µ-µ+. Wiele o samym rozpadzie może powiedzieć analiza kątowa produktów rozpadu, czyli badanie w jaki sposób cząstki po rozpadzie mezonu B0 propagują się w detektorze. Oprócz samych kątów rozpad jest opisywany przez pewne wielkości mierzalne (obserwable), których wartości można porównać z przewidywaniami Modelu Standardowego. Te właśnie wielkości mogą być modyfikowane poprzez obecność nowych, nieznanych do tej pory cząstek. Analiza jest oparta o dane zebrane przez eksperyment LHCb w 2016, 2017 i 2018 roku (tzw. Run2), gdzie zderzano protony o energii 13 TeV (teraelektronowoltów) w układzie środka masy. Niniejsza rozprawa doktorska poświęcona analizie rozpadu B0→K+π-µ+µ- jest skoncentrowana na wyższej wartości masy niezmienniczej układu Kπ (1330-1530 MeV/c2), gdzie mogą zostać wykryte przyczynki od cięższych rezonansów. Pierwsze cztery rozdziały poświęcone są wstępowi, teoretycznemu opisowi Modelu Standardowego i opisom eksperymentu LHCb wraz z rozpadem B0→K+π-µ+µ-. Zaraz potem przedstawiona została analiza. Pierwszy jej etap jest poświęcony selekcji danych, ponieważ cząstkom pochodzącym od sygnału towarzyszą także cząstki tła na przykład takie, gdzie cząstki zostały błędnie zidentyfikowane. Selekcja danych jest przedstawiona w rozdziale piątym, a następnie, w rozdziale szóstym, została uzyskana kompatybilność między danymi eksperymentalnymi a symulowanymi. W celu wzięcia pod uwagę wpływu selekcji przypadków na rozkłady kinematyczne, została obliczona korekcja akceptancji kątowej poprzez przeważenie przypadków odwrotnością pięciowymiarowej parametryzacji wyznaczonej przy użyciu próbki symulowanych danych B0→K+π-µ+µ-. Rozdział ósmy i dziewiąty są poświęcone obliczeniom różniczkowego współczynnika rozgałęzienia i analizie kątowej rozpadu mezonu B0. Do wyznaczenia współczynników kątowych została użyta metoda momentów. W rozdziale dziesiątym zostało opisanych sześć różnych źródeł niepewności systematycznych. Rozdziały jedenaście i dwanaście poświęcone zostały na przedstawienie końcowych wyników, gdzie w dwunastym rozdziale uzyskane wyniki zostały porównane z poprzednimi z analizy danych Run1. Uzyskane wyniki są kompatybilne z poprzednimi i mają mniejszą niepewność statystyczną. Niestety poziom niepewności systematycznych jest relatywnie wysoki. Powodem jest mała ilość przypadków w symulowanej próbce B0→K+π-µ+µ- użytej do obliczenia korekcji akceptancji kątowej. Nowe wyniki analizy kątowej pozwoliły także na dokładniejsze wyznaczenie przyczynku od rezonansu K2*(1430), który może pojawić się w badanym rozpadzie. Jednak z powodu wysokiej niepewności pomiarowej wynik w dalszym ciągu nie jest konkluzywny, gdyż potrzebna jest większa liczba danych. The aim of this dissertation was to analyze a decay of the beauty meson B0 , which is made of a quark-antiquark pair (up quark and b antiquark). It is an unstable particle, which means it decays very rapidly and this decay can proceed in very different ways. In one of the scenarios, B0 decays to K*0 (down quark and strange antiquark pair, decaying to kaon K+ and pion π− ) and a muon-antimuon pair µ−µ+. The angular analysis of the final state particles, which is a study of how particles propagate in a detector, can tell a lot about the B0 decay. Along with the decay angles, the B0 meson decay is described by a number of measurable quantities (observables) that can be compared to the SM predictions. The quantities of those observables could be modified by the presence of new, unknown particles. The analysis is based on the data collected by the LHCb experiment in 2016, 2017 and 2018 (Run2), when protons collided at the center of mass energy of 13 TeV (teraelectronovolts). This dissertation presents an analysis of the B0→K+π−µ+µ− decay and is focused on the higher invariant mass range of the Kπ system (1330-1530 MeV/c2 ), where heavy resonant contributions could be found. The first four chapters are devoted to the introduction, the theoretical description of the Standard Model, and the description of the LHCb detector and the B0→K+π−µ+µ− decay. This is followed by the analysis, whose first stage is proper data selection, because the signal candidates are also accompanied