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 142

A prototype apparatus for measurement of the correlation coefficients in the β-decay of a free polarized neutron – BRAND-0 experiment
(The Henryk Niewodniczański Institute of Nuclear Physics Polish Academy of Sciences, 2023) Dhanmeher, Karishma; Pysz, Krzysztof; Mazzocchi , Chiara; Kuźniak, Marcin; Stephan, Elżbieta
W złożonej pracy doktorskiej przedstawiono rezultaty pierwszej fazy prac nad budową aparatury pomiarowej dla eksperymentu BRAND. W tym eksperymencie planuje się zmierzenie 11 współczynników kinematycznych korelacji między parametrami produktów rozpadu β swobodnego neutronu o określonej orientacji spinu. W tym celu konieczne jest zmierzenie czteropędów elektronu i protonu, polaryzacji spinowej elektronu oraz odwikłanie wielkości energii i pędu antyneutrina elektronowego. Współczynniki korelacji określają udział poszczególnych konfiguracji kinematycznych we wzorze na rozkład energetyczno-kątowy produktów reakcji rozpadu β. W najbardziej ogólnym sformułowaniu Hamiltonianu oddziaływania słabego, oprócz współczynników występujących w aktualnej teorii V-A (składowe wektorowa i aksjalna) dopuszcza się też współczynniki zależne od teoretycznie możliwych oddziaływań skalarnych i tensorowych (S, T). Wykazanie niezerowych wartości takich współczynników korelacji wskazywałoby na istnienie oddziaływań spoza Modelu Standardowego. Dla części z nich w sposób konieczny nie jest zachowywana symetria odwrócenia czasu. Wobec paradygmatu bezwzględnego zachowania globalnej symetrii CPT, badania te są zatem przyczynkiem m. in. do poszukiwań procesów odpowiedzialnych za niezachowanie symetrii CP powodujących dominacje materii nad antymaterią we Wszechświecie. Pierwsza faza eksperymentu BRAND oznaczona jako BRAND-0 polegała na budowie niewielkiego zestawu prototypowego umożliwiającego, przy ograniczonej akceptancji geometrycznej, rejestrację elektronu i protonu z rozpadu β oraz określenie orientacji spinu elektronu. Jej celem było głównie wypracowanie rozwiązań technicznych i metod analizy danych oraz ich doświadczalna weryfikacja, tak aby zebrać wiedzę konieczną do budowy aparatury wymaganej w następnym etapie eksperymentu. Omawiana praca doktorska zawiera opis budowy i testów tej części tego zestawu eksperymentalnego, która dotyczy rejestracji elektronów pochodzących z rozpadu β. Nazywana jest ona polarymetrem Motta, gdyż umożliwia nie tylko pomiar energii i pędu elektronu ale również orientację przestrzenną jego spinu. Do tego celu wykorzystywane jest rozpraszanie Motta elektronów na cienkiej folii ołowianej. Zbudowany i badany zestaw (polarymetr Motta) składa się z (i) komory dryfowej (MWDC, traker) o heksagonalnych komórkach, wypełnionej mieszanką helu i dwutlenku węgla z niewielka domieszką oparów etanolu; (ii) cienkiej folii mylarowej z napyloną warstewka ołowiu, zainstalowaną wewnątrz trakera i służącą jak tarcza to rozpraszania Motta; (iii) dwóch detektorów scyntylacyjnych umieszczonych wewnątrz trakera, służących do rejestracji elektronów rozproszonych na tarczy Motta (detektory Motta); (iv) detektora scyntylacyjnego służącego do rejestracji elektronów, które nie zostały rozproszone na tarczy Motta (tylny scyntylator). Detektory te, po ich montażu, stanowią jedną całość. Detektory scyntylacyjne dostarczają sygnału tryggera dla układu akwizycji danych (DAQ). Trójwymiarową rekonstrukcję trajektorii elektronów w MWDC uzyskuje się poprzez pomiar czasów dryfu elektronów jonizacji w jego poszczególnych komórkach (płaszczyzna XY) oraz z asymetrii ładunków sygnałów zmierzonych na obu końcach drutów anodowych poszczególnych komórek trakera (płaszczyzna XZ). Wszystkie sygnały, zarówno czasowe (czasy dryfu) jak i amplitudowe - sygnały ze scyntylatorów (energia) oraz sygnały z końców drutów anodowych (ładunek) są dygitalizowane w wielokanałowym konwerterze czasowo-cyfrowym (Multihit TDC). W tym celu sygnały amplitudowe są przetwarzane na sygnały czasowe przy pomocy wykonanych przez grupę BRAND konwerterów amplituda-czas. Aparatura prototypowa BRAND-0 została przetestowana na wiązce spolaryzowanych, zimnych neutronów PF1B w instytucie ILL w Grenoble (Francja). Praca doktorska zawiera szczegółowy opis prac związanych z budową i optymalizacją aparatury prototypowej w zakresie dotyczącym polarymetru Motta oraz budowy próżniowej komory rozpadu neutronów wraz w cienkim oknem próżniowym. Prezentuje też obszerny opis testów laboratoryjnych jak i tych przeprowadzonych podczas pomiaru w ILL. Przedstawione są metody analizy zebranych danych, koniecznych kalibracji, oraz ich rezultaty. Stwierdzono zadowalające działanie detektora MWDC w zakresie stabilności pracy, wydajności detekcji oraz pomiaru trajektorii elektronów z rozpadu β przy użyciu metody pomiaru czasu dryfu elektronów jonizacji ośrodka (składowa Y). Rozdzielczość przestrzenna pomiaru śladów w tym przypadku mieści się w zakresie 0.3 – 0.8 mm (w zależności od położenia geometrycznego trajektorii) i jest wystarczająca do identyfikacji sygnału oraz określenia odpowiednich składowych pędu elektronu. Dużo gorsza rozdzielczość przestrzenną