Sodobne eksperimentalne metode v astrofiziki osnovnih delcev

Cilj tega predmeta je dati študentom teoretično in praktično znanje o sodobnih eksperimentalnih metodah v astrofizike delcev.

Predstavitev tako široke teme je zgrajena preko skupnih glavnih ciljev za eksperimentatorjev v (astro) fiziki osnovnih delcev, ki so meritev energije (kalorimetrija), rekonstrukcija trajektorije in določitev narave delcev visokih energij.

Opis eksperimentalnih metod je ponazorjena s številnimi primeri poskusov v fiziki in astrofiziki osnovnih delcev. To pomaga študentom za pridobitev bistva metod, kot tudi njihove specifičnosti v danem izvajanju (na primer z uporabo zemeljskega ozračja kot kalorimetra v številnih poskusih v astrofizike osnovnih delcev).

Poleg detekcijskih sistemov (kalorimetri, sledilci, detektorji mionov), teme sproženja in pridobivanja podatkov, simulacije detektorja in multivariatne analize podatkov so tudi zajeti. Študentje pridobijo potrebne kompetence za kvantitativne analize meritev in interpretacije rezultatov v sodobnih poskusih v astrofiziki osnovnih delcev.

/

• Sledni detektorji - pozicijska ločlivost - ločlivost za gibalno količino - uporaba v velikih detektorjih delcev; - uporaba v satelitskih detektorjih (AMS-02, Fermi-LAT); - prihodnji razvoj.
• Elektromagnetni kalorimetri - lastnosti elektromagnetnih plazov; - energijska ločljivost E.M. kalorimetrov; - primer kalorimetrov ATLAS in CMS; - primer detektorjev Fermi-LAT & AMS-02.
• Hadronski kalorimetri - lastnosti hadronskih plazov; - primer ATLAS TileCal.
• Sistemi mionskih detektorjev - Interakcija mionov s snovjo; - implementacije na LHC; - implementacije v nevtrinski astronomiji.
• Identifikacija delcev - detektorji Čerenkovih obročev; - detektorji fotonov in uporaba radiatorjev; - merjenje časa preleta; - detektorji prehodnega sevanja; - uporaba v satelitskih detektorjih AMS-02 in Fermi-LAT; - uporaba v astronomije gama žarkov z talnimi detektorji Čerenkova.
• Prožilni sistem in zajemanje podatkov (DAQ) - osnovni koncepti DAQ; - sprožilci za hadronski trkalnik; - uporaba v AMS-2 in Fermi-LAT; - uporaba v poljih Čerenkovih teleskopov (IACTs) in na bodočem observatoriju CTA.
• Simulacija detektorja - geometrija detektorja in opis fizike; - validacija simulacij; - simulacije pri načrtovanju novih detektorjev; - vloga simulacij pri analizi podatkov; - primer simulacije transporta in interakcij delcev: GEANT4; - primeri simulacije detektorja v obstoječem (Pierre Auger) in bodočem (CTA) poskusu v astrofiziki osnovnih delcev.
• Multivariatne metode analize podatkov
• Atmosfera kot kalorimeter za astrofiziko osnovnih delcev zelo visokih energij (VHE) - plazovi povzročeni z kozmičnimi žarki; - elektromagnetni in hadronski plazovi v atmosferi; - simulacija plazov z uporabo CORSIKA in drugih programov, koncept tanjšanja; - razširitev modelov hadronskih interakcij; - rekonstrukcija parametrov primarnih delcev iz opazovanj plazov sekundarnih delcev; - vpliv na energijsko ločljivost in spektralno rekonstrukcijo; - orodja za atmosferski monitoring.
• Odkrivanje kozmičnih žarkov ekstremnih energij z Observatorijem Pierre Auger - talni detektor Auger in njegove lastnosti; - fluorescenčni detektor Auger; - način hibridnega odkrivanja; - vpadne smeri, energijski spekter, delčna sestava fluksa UHECR; - Nadgradnja in možni alternativni načini odkrivanja (odkrivanje z uporabo radijskih valovi itd); - Bodoči detektorji UHECR (JEM-EUSO).
• Čerenkovi teleskopi (IACTs) - glavni lastnosti (energijska in kotna ločljivost; obratovalni cikel; prag energije; diskriminacija hadronov in občutljivost); - obstoječi sklopi IACTs (H.E.S.S., MAGIC, VERITAS) in njihovi glavni rezultati; - bodoči Cherenkov Telescope Array (CTA), parametri in pričakovana zmogljivost; - drugi tipi detektorjev Čerenkove svetlobe: HAWC, HiScore, LHASSO.
• Odkrivanje astrofizikalnih nevtrinov visokih energij (VHE) - interakcijski presek VHE nevtrinov; - nevtrinske oscilacije; - nevtrinski teleskopi; - IceCube in bodoči detektor KM3NET: izboljšanje parametrov in fizikalni cilji.