by background events such as those with misidentified particles. The data selection is described in chapter five, which is followed by the proper reweighting of the candidates to ensure the compatibility between the data and Monte Carlo simulated samples. In order to account for a distortion in kinematic distributions caused by the data selection, the angular acceptance was corrected by weighting the candidates with the inverse of the five dimensional efficiency parametrization calculated with the simulated B0→K+π−µ+µ− sample. Chapters eight and nine are devoted to the branching fraction calculations and the angular analysis of the B0 decay. In order to extract the angular observables the method of moments was used. In chapter ten six different sources of systematic uncertainties are described. Chapters eleven and twelve show the results of the analysis where the latter compare them with previous results from the Run1 analysis. The results of the branching fraction measurements and angular moments are compatible with the previous Run1 results and have lower statistical uncertainty. Unfortunately, the level of systematic uncertainties is relatively high. The main reason for that is a low number of simulated samples of the B0→K+π−µ+µ− decay used in the acceptance correction calculations. New results make it possible to estimate a contribution from the resonant K2*(1430) component, which can appear in the decay. Unfortunately, the level of the uncertainty is still high and the result is inconclusive, as more data are needed.
Study of interactions of copper-phenanthroline complexes with biomolecules by the X-ray Absorption Spectroscopy
(The Henryk Niewodniczański Institute of Nuclear Physics Polish Academy of Sciences, 2024) Stańczyk, Wiktoria Idalia; Kwiatek, Wojciech M.; Czapla-Masztafiak, Joanna; Kapusta, Czesław; Piskorska-Hommel, Edyta; Witkowska, Agnieszka
Motywacją do podjęcia tematu projektu doktorskiego były wciąż trwające badania nad nowymi lekami chemioterapeutycznymi. W dzisiejszych czasach problem skutków ubocznych, pojawiających się w wyniku stosowania dostępnych leków, lub braku skuteczności niektórych terapii przeciwnowotworowych, nabiera szczególnego znaczenia w związku ze stale rosnącą liczbą diagnozowanych przypadków nowotworów na świecie. Stwierdzono, że powszechnie stosowane związki na bazie platyny, takie jak cisplatyna, powodują nudności i prowadzą do upośledzenia słuchu lub problemów z układem trawiennym, ale problemów tych jest dużo więcej. Dodatkowo platyna jest pierwiastkiem dość drogim w pozyskiwaniu, co przenosi się na wysokie koszty produkcji leków. Dlatego też badane są innego rodzaju związki, w tym kompleksy na bazie miedzi. Opisywane w rozprawie badania skupiły się na charakteryzacji dwóch kompleksów miedzi z fenantroliną, którymi były: Cu(1,10-fenantrolina)Cl2 oraz zsyntetyzowany Cu(1,10-fenantrolina)-(1H-1,2,4-triazolo-1-yl)Cl2·H2O, metodą rentgeno-wskiej spektroskopii absorpcyjnej (ang. X-ray Absorption Spectroscopy, XAS). Pierwsza część pracy skupiła się na przeglądzie literatury dotyczącej obecności miedzi w organizmie człowieka i jej możliwych zastosowaniach w leczeniu przeciwnowotworowym. Najważniejsza jednak część dotyczyła procesu syntezy kompleksu miedzi z triazolem, na podstawie publikacji Tabassum i inni (2012). Po wielu powtórzeniach i próbach optymalizacji procedury syntezy stwierdzono, że otrzymywane są dwa różne produkty reakcji. Aby scharakteryzować te produkty, wykonano badania metodą spektroskopii w podczerwieni. Stwierdzono, że drugim produktem okazał się wybrany już wcześniej do badań związek Cu(1,10-fenantrolina)Cl2. Jako główny produkt rozpoznano oczekiwany kompleks miedzi z triazolem. Część drugą rozprawy poświęcono teorii rentgenowskiej spektroskopii absorpcyjnej oraz różnym źródłom promieniowania rentgenowskiego, wykorzystywanym w badaniach tą metodą. Część doświadczalna skupiła się na badaniach XAS obu związków miedzi z fenantroliną w stanie stałym, z uwzględnieniem dodatkowych związków referencyjnych. Ważnym aspektem tego badania było zastosowanie laboratoryjnego układu XAS, który nie jest jeszcze tak powszechnie stosowany. Zoptymalizowano także