uzyskano dla metody podziału ładunku wzdłuż drutów anodowych (składowa Z). Rozdzielczość ta jest najlepsza dla trajektorii mierzonych w centralnej części drutów (13 mm) i pogarsza się w kierunku końców drutów osiągając wartość nawet 25 mm. Podobnie niezadowalającą rozdzielczość stwierdzono dla pomiarów energii z wszystkich detektorów scyntylacyjnych. W przypadku tylnego scyntylatora jest to 16 % dla energii padających elektronów ok. 1 MeV. Przy niższych energiach rozdzielczość energetyczna jeszcze się pogarsza. W przypadku detektorów Motta, w testach, nie uzyskano rozdzielenia linii kalibracyjnych ze źródła elektronów 207Bi w widmie energetycznym, co uniemożliwia zmierzenia rozdzielczości energetycznej tego detektora. Przeprowadzone testy laboratoryjne pozwoliły zidentyfikować przyczynę problemów z precyzyjnym pomiarem energii i ładunku w eksperymencie BRAND-0. Odpowiedzialny jest wadliwie działający układ konwertera amplituda-czas, który powoduje znaczne zmiany długości uzyskanych sygnałów czasowych, przy nawet minimalnych fluktuacjach poziomu linii bazowej sygnału amplitudowego, typowych dla używanej aparatury i warunków eksperymentalnych. Jest to zasadnicza wada elektroniki odczytu aparatury BRAND-0, która będzie usunięta w jej następnej wersji. W pracy obszernie przedstawiono również środowisko eksperymentalne PF1B w ILL Grenoble, omówiono kluczowe parametry wiązki neutronów, przeprowadzono analizę energetyczną i przestrzenną pochodzenia tła eksperymentalnego obserwowanego w rejestrowanych widmach. Przygotowano również model aparatury eksperymentu BRAND-0 i przeprowadzono obszerne symulacje z użyciem pakietu Geant4. Wspomogło to zrozumienie efektów oddziaływania wiązki neutronów z elementami aparatury BRAND-0 oraz identyfikacje głównych komponentów tła eksperymentalnego. Stwierdzona słaba rozdzielczość przestrzenna (w kierunku Z) oraz niewystarczająca rozdzielczość energetyczna wszystkich detektorów scyntylacyjnych, uniemożliwia obecnie pomiar współczynników korelacji A, N, R, które w pierwszej kolejności powinny być zmierzone w eksperymencie BRAND. Innymi przeszkodami w określeniu tych współczynników jest duży udział tła eksperymentalnego w zebranych danych, które nie może być odfiltrowane, oraz niska statystyka zdarzeń. Uzyskane wyniki jasno wskazują konieczność modyfikacji pewnych metod detekcyjnych i obróbki sygnału w eksperymencie BRAND. Wypracowane metody analizy danych, kalibracji i określania trajektorii śladów elektronów są przyczynkiem do prac badawczych BRAND, które będą prowadzone w przyszłości. Tak samo użyteczne dla dalszych prac BRAND są zidentyfikowane źródła tła eksperymentalnego w pomiarach prowadzonych w PF1B w ILL Grenoble, oraz stworzony model do symulacji eksperymentu przy pomocy pakietu Geant4.
Particle acceleration in magnetised mildly relativistic shocks
(The Henryk Niewodniczański Institute of Nuclear Physics Polish Academy of Sciences, 2026) Torralba Paz, Gabriel; Niemiec, Jacek; Bednarek, Włodzimierz; Nalewajko, Krzysztof; Stawarz, Łukasz
W niniejszej rozprawie, z wykorzystaniem w pełni kinetycznych symulacji typu particle-in-cell (PIC), badane są średnio relatywistyczne fale uderzeniowe w silnie zmagnetyzowanej, bezzderzeniowej plazmie o skośnej konfiguracji zewnętrznego pola magnetycznego. Tego rodzaju fale uderzeniowe mogą występować w relatywistycznych wypływach plazmy, w tym w dżetach aktywnych jąder galaktyk oraz mikrokwazarów, które są znanymi źródłami promieniowania nietermicznego i powszechnie uznawane są za potencjalne miejsca przyspieszania wysokoenergetycznych promieni kosmicznych. Wcześniejsze badania wykazały, że o ile dyfuzyjne przyspieszanie na fali uderzeniowej jest efektywne w słabo zmagnetyzowanych falach podświetlnych, a przyspieszanie typu wakefield zachodzi głównie w reżimie ultrarelatywistycznym, o tyle oba te mechanizmy wydają się nieefektywne w średnio relatywistycznych, silnie zmagnetyzowanych plazmach. Niniejsza praca bada zatem, czy w tych dotąd nieeksplorowanych warunkach mogą działać alternatywne mechanizmy efektywnego grzania i przyspieszania cząstek. W ramach niniejszej rozprawy przeprowadzono wysokiej rozdzielczości wielkoskalowe symulacje PIC w konfiguracji 2D3V z wykorzystaniem kodu THATMPI, który został na potrzeby pracy gruntownie zoptymalizowany i rozszerzony o nowe funkcjonalności. Symulacje obejmują fale uderzeniowe o współczynniku Lorentza γ0~2.24, rozchodzące się w plazmie o dużej magnetyzacji, σ = 1. Analizowano trzy konfiguracje pola magnetycznego: skośną falę nadświetlną (θBn=40°), skośną falę podświetlną (θBn=30°) bliską kąta progowego rozdzielającego konfiguracje nadświetlne i podświetlne oraz falę quasi-równoległą (θBn=10°). Skośne fale uderzeniowe mają strukturę impulsów magnetosonicznych o dużej amplitudzie, która stopniowo maleje wraz z odległością od frontu fali. Impulsy te są związane z potencjałami elektrostatycznymi o stromych gradientach. Ich struktura przypomina słabe, nierelatywistyczne, subkrytyczne fale uderzeniowe obserwowane w przestrzeni kosmicznej. Badane fale są z natury niestacjonarne i rozwijają silne poprzeczne niejednorodności, co