parametry pomiarów, zwłaszcza czas akwizycji widm i stężenie związku w próbce, a następnie poddano wyniki kompleksowej analizie. Uzyskane w warunkach laboratoryjnych widma XAS dały wgląd w kształt widm i możliwe położenie krawędzi absorpcji, jednakże brakowało w nich mniej intensywnych struktur, takich jak piki przedkrawędziowe. W związku z tym, zdecydowano się przenieść badania do centrów synchrotronowych, w celu uzyskania bardziej szczegółowych widm. Badania z wykorzystaniem promieniowania synchrotronowego przeprowadzono w trzech ośrodkach, którymi były: Swiss Light Source (SLS) Instytutu Paul’a Scherrer’a (PSI) w Villigen w Szwajcarii; PETRA III kompleksu Deutsches Elektronen-Synchrotron (DESY) w Hamburgu, w Niemczech; i synchrotron SOLARIS w Krakowie. Wyniki dostarczyły informacji, że badane związki nie ulegały redukcji pod wpływem napromieniowania, a także ujawniły struktury widmowe, których brakowało w laboratoryjnych widmach XAS. Analiza zidentyfikowanych pików przedkrawędziowych potwierdziła oczekiwaną geometrię kompleksów, która została zawarta w danych krystalograficznych dostępnych w literaturze. W tej części badań otrzymano także widma, które posłużyły jako referencja do analizy widm roztworów badanych dwóch związków. Ostatnia część pracy doktorskiej dotyczyła badań cieczy. Ważnym aspektem było zaprojektowanie układu dostarczania cieczy, który umożliwiłby wielogodzinne pomiary roztworów bez strat próbki i ograniczałby możliwość uszkodzeń radiacyjnych badanego materiału. Przetestowano trzy różne układy, z których dwa z dedykowanymi celkami okazały się najbardziej wydajne. Wyniki badań XAS związków miedzi z fenantroliną, rozpuszczonych w roztworach wodnych, poparte obliczeniami teoretycznymi, wykazały zachodzącą wymianę ligandów przyłączonych do miedzi. Proces ten uwzględniono w analizie widm roztworów inkubowanych z DNA i albuminą surowicy bydlęcej (ang. bovine serum albumin, BSA). Po analizie wyników odejmowania widm XAS, zmiany w obszarze krawędzi absorpcji sugerują zmianę w strukturze elektronowej obu kompleksów, będącą efektem zachodzących słabych, niekowalencyjnych oddziaływań z DNA. Stwierdzono również, że mogą także zachodzić dodatkowe oddziaływania elektrostatyczne. W przypadku badań z udziałem albuminy stwierdzono, że kompleks miedzi z triazolem wydaje się chętniej oddziaływać z tą biomolekułą niż pierwszy badany związek, prawdopodobnie ze względu na obecność drugiej grupy organicznej, która może brać udział w oddziaływaniach hydrofobowych. Podsumowując wszystkie wyniki i dyskusje przedstawione w rozprawie, stwierdzono, że rentgenowska spektroskopia absorpcyjna jest użyteczną metodą badania oddziaływań potencjalnych chemioterapeutyków na bazie miedzi z wybranymi biomolekułami. Dodatkowo uzyskano informacje, których brakowało we wcześniejszych publikacjach, opisujących kompleks miedzi z triazolem. Stwierdzono jednak, że są one kluczowe dla zrozumienia mechanizmu oddziaływań między kompleksami miedzi z fenantroliną z cząsteczkami DNA i albuminy. The motivation to investigate a topic presented in this doctoral dissertation originated from the still ongoing studies on new chemotherapeutic drugs. Nowadays, the problem of the side effects after application of the available medicines or the nonefficiency of some anticancer therapies is getting an importance, due to the still increasing number of diagnosed cancer cases worldwide. Commonly used compounds based on platinum, like cisplatin, are found to cause nausea, and lead to hearing impairment or problems with the digestive system, just to mention a few. Additionally, platinum is quite an expensive element to possess, what results in the high costs of drug production. Therefore, other alternatives are being explored, including complexes based on copper. This research concentrated on the examination of two copper-phenanthroline complexes, which were: Cu(1,10-phenanthroline)Cl2, and synthesized Cu(1,10-phenanthroline)-(1H-1,2,4-triazole-1-yl)Cl2 · H2O, with the use of the X-ray Absorption Spectroscopy (XAS) method. The first part of the thesis focused on the review of copper's presence in the human body and its possible applications in anticancer treatment. The most important part focused on the process of synthesis of the copper-phenanthroline complex with triazole, basing on the publication by Tabassum et al. (2012). After many repetitions and attempts to optimize the synthesis procedure, it was found, that two different products are being obtained. To verify what are these products, an infrared spectroscopy examination was performed. It was found, that the secondary compound was in fact Cu(1,10-phenanthroline)Cl2, already chosen before examination. The main product was recognized as the expected copper complex with triazole. The second part was dedicated to the theory of X-ray absorption spectroscopy and various X-ray sources used in studies with this method. The experimental part concentrated on the XAS examination of both copper-phenanthroline compounds in a solid state, including additional referential compounds. The important part of this examination involved the application of the laboratory XAS setup, which is yet not so commonly used. The parameters of the measurements, especially acquisition time and concentration of the compound in the sample, were optimized, followed by the complex data analysis. XAS spectra, which were obtained in laboratory conditions, gave insight into the shape of the spectra and possible position of the absorption edge, yet, were lacking in less pronounced features, like pre-edge peaks. Therefore, it was decided to move the examination to the synchrotron facility, to obtain more detailed spectra. Studies with the use of synchrotron radiation were performed in three facilities, that were: Swiss Light Source (SLS) of the Paul Scherrer Institut (PSI) in Villigen, Switzerland; PETRA III of the Deutsches Elektronen-Synchrotron (DESY) complex, in Hamburg, Germany; and SOLARIS synchrotron, in Kraków, Poland. Results provided information, that the studied compounds are not prone to photoreduction, and revealed the spectral features, that were absent in the laboratory XAS spectra. Analysis of the identified pre-edge peaks confirmed the expected geometry of the complexes, that were described in the crystallographic data found in the literature. This part of the examination also provided spectra, that were used as a reference in the analysis of the spectra of solutions of these two compounds. The final part of the doctoral research concerned on the XAS studies of solutions. The important aspect involved the design of a liquid delivery setup, that enabled measurements of solutions over many hours, without a loss of the sample and reducing the possibility of radiation damage. Three different setups were tested, from which two having dedicated cells were found to be the most efficient. Results of XAS studies of the copper-phenanthroline compounds dissolved in aqueous solutions, supported by the theoretical calculations, revealed the undergoing exchange of the ligands attached to copper. This process was also taken into consideration in the analysis of spectra of solutions incubated with DNA and bovine serum albumin (BSA). After analysis of the results of XAS spectra subtraction, the changes within the absorption edge region suggested a change in the electronic structure of both complexes, being a result of the weak noncovalent interactions with DNA. Additional electrostatic interactions were also found to be possible. In the case of examination involving BSA, it was found, that the copper-triazole complex seems to more preferably interact with this biomolecule than the first compound, probably because of the presence of the second planar organic group, which can be involved in hydrophobic interactions. Summing all the results and discussions presented in this thesis, X-ray Absorption Spectroscopy was found to be a useful method for studying interactions of prospective copper-based chemotherapeutics with chosen biomolecules. Additionally, it revealed the information, that was lacking in the previous publications, which described a copper-triazole complex. Yet, this information was found to be crucial in understanding the mechanism of the interactions between copper-phenanthroline complexes with DNA and BSA molecules.