umożliwia odbicie i pułapkowanie cząstek w obrębie impulsów magnetosonicznych. W konfiguracji podświetlnej bliskiej kąta progowego prowadzi to do efektywnego grzania i przyspieszania zarówno elektronów, jak i jonów. Mechanizm akceleracji jest analogiczny do procesu pułapkowania i przyspieszania elektronów opisanego wcześniej dla fal nierelatywistycznych, lecz w przypadku fal średnio relatywistycznych działa dla obu rodzajów cząstek i cechuje się znacznie wyższą wydajnością dzięki założonej silniejszej magnetyzacji i większej prędkości fali uderzeniowej. W przypadku podświetlnym elektrony o wysokich energiach tworzą widmo potęgowe o indeksie p~2, ograniczone obcięciem wyznaczonym przez szerokość fali uderzeniowej, która skaluje się ze współczynnikiem Lorentza, amplitudą fali i stosunkiem masy jon-elektron. Efektywność przyspieszania jonów w ramach tego mechanizmu jest mniejsza o około dwa rzędy wielkości. Niektóre jony pokonują potencjał fali uderzeniowej i przemieszczają się w obszar przed frontem fali, gdzie ulegają dalszemu przyspieszaniu w procesie serfowania na fali (shock surfing acceleration). Fala quasi-równoległa ma wyraźnie odmienną strukturę. Jest ona subkrytyczna względem krytycznej liczby Macha dla fal świstu i tworzy rozległy prekursor wypełniony dyspersyjnymi falami świstu (whistlers) o dużej amplitudzie. Oddziaływanie jonów i elektronów z tymi falami w prekursorze, a także z modami falowymi wynikającymi z ich nieliniowej dynamiki, prowadzi do silnego grzania obu rodzajów cząstek. Ogólnie wyniki badań wykazują, że silnie zmagnetyzowane, średnio relatywistyczne skośne fale uderzeniowe mogą efektywnie przyspieszać cząstki w procesie odmiennym od dyfuzyjnego przyspieszania na fali uderzeniowej oraz przyspieszania typu wakefield. Choć widma cząstek są formowane w ograniczonym zakresie energii, proces ten zapewnia znaczący przyrost energii i może pełnić rolę efektywnego mechanizmu wstępnego wrzucania cząstek do dalszych procesów przyspieszania. Wyniki te podkreślają znaczenie niestacjonarności fal uderzeniowych oraz efektów wielowymiarowych i stanowią motywację dla przyszłych badań z wykorzystaniem w pełni trójwymiarowych symulacji. Oprócz symulacji PIC, niniejsza rozprawa wprowadza nowatorskie podejście oparte na sieciach neuronowych do analizy trajektorii wybranych cząstek śledzonych w symulacjach kinetycznych. W celu oceny przydatności tego podejścia wykorzystano dane śledzonych cząstek z symulacji badających przyspieszanie elektronów w falach wzbudzanych przez niestabilność Bunemana w szokach o dużej liczbie Macha. Zastosowano trzy klasy algorytmów: klasyfikację, regresję oraz detekcję anomalii. Wyniki pokazują, że sieci neuronowe mają duży potencjał do usprawnienia i przyspieszenia analizy trajektorii śledzonych cząstek w kinetycznych symulacjach plazmy.
Search for Lepton Flavour Violating B+→K+τ±ℓ∓ Decays at Belle and Belle II
(The Henryk Niewodniczański Institute of Nuclear Physics Polish Academy of Sciences, 2026) Ur Rehman, Junaid; Bożek, Andrzej; Wiechczyński, Jarosław; Obłąkowska-Mucha, Agnieszka; Przygoda, Witold; Ukleja, Artur
Rozpady mezonów B naruszające zapach leptonowy stanowią jednoznaczny sygnał fizyki poza Modelem Standardowym (MS), gdyż w jego ramach są praktycznie zabronione. Rozpad B→Kτℓ (ℓ = e,µ) jest szczególnie czułym testem scenariuszy nowej fizyki, takich jak modele z lepto-kwarkami czy rozszerzonym sektorem Higgsa. Niniejsza rozprawa doktorska przedstawia rozwój nowych technik rekonstrukcji dedykowanych wymagającej topologii rozpadu B→Kτℓ w eksperymencie Belle II działającym przy zderzaczu SuperKEKB. Kluczowym elementem analizy jest zastosowanie pół-leptonowego znakowania mezonu towarzyszącego. Choć metoda ta wprowadza brakującą energię po stronie znakującej, zapewnia istotnie wyższą efektywność w porównaniu z pełnym znakowaniem hadronowym. Spójność i skuteczność tej strategii osiągnięto poprzez wykorzystanie hadronowego rozpadu sygnałowego τ→(π/ρ)ν. Wybór kanału τ→(π/ρ)ν powoduje, że po stronie sygnałowej występuje tylko jedno neutrino, co prowadzi do silnie ograniczonej konfiguracji kinematycznej. W połączeniu z dobrze zdefiniowanym stanem początkowym zderzeń e+e- oraz rekonstrukcją mezonu znakującego możliwe jest odtworzenie kinematyki rozpadu sygnałowego z dwuwartościową niejednoznacznością rozwiązań wynikającą z równań kwadratowych. Strategia ta pozwala odzyskać informacje niedostępne w standard- owych metodach oraz znacząco poprawia rozdzielczość sygnału względem procesów tła. W pracy przedstawiono kompletny schemat analizy obejmujący modelowanie sygnału, strategie tłumienia tła, zastosowanie metod wielowymiarowej klasyfikacji, ocenę niepewności systematycznych oraz projekcje czułości przy rosnącej zakumulowanej świetlności. Opracowana metodologia stanowi skalowalne i eksperymentalnie solidne podejście do poszukiwań LFV w kanale B→Kτℓ. Wykazano, że połączenie pół-leptonowego znakowania z kinematycznie ograniczonymi rozpadami τ otwiera nową perspektywę w badaniach naruszeń zapachu leptonu wzmacniając potencjał odkrywczy eksperymentu Belle II w dziedzinie precyzyjnej fizyki zapachu.
Engineering electronic edge states in kagome platforms
(The Henryk Niewodniczański Institute of Nuclear Physics Polish Academy of Sciences, 2026) Sekh, Sajid; Ptok, Andrzej; Piekarz, Przemysław; Domański, Tadeusz; Nowak, Michał; Wohlfeld, Krzysztof
Postępy w ciągu ostatnich dekad doprowadziły fizykę materii skondensowanej do skrzyżowania z topologią, prowadząc do rozwoju topologicznych faz materii. Fazy topologiczne charakteryzują się właściwościami objętościowymi, które są chronione przez globalne własności, a nie lokalne parametry porządku. Zakłada się, że materiały wykazujące fazy topologiczne są niewrażliwe na lokalne zaburzenia, takie jak zanieczyszczenia i nieporządek. Jest to niezwykle korzystne w zastosowaniach w urządzeniach, gdzie takie niedoskonałości są często nieuniknione. Fascynującą konsekwencją topologicznego porządku objętościowego jest pojawianie się stanów elektronowych na granicach materiałów. Te stany przewodzące prąd są zazwyczaj znane jako stany krawędziowe lub powierzchniowe, które występują przy izolatorze. W niniejszej pracy proponujemy materiały o strukturze kagome jako platformę do projektowania elektronicznych stanów krawędziowych. Chociaż sieć kagome ma podobieństwa do sieci plastra miodu w swojej strukturze pasm elektronowych, to w unikalny sposób posiada dodatkowe płaskie pasmo. Co więcej, sieci kagome występują w szerokiej gamie związków wykazujących różnorodne zjawiska, takie jak fale gęstości ładunku, nadprzewodnictwo, sprzężenie spin-orbita i magnetyzm. Zmotywowani tymi cechami, badamy zarówno pierwotne, jak i topologiczne stany krawędziowe sieci kagome w granicy monowarstwy. Pierwotne stany krawędziowe powstają w wyniku fizycznej terminacji sieci i identyfikujemy cztery różne terminacje uzyskane poprzez przecięcia liniowe. Terminacje te wpływają na obecność i liczbę stanów krawędziowych, a w niektórych przypadkach mogą je całkowicie stłumić. Po wprowadzeniu wewnętrznego sprzężenia spin-orbita (z ang. spin-orbit coupling SOC), modelowanego za pomocą modelu Kane-Mele, stany te stają się topologiczne. Powstałe stany krawędziowe są spolaryzowane spinowo i propagują się w przeciwnych kierunkach, zgodnie z helikalnymi stanami krawędziowymi Z2, co potwierdzamy za pomocą metody pętli Wilsona. Ponadto wykazujemy, że złamanie symetrii odwrócenia w czasie prowadzi do chiralnych stanów krawędziowych. Połączenie ferromagnetyzmu z polem magnetycznym indukowanym przez SOC typu Rashba powoduje powstanie dwóch topologicznych przerw objętościowych, skutkując bezprzerwowymi stanami chiralnymi dla wszystkich rodzajów krawędzi. Dodanie sprzężenia typu Kane-Mele poszerza przerwę objętościową i prowadzi do powstania dwóch odrębnych faz topologicznych. Jednakże chiralne stany krawędziowe mogą również powstawać wyłącznie z niekolinearnego porządku magnetycznego. W tym scenariuszu pole wymiany magnetycznej może wykazywać dwa odrębne stany w zależności od stopnia przechylenia spinu poza płaszczyznę. Analizujemy stany chiralne w obu przypadkach. Uzyskane wyniki pokazują, że pole magnetyczne indukowane przez Kane-Mele SOC może otwierać lub zamykać przerwy objętościowe i indukować różne fazy topologiczne, w zależności od natężenia pola magnetycznego i pola wymiany magnetycznej. Ogólnie rzecz biorąc, nasze wyniki pokazują, że dostrojenie pola magnetycznego i porządku magnetycznego umożliwia kontrolę nad przerwami objętościowymi i fazami topologicznymi, co może być przydatne w projektowaniu zróżnicowanych i dostrajalnych stanów krawędziowych w układach zawierających sieci kagome.
Study of Topological Edge States in Selected Solid State Systems
(The Henryk Niewodniczański Institute of Nuclear Physics Polish Academy of Sciences, 2025) Yadav, Shivam; Ptok, Andrzej; Piekarz, Przemysław; Kapcia, Konrad; Margańska-Łyżniak, Magdalena; Sedlmayr, Nicholas
Materiały topologiczne i ich odporne na nieporządek stany brzegowe wzbudziły duże zainteresowanie, znajdując potencjalne zastosowania wykraczające poza badania podstawowe. Wymiarowość krawędzi odgrywa kluczową rolę w naturze tych stanów. Jednowymiarowe (1D) materiały topologiczne, sprzężone z pobliskim nadprzewodnikiem, są zdolne do tworzenia stanów związania Majorany, których nieabelowa natura stwarza potencjał do ich zastosowań w komputerach kwantowych. W niniejszej rozprawie badaliśmy taki quasi-1D układ, w postaci drabinki zawierającej dwa równoległe sprzężone łańcuchy. Stwierdziliśmy, w ramach modelu ciasnego wiązania, że układ z periodycznymi warunkami brzegowymi realizuje fazę topologiczną z niezmiennikiem topologicznym w zakresie [-3, 3]. Wykazujemy, że jest to bezpośredni wynik sprzężenia między nanodrutami, a fazę topologiczną można zmienić poprzez dostrojenie wartości tego sprzężenia. Co więcej, skończony układ zawiera stany związane Majorany w przerwie nadprzewodzącej w pewnych zakresach parametrów. Z drugiej strony, materiały topologiczne dwu- i trójwymiarowe (2D i 3D) wzbudziły zainteresowanie ze względu na stany bezprzerwowe, które manifestują się wewenątrz strefy Brillouina. Te stany bezprzerwowe zachowują się jak quasi-cząstki posiadające cechy fermionów Diraca i Weyla, naturalnie klasyfikując bazowy materiał jako półmetal Diraca i Weyla (DSM i WSM). Materiały te są wysoce obiecujące dla elektroniki nowej generacji i spintroniki ze względu na wysoką ruchliwość elektronów i potencjał dla urządzeń o małej mocy i dużej szybkości. Aby lepiej zrozumieć stany krawędziowe, badamy interfejs pomiędzy izolatorem i WSM. W tej części, wykorzystujemy nieskoenergetyczny model efektywny WSM z symetrią odwrócenia w czasie, który zawiera cztery węzły Weyla (stany bezprzerwowe). Wybierając parametry prowadzące do pożądanego interfejsu, rozwiązujemy problem numerycznie. Wykorzystując funkcję widmową, omawiamy różne obserwacje i właściwości stanów krawędziowych interfejsu.