Theoretical study of electronic and phononic properties of systems containing kagome-like lattice
(The Henryk Niewodniczański Institute of Nuclear Physics Polish Academy of Sciences, 2024) Basak, Surajit; Piekarz, Przemysław; Ptok, Andrzej; Durajski, Artur; Krawiec, Mariusz; Winiarski, Maciej
Materiały zawierające siec kagome stanowią platformę do badania różnego rodzaju zjawisk fizycznych (podstawowych i aplikacyjnych) w fizyce ciała stałego. Sieć powstająca z połączonych wierzchołkami trójkątów posiada wiele intrygujących własności elektronowych, które stanowią podstawę silnych korelacji elektronowych oraz własności topologicznych, wynikających z istnienia w strukturze pasmowej punktów o zdegenerowanych energiach. W tej rozprawie dyskutuje możliwość realizacji sieci kagome oraz podobnej do kagome w układach rzeczywistych. W niektórych pracach pokazano, ze idealna siec kagome jest realizowana w kilku materiałach. W pozostałych przypadkach, układ jest stabilny w fazie, która zawiera zdeformowana siec kagome. Dla przykładu, dokładnie badam to zachowanie w CoGe z różnymi symetriami, w obecności ciśnienia. Analiza miękkiego modu prowadzi do wniosku, ze CoGe nie jest stabilny w symetrii z idealna siecią kagome (np. Cmmm lub P6/mmm), i jest stabilny w obecności dystorsji tej sieci (w symetrii P-62m). Podobne badania przeprowadzono dla Pt3Pb2Sn i FeGe. Pokażemy, ze również taka siec posiada istotny wpływ na własności materiałów. Podobnie jak w przypadku FeGe, może to prowadzić do niestabilności CDW (fali gęstości ładunku). O ile w tym kontekście struktura elektronowa była intensywnie badana, o tyle w przypadku relacji dyspersyjnych fononów badanie punktów zdegenerowanych, linii nodalnych, czy płaskich pasm stanowi otwarty temat. Dla T3Pb2Ch (T = Pd, Pt and Ch = S, Se) i RhPb, obserwujemy linie nodalne w pasmach fononowych, a w przypadku RhPb stany powierzchniowe pomiędzy tymi liniami. Dla T3Pb2Ch (T = Pd, Pt and Ch = S, Se) i ABi2 (A = K, Rb, Cs) dyskutuje możliwość znalezienia fononów chiralnych (o skończonej skrętności). W tym kontekście, teoretycznie przewiduje istnienie dwóch nowych materiałów ze złamana symetria inwersji (KRbBi4, RbCsBi4), które mogą być wykorzystane do eksperymentalnego badania fononowego efektu Halla. Opisuje również niektóre interesujące własności elektronów nadprzewodników z siecią kagome. Dokładniej, jak magnetyczna domieszka indukuje stan wewnątrzszczelinowy (wewnątrz przerwy nadprzewodzącej), nazywany stanem Shiby, oraz jak może on być “sterowany” poprzez istnienie płaskiego pasma w układzie. Rozprawa ta stanowi zbiór prac naukowych prezentujących wyniki uzyskane w czasie studiów doktoranckich. Prace naukowe stanowiące ten zbiór zebrane są w Rozdziale 4. Rozdział 3 stanowi krótkie wprowadzenie do tematyki omawianej w pracach naukowych. W Rozdziale 2 opisuje metody zastosowane w prowadzonych badaniach. Materials containing kagome lattice act as a platform to study condensed matter phenomena which are interesting from both fundamental and application perspectives. The lattice, which contains an array of corner-sharing triangles, is known to host many intriguing electronic properties with their roots in the strong electron-electron correlation and topological properties arising from symmetry protected degenerate points in the band structure. In this thesis, I discuss the possibility of realizing kagome and kagome-like lattices in real materials. It will be shown in some works that the perfect kagome structure is found in only a few materials. In all the other cases the compounds stabilize in symmetries containing distorted kagome layers. For example, I explicitly study this phenomenon for different symmetry groups of CoGe, under ambient and applied pressure. The analysis of the phonon soft modes leads to the conclusion that CoGe does not stabilize in the symmetry group containing the perfect kagome layer (Cmmm, P6/mmm), rather it stabilizes in the symmetry group containing distorted kagome layer (P-62m). Similar studies are also presented for Pt3Pb2Sn and FeGe. I will show that this has a significant impact on the properties of materials. Such as, for FeGe it leads to a charge density wave instability, and the reason behind the distortion in this case turns out to be the strong electron-electron correlation amongst the Fe atoms forming the kagome lattice. While immensely studied in the context of electronic band structure, the