Charakterystyka widm liniowego przekazu energii w radioterapii protonowej z modulacją intensywności wiązki
(The Henryk Niewodniczański Institute of Nuclear Physics Polish Academy of Sciences, 2025) Stasica-Dudek, Paulina; Kopeć, Renata; Gajewski, Jan; Brzozowska, Beata; Kozłowska, Beata; Kukołowicz, Paweł
Radioterapia protonowa z modulacją intensywności wiązki (z ang. Intensity-Modulated Proton Therapy, IMPT) pozwala na lepszą ochronę zdrowych tkanek w porównaniu do konwencjonalnie stosowanych metod radioterapii wykorzystujących wiązki fotonowe lub elektronowe. W odróżnieniu od radioterapii konwencjonalnej, jakość promieniowania w mieszanych polach produkowanych przez wiązki protonowe jest zmienna, co wpływa na efektywność biologiczną oddziaływania protonów z komórkami w ciele pacjenta. Jakość promieniowania opisana może być rozkładem linowego przekazu energii (z ang. \textit{linear energy transfer}, LET) i współczesne systemy do planowania leczenia pozwalają na uwzględnienie tego parametru w procesie optymalizacji planów napromieniania obok standardowo stosowanego rozkładu dawki. Do tej pory jednak brakuje komercyjnie dostępnych rozwiązań dla eksperymentalnej walidacji obliczeń oraz procedur kontroli i zapewniania jakości uwzględniających LET. Celem niniejszej pracy jest opracowanie metod eksperymentalnej weryfikacji jakości mieszanych pól promieniowania z uwzględnieniem LET pojedynczych protonów, co pozwoli w przyszłości na bezpieczne zastosowanie optymalizacji LET w planowaniu leczenia, poprawę skuteczności terapii oraz zminimalizowanie jej skutków ubocznych. W tej pracy do charakterystyki LET zastosowano rozwinięty w CERN i skomercjalizowany przez firmę ADVACAM (Praga, Czechy) zminiaturyzowany półprzewodnikowy detektor pikselowy MiniPIX Timepix3. Detektor ten pozwala na śledzenie i pomiar energii depozycji od pojedynczych cząstek, umożliwiając identyfikację śladów protonów oraz charakterystykę LET w mieszanych polach promieniowania. Na podstawie pomiarów ze źródłem Am-241 oraz pojedynczymi wiązkami protonowymi w powietrzu oceniono wpływ modyfikacji ustawień elektroniki odczytu na działanie detektora. Następnie wykonano pomiary ze zredukowanym prądem wiązki dla pojedynczych wiązek ołówkowych, planu napromieniania poszerzonego piku Bragga, a także planów leczenia zoptymalizowanych z modulacją intensywności w fantomie jednorodnym i antropomorficznym. Identyfikacji śladów protonów dokonano wykorzystując metody sztucznej inteligencji. Modyfikacja ustawień elektroniki odczytu detektora pozwoliła zmniejszyć poziom zajęcia pikseli i skrócić czas trwania sygnału dla protonów o 80%. Ponadto poprzez podniesienie progu detekcji, liczba zajętych pikseli została dodatkowo zmniejszona o 20-40%. Wyniki pomiarów dla planów napromienienia w fantomach jednorodnych porównano z wynikami symulacji Monte Carlo uzyskując zgodność kształtu widm oraz wartości średnich LET ważonego dawką. W fantomie antropomorficznym zaobserwowano różnice w kształcie widm wykraczające poza zakres niepewności, co może być spowodowane różnicami między rzeczywistymi a zaimplementowanymi w kodzie Monte Carlo przekrojami czynnymi na reakcje jądrowe. Eksperymentalna charakterystyka LET w warunkach terapii protonowej ma na celu walidację obliczeń oraz zapewnienie i kontrolę jakości planów terapeutycznych IMPT zoptymalizowanych z uwzględnieniem dawki i LET. W niniejszej pracy zaproponowano metodologię oceny jakości promieniowania w terapii protonowej poprzez pomiary widm LET w jednorodnych i klinicznych polach IMPT. Prosty układ pomiarowy i komercyjna dostępność detektora pozwalają na zastosowanie opracowanej metodologii w dowolnym ośrodku radioterapii protonowej. W przyszłości, planowane jest rozszerzenie i testy opracowanej metodologii w radioterapii wiązkami ciężkich jonów.
Search for new physics in the scalar sector using advanced τ lepton reconstruction and identification techniques in the ATLAS experiment
(The Henryk Niewodniczański Institute of Nuclear Physics Polish Academy of Sciences, 2025) Juzek, Monika; Brückman de Renstrom, Paweł; Sławińska, Magdalena; Bluj, Michał; Grzelak, Katarzyna; Obłąkowska-Mucha, Agnieszka
Model Standardowy (SM) fizyki cząstek elementarnych, pomimo licznych potwierdzeń doświadczalnych, a w szczególności odkrycia bozonu Higgsa w 2012 roku, pozostaje teorii niepełną. Nie wyjaśnia on takich zjawisk jak masy neutrin, ciemna materia czy asymetria między materią a antymaterią we Wszechświecie. Liczne proponowane rozszerzenia SM, takie jak np. Two-Higgs-Doublet Model (2HDM) oraz Minimalny Supersymetryczny Model Standardowy (MSSM), przewidują istnienie dodatkowych cząstek, w tym naładowanych bozonów Higgsa. Celem niniejszej rozprawy jest poszukiwanie sygnałów nowej fizyki w sektorze skalarnym z wykorzystaniem leptonów τ w danych zderzeń proton-proton zebranych przez detektor ATLAS podczas Run-2 akceleratora LHC przy energii w środku masy √s= 13 TeV, odpowiadających łącznej scałkowanej świetlności 140 fb−1. Analiza koncentruje się na poszukiwaniach naładowanych bozonów Higgsa (H^±) w kanale rozpadu H^± → τ^± ν_τ , badając dwie sygnatury stanów końcowych: τ+dżety oraz τ+lepton (elektron lub mion), w zakresie mas 80-3000 GeV. W ramach pracy opracowano i zoptymalizowano metodę szacowania tła pochodzącego od dżetów błędnie identyfikowanych jako hadronowe rozpady τ (τ_(had-vis)), opartą na współczynnikach Fake-Factor (FF). Niepewność wyznaczenia tego tła stanowi jedno z głównych źródeł niepewności systematycznej poszukiwania H^± w całym zakresie masy. Zastosowano metodę dopasowania do kształtu (template-fit method) do uwzględnienia składu dżetów gluonowych i kwarkowych w obszarach sygnałowych. Otrzymane współczynniki FF zostały zweryfikowane w obszarach kontrolnych, uzyskując dobrą zgodność z danymi. Analiza niepewności systematycznych wykazała, że główne źródło niepewności stanowi¡ ciężkie dżety kwarkowe błędnie klasyfikowane jako τ_(had-vis). Nie stwierdzono istotnych odchyleń od przewidywań Modelu Standardowego. Ustalono górne ograniczenia na poziomie 95% przedziału ufności dla iloczynu przekroju czynnego i częstości rozpadu B〖(H〗^± → τ^± ν_τ), w zakresie od 4.51 pb do 0.4 fb, w zależności od masy H^±. Dla niskich mas (80-130 GeV) odpowiada to ograniczeniom na B(t → bH^± ) ×B〖(H〗^± → τ^± ν_τ) w zakresie 0.27%-0.04%. Przedstawiono również wkład autora w rozwój Systemu Kontroli Detektora (DCS) dla Półprzewodnikowego Detektora śladów (SCT) oraz w prace modernizacyjne nad nowym Detektorem śladów ITk przygotowywanym na fazę wysokiej świetlności LHC (HL-LHC). Dodatkowo przeprowadzono badania obejmujące walidację polaryzacji i korelacji spinowych leptonów τ w próbkach Monte Carlo oraz opracowanie narzędzi Rivet do analizy próbek Monte Carlo z leptonami τ w stanie końcowym, wykorzystywanych w eksperymencie ATLAS. Wyniki pracy wpisuj¡ się w szeroki program badawczy eksperymentu ATLAS, obejmujący zarówno rozwój infrastruktury detektora, jak i zaawansowane analizy danych w poszukiwaniu fizyki wykraczającej poza Model Standardowy.