largely unexplored area of symmetry-protected degenerate points, degenerate lines, and flat bands in the context of phonon band structure will be explored too. For T3Pb2Ch (T = Pd, Pt and Ch = S, Se) and RhPb, I observe nodal lines in the phonon band structure and for RhPb, phonon drumhead states extending between two such nodal lines in the phonon surface state spectrum are observed. For T3Pb2Ch (T = Pd, Pt and Ch = S, Se) and ABi2 (A = K, Rb, Cs), I discuss the possibility of finding chiral phonons, phonons with finite handedness. In that direction, I theoretically predict two new materials with broken bulk inversion symmetry (KRbBi4, RbCsBi4), which can be synthesized in the experiment and used to study the phonon Hall effect. I also describe some interesting electronic properties of kagome lattice-based superconductors. In particular, it is shown that the presence of van Hove singularity and flat band singularity in the density of states can drastically impact the coupling strength and the decay length of the impurity-induced in-gap bound states of the superconductor (known as the Shiba states), making them more useful for application purposes. This thesis is a collection of papers that resulted from my works performed during my PhD study. The papers are stacked up in Chapter 4. Chapter 3 gives a short guide to the Sections of Chapter 4. In Chapter 2, I describe the theoretical methods used to obtain the results.
Ab initio studies of structural, electronic, and dynamical properties of transition metal pyrophosphates
(The Henryk Niewodniczański Institute of Nuclear Physics Polish Academy of Sciences, 2023) Pastukh, Svitlana; Piekarz, Przemysław; Laskowska, Magdalena; Scharoch, Paweł; Wiendlocha, Bartłomiej; Wróbel, Jan
Niniejsza praca doktorska przedstawia wszechstronne badania właściwości fizycznych pirofosforanów metali przejściowych. W tym celu zastosowano obliczenia ab initio, które umożliwiły analizę złożonych zależności między strukturą krystaliczną, własnościami elektronowymi i dynamiką sieci w tych materiałach. Główny nacisk badań skupił się na pirofosforanie miedzi (Cu2P2O7) w fazach α i β oraz na pirofosforanie żelaza [Fe4(P2O7)3]. Dla fazy α pirofosforanu miedzi wykorzystano teorię funkcjonału gęstości do dokładnej analizy własności materiału. W trakcie badań osiągnięto dobrą zgodność między obliczonymi parametrami sieci i pozycjami atomów, a danymi eksperymentalnymi, które obejmują pomiary dla nanokryształów pirofosforanu miedzi otrzymane w mezoporach krzemionki. Wykazano, że w takich obliczeniach istotną rolę odgrywa uwzględnienie lokalnych oddziaływań kulombowskich i poprawek van der Waalsa. Uporządkowanie antyferromagnetyczne atomów miedzi odpowiada konﬁguracji o najniższej energii, co bardzo dobrze odzwierciedla wyniki eksperymentalne. Analiza krzywych dyspersji fononów i gęstości stanów fononowych potwierdziła dynamiczną stabilność α- Cu2P2O7. Zbadanie właściwości termodynamicznych wykazało silną anizotropię przemieszczeń termicznych atomów tlenu i dostarczyło teoretycznej interpretacji silnej ujemnej rozszerzalności termicznej występującej w tym związku. Zjawisko ujemnej rozszerzalności termicznej zbadano w ramach przybliżenia quasiharmonicznego, jak również uwzględniając poprawki anharmoniczne, a wyniki teoretyczne porównano z wartościami eksperymentalnymi. Właściwości elektronowe i sieciowe fazy β pirofosforanu miedzi również zostały przeanalizowane w ramach obliczeńab initio, wykazując dobrą zgodność parametrów strukturalnych z danymi eksperymentalnymi przy uwzględnieniu oddziaływań kulombowskich i poprawek van der Waalsa. Szczegółowe zbadanie właściwości dynamicznych kryształu β- Cu2P2O7 ujawniło występowanie miękkiego modu w punkcie A strefy Brillouina oraz jego kluczową rolę dla strukturalnego przejścia fazowego. Przeprowadzone obliczenia samouzgodnionych fononów w oparciu o zależny od temperatury potencjał efektywny pokazały kluczową rolę efektów anharmonicznych w takim procesie i ich związek z ujemną rozszerzalnością termiczną. Dla pirofosforanu żelaza przeprowadzono wszechstronną analizę właściwości elektronowych, strukturalnych i dynamicznych uwzględniając trzy różne konﬁguracje oddziaływań antyferromagnetycznych. Obliczenia gęstości stanów elektronowych wykazały znaczące rozszczepienie wymienne w stanach Fe(3d), co pozwoliło na wyjaśnienie zachowania magnetycznego. Wyliczone momenty magnetyczne i uzyskany porządek antyferromagnetyczny zgadzają się z wynikami eksperymentalnymi, potwierdzając przeprowadzone obliczenia. Badanie relacji dyspersji fononów ujawniło obecność miękkich modów, co sugeruje możliwość strukturalnego przejścia fazowego w niższych temperaturach. Niestety, przewidywanie to pozostaje niepotwierdzone ze względu na brak szczegółowej analizy eksperymentalnej symetrii kryształu w niskich temperaturach. Przeprowadzone badania teoretyczne oparte na metodach obliczeniowych z pierwszych zasad dostarczyły głębokiego zrozumienia właściwości ﬁzycznych pirofosforanów na bazie metali przejściowych, rzucając światło na ich unikalne cechy. Uzyskane wyniki podkreślają złożoną zależność między ich własnościami strukturalnymi, elektronowymi i fononowymi, otwierając drzwi do potencjalnych zastosowań materiałów i torując drogę dla przyszłych badań. This doctoral thesis represents a thorough investigation into the physical properties of transition metal pyrophosphates. For such a purpose, the ab initio calculations were applied, which gave the possibility to analyze the intricate interplay of crystal structure, electronic properties, and lattice dynamics in these materials. The main focus of the study was on copper pyrophosphate (Cu2P2O7) in its α and β phases and iron pyrophosphate [Fe4(P2O7)3]. For the α phase of copper pyrophosphate, the density functional theory was used for the analysis of the material. A good agreement between calculated lattice parameters and atomic positions with experimental data, which include measurements for copper pyrophosphate nanocrystals synthesized in silica mesopores, was achieved during the study. It was shown that incorporating local Coulomb interactions and van der Waals corrections plays a significant role in such calculations. The antiferromagnetic order of magnetic moments on copper atoms emerged as the lowest energy configuration, mirroring experimental findings. The analysis of phonon dispersion curves and density of states confirmed the dynamical stability of α - Cu2P2O7. The investigation of the thermodynamic properties has elucidated pronounced anisotropy in oxygen thermal displacements, providing a theoretical framework for understanding the negative thermal expansion (NTE) observed in the compound. The NTE phenomenon was examined by considering both the quasiharmonic approximation and anharmonic correction, and the theoretical results were compared with experimental values. The electronic and lattice properties of the β phase of copper pyrophosphate were also analyzed within the ab initio calculations, showing good agreement of structural parameters with the experimental data accounting for Coulomb interactions and van der Waals corrections. The detailed study of dynamical properties of the β - Cu2P2O7 crystal revealed the existence of the soft mode at the A point of the Brillouin zone and its key role in the structural phase transition. Performed self-consistent phonon calculations based on the temperature-dependent effective potential show the crucial role of anharmonic effects in such a process and their connection to negative thermal expansion. For iron pyrophosphate, a comprehensive analysis of electronic, structural, and dynamical properties were carried out taking into account three distinct antiferromagnetic configurations. Electronic density of state calculations discerned a significant exchange splitting within the Fe(3d) states, elucidating magnetic properties. The calculated magnetic moments and the obtained antiferromagnetic order correspond remarkably well with the experimental observations, validating the performed calculations. The examination of phonon dispersion relations revealed the presence of the soft modes, suggesting the possibility of a structural phase transition at lower temperatures. Unfortunately, this prediction remains unconfirmed due to the absence of detailed experimental analysis of the crystal symmetry at low temperatures. The performed theoretical studies based on the first-principles methods gave a deep understanding of the physical properties of metal ion pyrophosphates, shedding light on their unique characteristics. Obtained results highlight the complex interplay between their structural, electronic, and phonon properties, opening up the materials' potential applications and paving the way for future investigations.

Browse

collection.page.browse.recent.head