Formulation of relativistic dissipative spin hydrodynamics
(The Henryk Niewodniczański Institute of Nuclear Physics Polish Academy of Sciences, 2025) Daher, Asaad; Ryblewski, Radosław; Sasaki, Chihiro; Bożek, Piotr; Mrówczyński, Stanisław
Głównym celem niniejszej pracy jest opracowanie spójnych podstaw teoretycznych hydrodynamiki dysypatywnej dla relatywistycznego płynu ze spinem, dalej określanej jako relatywistyczna dysypatywna hydrodynamika spinowa. W ramach tej teorii dynamiczny opis relatywistycznego płynu wymaga wprowadzenia nowej wielkości makroskopowej — gęstości spinu, związanej z tensorem spinowym. Tensor ten, definiowany jako wartość średnia odpowiedniego operatora w kwantowej teorii pola, wnosi wkład do całkowitego momentu pędu układu. Potrzeba opracowania takiej teorii wynika z najnowszych pomiarów polaryzacji spinu hadron-ów produkowanych w niecentralnych relatywistycznych zderzeniach ciężkich jonów. W pracy zastosowano dwie różne metody sformułowania teorii. Pierwsza opiera się na kowariantnej termodynamice i stanowi rozszerzenie konwencjonalnych teorii Naviera--Stokesa oraz Müllera--Israela--Stewarta poprzez uwzględnienie tensora spinowego. Druga wywodzi się z ogólnych zasad relatywistycznej kwantowej mechaniki statystycznej i rozwija oraz uogólnia fundamentalne podejście Zubareva. Obie metody mają na celu sformułowanie domkniętego układu równań ewolucji dla wielkości makroskopowych oraz — za pomocą analizy prądu entropii — identyfikację prądów dysypatywnych i odpowiadających im współczynników transportu. Oba podejścia oferują różne perspektywy dla przyszłych zastosowań w kontekście analizy pomiarów polaryzacji spinu. Poza swoim znaczeniem fenomenologicznym, teoria ta otwiera również szereg możliwości dalszych rozwinięć teoretycznych. Obejmują one m.in. weryfikację zależności termodynamicznych przyjętych w pierwszym podejściu na gruncie teorii mikroskopowej, a także głębsze zrozumienie wyłaniających się z tej teorii nowych współczynników transportu — w szczególności tych związanych z tensorem spinowym — poprzez modelowanie mikroskopowe lub dopasowanie do danych eksperymentalnych.
Switchable molecular magnets: from synthesis and polymer matrix integration to stimuli-responsive composite materials
(The Henryk Niewodniczański Institute of Nuclear Physics Polish Academy of Sciences, 2025) Pacanowska, Aleksandra; Fitta, Magdalena; Antonowicz, Jerzy; Podgajny, Robert; Kozłowski, Andrzej
Przełączalne magnetyki molekularne stanowią atrakcyjną klasę związków koordynacyjnych, których stan spinowy może być przełączany pod wpływem zewnętrznych czynników fizycznych, takich jak temperatura, ciśnienie czy naświetlanie. Dzięki precyzyjnemu doborowi bloków budulcowych w trakcie syntezy oraz otrzymanym właściwościom przełączalnym, badane układy wykazują znaczący potencjał w projektowaniu zaawansowanych czujników, inteligentnych tekstyliów oraz materiałów do zapisu danych. Wprowadzenie przełączalnych układów do matryc polimerowych nie tylko zwiększa ich wytrzymałość mechaniczną i przetwarzalność, ale także umożliwia materiałom kompozytowym wykazywanie wielofunkcyjnej wydajności. W poniższej rozprawie doktorskiej została przedstawiona metodyka i charakterystyka serii materiałów kompozytowych na bazie polimerów zawierających trzy prototypowe układy ko-ordynacyjne: mikro- i nanocząstki analogów błękitu pruskiego (PBA), które wykazują uporządkowanie magnetyczne dalekiego zasięgu; nanocząstki żelaza(II) z możliwością przełączania stanów spinowych (przejście typu spin-crossover, SCO), które charakteryzują się zmianą ze stanu nisko- do wysokospinowego pod wpływem temperatury; oraz dwu-metaliczny łańcuch oparty na jonach niklu i żelaza, wykazujący odwracalny efekt przeniesienia ładunku między metalami pod wpływem temperatury lub przyłożonego ciśnienia zewnętrznego. Każdy z ba-danych systemów cechuje się unikalnym mechanizmem przełączania, co stwarza wszechstronną platformę badawczą do analizy wpływu magnetycznej domieszki na ostateczne właściwości kompozytów. Wprowadzenie przełączalnych układów molekularnych jako dodatek do matryc polimerowych zostało zrealizowane poprzez wykorzystanie techniki elektroprzędzenia i metodę nakropienia na powierzchnię (drop-casting). Elektroprzędzenie to proces, dzięki któremu możliwe jest wytworzenie stałych, elastycznych mat polimerowych w wyniku wyciągania z zawiesiny polimerowej ultracienkich włókien pod wpływem przyłożonego wysokiego napięcia. Drugą przedstawioną metodą otrzymywania materiałów kompozytowych jest wytwarzanie jednolitych warstw poprzez nakropienie i odparowanie rozpuszczalnika. Wybór obu technik opierał się na ich skalowalności, kompatybilności z różnymi matrycami polimerowymi i możliwości zachowania właściwości przełączalnych wprowadzonych struktur koordynacyjnych. W badaniach wykorzystano szereg technik umożliwiających kompleksowe wyznaczenie właściwości strukturalnych i magnetycznych otrzymanych materiałów kompozytowych. Mikro-skopia elektronowa i dyfrakcja rentgenowska zapewniły szczegółowy wgląd w morfologię i zachowanie struktury krystalicznej próbek. Ponadto zastosowano spektroskopię wibracyjną w celu zbadania stabilności chemicznej układów funkcjonalnych po użyciu techniki wykorzystującej wysokie napięcie do przygotowania materiałów. Synchrotronowa spektroskopia ab-sorpcji promieniowania rentgenowskiego, spektroskopia Mössbauerowska oraz magnetometria SQUID zostały wykorzystane do zbadania zjawisk przełączania spinów i przeniesienia ładunku. Uzupełniające analiza termiczna oraz eksperyment in situ indukowanego przejścia pod wpływem ciśnienia dodatkowo wykazały odporność i reaktywność kompozytów w warunkach odpowiadających potencjalnym zastosowaniom. Badania zawarte w niniejszej rozprawie dowodzą, że wrażliwe na bodźce zewnętrzne magnetyki molekularne, zwykle podatne na kruchość i degradację w określonych warunkach przechowywania, można skutecznie osadzić w matrycach polimerowych bez utraty ich przełączalnych właściwości. Trójwymiarowe maty złożone z elektroprzędzonych włókien charakteryzują się zarówno wysoką odpornością mechaniczną, jak i szybką odwracalną reakcją na zmianę warunków otoczenia, podczas gdy warstwy wykonane metodą nakrapiania umożliwiają szybką detekcję. Podsumowując, badania wchodzące w tematykę tej rozprawy przedstawiają metodologię wytwarzania materiałów kompozytowych opartych o matrycę z polimerów organicznych oraz układów magnetyków molekularnych reagujących na bodźce zewnętrzne, które mogą zostać wykorzystane w inteligentnych urządzeniach i materiałach przełączalnych nowej generacji.
Application of H2N-Fe3O4 and NaDyF4-NaGdF4 Contrast Agents for the Early Detection of Prostate Cancer and Breast Cancer in the Animal Models
(The Henryk Niewodniczański Institute of Nuclear Physics Polish Academy of Sciences, 2025) MacDonald, David; Błasiak, Barbara; Kwiatkowski, Grzegorz; Elas, Martyna; Suchanek, Mateusz
Niniejsza praca prezentuje zastosowanie środków kontrastowych bazujących na paramagnetycznych nanocząstkach, H2N-Fe3O4 i NaDyF4-NaGdF4, do wczesnej diagnostyki raka prostaty i piersi przy użyciu systemu do obrazowania rezonansem magnetycznym (MRI) o polu 9,4 Tesla. Relaksacyjność nanocząstek H2N-Fe3O4 zmierzono w roztworze wodnym w polu magnetycznym 9,4 T w celu oszacowania ich możliwości zastosowań do badań przedklinicznych, a także w polu 3 Tesla, biorąc pod uwagę możliwe przyszłe zastosowania kliniczne środków kontrastowych. Oba typy nanocząstek zastosowano w badaniach in vivo na mysich modelach raka prostaty i piersi. Wyniki wykazały, że zarówno oba środki kontrastowe znacząco zwiększają kontrast guza przy użyciu systemu 9,4T 12 minut i 15 minut po wstrzyknięciu. Pomiary relaksacyjności wykonane w polu 3 T wykazały, że nanocząstki mogą być również skuteczne w warunkach klinicznych. Oprócz badań in vivo środków kontrastowych opracowano również teoretyczny model obrazowania rezonansowego obejmujący guz i tkankę normalną, w celu określenia w jaki sposób obróbka danych („post-processing”) może dodatkowo poprawić kontrast guza na obrazach rezonansowych. Model wykazał, że odjęcie obrazu ważonego przez czas T2 od obrazu ważonego przez czas T1 poprawia kontrast guza w obrazach rezonansowych przed i po wstrzyknięciu środka kontrastowego. Wyniki zastosowano na obrazach in vivo, pokazując efektywność metody.
Application of Magnetic Resonance Imaging to Investigate New Theranostic Nanomaterials for Drug Delivery in Ischemic Stroke
(The Henryk Niewodniczański Institute of Nuclear Physics Polish Academy of Sciences, 2025) Stachurski, Kamil; Węglarz, Władysław; Jasiński, Krzysztof; Bogorodzki, Piotr; Burda, Květoslava; Zapotoczny, Szczepan
Udar mózgu jest jedną z głównych przyczyn śmiertelności w krajach wysoce rozwiniętych. Kluczem do opracowania skutecznej metody leczenia udaru jest lepsze zrozumienie patofizjologii choroby. Opracowanie tego fundamentu wymaga zastosowania specjalistycznych modeli zwierzęcych, które naśladują proces fizykochemiczny danej choroby. Jedną z ciekawych opcji medycznych, które mogą posłużyć leczeniu udaru jest teranostyka. Teranostyk to substancja łącząca w sobie modalności diagnostyki i terapii. Dzięki zastosowaniu teranostyków oraz wybranej metody obrazowania, możliwe jest dostarczenie środków terapeutycznych do konkretnego obszaru anatomicznego pod kontrolą techniki obrazowej. Celem niniejszej pracy było przeprowadzenie badań własności relaksacyjnych nowych teranostycznych nanonośników w warunkach in vitro przy użyciu obrazowania rezonansem magnetycznym MRI. Następnym celem była ocena możliwości efektywnego dostarczania środków neuroprotekcyjnych do mózgu, poprzez charakteryzację udaru mózgu, wykorzystując model zwierzęcy udaru niedokrwiennego MCAO (ang. Middle Cerebral Artery Occlusion). Kluczowymi aspektami w wykonanych badaniach były pomiary wartości czasów relaksacji T1 i T2, pomiary współczynnika dyfuzji w tkance mózgowej, badania przepuszczalności bariery krew-mózg oraz ocena limitu detekcji środka kontrastowego w tkance niedokrwiennej, co jest kluczowe w przypadku dostarczania środków neuroprotekcyjnych do mózgu pod kontrolą MRI. Przeprowadzone badania pozwoliły na ocenę potencjału teranostycznego szeregu różnych nowych nanocząstek. Ponadto badania pozwoliły na zoptymalizowanie indukcji modelu udaru MCAO. Dodatkowo pozwoliły one scharakteryzować tkankę niedokrwienną wykorzystując obrazowanie MRI. Badania pozwoliły na ocenę ewolucji czasowej udaru oraz ocenę przepuszczalności bariery krew-mózg. Niniejsza praca pozwoliła na zoptymalizowanie protokołów pomiarowych na cele badań biodystrybucji oraz wdrożenie zaawansowanych i autorskich programów do analizy danych obrazowych MRI. Uzyskane wyniki badań będą fundamentem w przyszłej ocenie efektów terapeutycznych różnych teranostyków.
Temporal Nonlocality in Evolution Equations: Characterization of Wave and Diffusion Properties
(The Henryk Niewodniczański Institute of Nuclear Physics Polish Academy of Sciences, 2025) Pietrzak, Tobiasz; Górska, Katarzyna; Gudowska-Nowak, Ewa; Kosztołowicz, Tadeusz; Povstenko, Yuriy
W fizyce teoretycznej wiele podstawowych równań ewolucyjnych zakłada lokalność procesu w czasie, co oznacza, że przyszły stan układu zależy wyłącznie od jego stanu obecnego. Jednakże istnieją procesy wymagające modelowania efektów pamięciowych, w których przeszłe stany wpływają na przyszłą ewolucję. Pierwsze podejścia do tego typu procesów zależnych od pamięci zostało wprowadzone ponad 150 lat temu. Z biegiem czasu mode- lowanie matematyczne procesów z pamięcią ewoluowało, obejmując równa- nia całkowo-różniczkowe i rachunek ułamkowy, których operatory nielokalne z natury uwzględniają historię układu. Modele rzędu ułamkowego są często dokładniejsze niż ich odpowiedniki rzędu całkowitego ze względu na do- datkowe stopnie swobody, dzięki czemu mają zastosowanie w fizyce, chemii, biologii, teorii sterowania czy inżynierii. Głównym przedmiotem niniejszej rozprawy jest analiza systemów dynamicznych zależnych od pamięci, ze szczególnym uwzględnieniem uogólnionego równania telegraficznego poddanego działaniu zewnętrznego ruchomego źródła harmonicznego. Uogól- nione równanie telegraficzne uwzględnia nielokalne pochodne czasowe poprzez funkcje pamięci, które modyfikują zarówno pochodne czasowe pierwszego, jak i drugiego rzędu, umożliwiając opis efektów pamięci w propagacji fal. Badania wykazują pojawienie się przesunięć częstotliwości podobnych do efektu Dopplera w obecności ruchomych źródeł, pokazując, że interakcja między propagacją fal a funkcjami pamięci może generować modyfikacje spek- tralne zależne od prędkości, nawet przy braku ostrego czoła fali. Przeanali- zowano trzy reprezentatywne scenariusze pamięci: zlokalizowany, potęgowy i mieszany, ujawniając, że obecność czoła fali wzmacnia obserwowalne prze- sunięcie częstotliwości, podczas gdy pamięć czysto potęgowa nadal wywołuje subtelne, ale mierzalne zmiany spektralne. Wyniki te dostarczają nowych in- formacji na temat wzajemnego oddziaływania między propagacją fal a nielokalnym zachowaniem czasowym w uogólnionych procesach transportu. Oprócz równania telegraficznego, rozprawa dotyczy uogólnionego równania Fokkera-Plancka z zanikającą pamięcią oraz uogólnionego równania Langev- ina. Rozwiązania analityczne wykorzystujące jądra pamięci o rozłożonym rzędzie i Volterra-Prabhakara zapewniają wyniki mające znaczenie fizyczne. Zjawiska dyfuzji anomalnej, takie jak subdyfuzja, superdyfuzja i ultrapowolna dyfuzja, są analizowane pod kątem różnych jąder szumu i tarcia, podkreślając rolę pamięci w kształtowaniu złożonych zachowań dynamicznych.
Nanostructured copper-phosphonate functionalized mesoporous silica for nonlinear optical applications
(The Henryk Niewodniczański Institute of Nuclear Physics Polish Academy of Sciences, 2025) El Houbbadi, Sara; Laskowska, Magdalena; Walcarius, Alain; Lafaye, Gwendoline; Drzewiński, Andrzej; Kityk, Andriy
W niniejszej pracy doktorskiej zbadano materiały oparte na strukturze krzemionki mezoporowatej SBA-15 funkcjonalizowanej grupami fosfonianu miedzi w różnych koncentracjach. Praca została poświęcona badaniom nad materiałem w postaci cienkich warstw jednak w celu wykonania dokładniejszej charakterystyki badany materiał został przygotowany również w postaci proszków. Taki podejście umożliwiło wykonanie szeroko zakrojonych badań i dokładnej charakterystyki otrzymanych nanokompozytów. W pracy ukazano również duży potencjał aplikacyjny opracowanych materiałów które mogą być w prosty sposób deponowane na różnorodnych powierzchniach za pomocą metody zanurzeniowej (ang. dip-coating). W pierwszej części pracy przedstawiono charakterystykę otrzymanych materiałów potwierdzającą zgodność otrzymanych materiałów z założeniami syntezy. W szczególności potwierdzono skład pierwiastkowy wszystkich próbek za pomocą techniki EDS. Mapowanie z wykorzystaniem tej techniki ukazało jednorodność rozlokowania grup fosfonianu miedzi na powierzchni krzemionki. Kolejne wykorzystane techniki takie jak TEM, SAXS, GISAXS oraz izotermiczna sorpcja azotu pozwoliły na dokładne scharakteryzowanie uporządkowanej mezoporowatej struktury krzemionkowej pełniącej rolę nośnika grup funkcyjnych. Natomiast spektroskopia Ramana umożliwiła charakterystykę struktury molekularnej badanych układów. W drugiej części pracy przedstawione zostały rezultaty badania za pomocą spektroskopii absorpcyjnej promieniowania rentgenowskiego (XAS) wykonanego na linii ASTRA w Narodowym Centrum Promieniowania Synchrotronowego SOLARIS. Zastosowane techniki XANES i EXAFS miały na celu umożliwienie przygotowania precyzyjnych modeli numerycznych odzwierciedlających strukturę molekularną badanych materiałów. Dlatego analiza ich wyników wsparta została symulacjami numerycznymi. Poprzez odpowiednie dobranie modeli numerycznych na podstawie wyników uzyskanych w tym badaniu możliwe było przeprowadzenie kolejnych etapów symulacji numerycznych mających na celu wyjaśnienie obserwowanych własności nieliniowo optycznych opracowanych materiałów. Własności nieliniowo-optyczne obserwowane dla badanych w niniejszej pracy materiałów wykazują intrygującą zależność od koncentracji grup funkcyjnych i nie jest to zależność liniowa. Przeprowadzone badania wykazały, że za własności NLO odpowiedzialna jest nie tylko ilość grup fosfonianu miedzi ale również ich wzajemne oddziaływania, które świadczą o tym że materiał przedstawiony w niniejszej pracy można traktować jako materiał o dostrajalnych własnościach NLO.
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.

Browse

collection.page.browse.recent.head