Slušatelji spoznajo principe različnih metod odkrivanja in identifikacije delcev zelo visokih energij na področju astrofizike delcev. Študentje pridobijo tudi znanja o simulacijah, analizi in interpretaciji podatkov v sodobnih poskusih.

Z uporabo praktičnega dela na primerih iz tekočih in načrtovanih eksperimentov, študentje se naučijo napredne tehnike odkrivanja in sledenja delcev, in tudi kalorimetrije in primarne rekonstrukcije delcev, ki temeljijo na zaznanih kaskadah delcev. Naučili se bodo, kako oceniti in interpretirati podatke na podlagi simulacije in multivariatne analize meritev (odločitvena drevesa, ...), ki se na tem področju pogosto uporabljajo.

Študenti se bodo naučili o eksperimentalnih metodah v satelitskih (AMS-02, Fermi-LAT) in talnih (Pierre Auger, H.E.S.S., MAGIC, VERITAS, CTA, HAWC, ARGO-YBJ) detektorskih sklopih za meritve kozmičnih žarkov in gama žarkov zelo visokih energij (VHE), kot tudi v detektorjih za meritve VHE nevtrinov (IceCube, KM3NET).

Pridobili bodo široko in poglobljeno poznavanje temeljnih fizikalnih procesov, ki so podlaga za detekcijske metode ter spoznali tipične izvore sistematičnih napak in ključne parametre (občutljivost, razpon energij, energijska in kotna ločljivost, akceptanca, mrtvi čas, etc.). Spoznali bodo trenutne omejitve sodobnih eksperimentov ter metode in tehnike za izboljšanje karakteristik detektorjev. Pridobili bodo tudi izkušnje za uspešno integracijo v velike mednarodne eksperimentalne skupine, ki delujejo na sedanjih detektorjih ali pripravljajo bodoče poskuse.

• R. Fernow, Introduction to Experimental Particle Physics, Cambridge University Press, 1989 E-gradivo
• K. Kleinknecht, Detectors for particle radiation, Cambridge University Press, 1986 Katalog E-gradivo
• D. Green, The Physics of Particle Detectors, Cambridge University Press, 2000 E-gradivo
• C. Grupen, Particle Detectors, Cambridge University Press, 1996 E-gradivo
• T. Ferbel, Experimental Techniques in High Energy Nuclear and Particle Physics, World Scientific, E-gradivo
• W. Leo, Techniques for Nuclear and Particle Physics Experiments, Springer, 1994 Katalog E-gradivo
• T. Stanev, High energy cosmic rays, Springer, 2009 Katalog E-gradivo
• Thomas K. Gaisser, Cosmic rays and particle physics, Cambridge University Press, 1990. Katalog E-gradivo
• M. S. Longair, High energy astrophysics, Cambridge University Press, 2011 Katalog E-gradivo
• Pierre Auger Collaboration, Properties and performance of the prototype instrument for the Pierre Auger Observatory, NIM A523 (2004), pages 50-95. https://doi.org/10.1016/j.nima.2003.12.012 E-gradivo
• CTA Consortium, Design concepts for the Cherenkov Telescope Array CTA : an advanced facility for ground-based high-energy gamma-ray astronomy, Exp. astronomy, 32 (2013), pages 193-316. E-gradivo
• K. Louedec, Atmospheric effects in astroparticle physics experiments and the challenge of ever greater precision in measurements, Astropart. Physics, 60 (2015), 54-71. https://doi.org/10.48550/arXiv.1403.2977 E-gradivo
• Thomas Gaisser and Francis Halzen, IceCube, Ann. Rev. of Nucl. and Part. Science, 64 (2014) 101-123 https://doi.org/10.1146/annurev-nucl-102313-025321 E-gradivo
• A. De Angelis, Alessandro, M. J. M. Pimenta, Introduction to particle and astroparticle physics: multimessenger astronomy and its particle physics foundations, Springer International Publishing, 2018 Katalog

Preverjanje znanja poteka v obliki številnih vaj, ki temeljijo na primerih iz sodobnih raziskav v fiziki in astrofiziki delcev zelo visokih energij. Po koncu predavanj bodo študenti pripravili zaključni projekt s ciljem dokazati svojo sposobnost navesti glavne eksperimentalne vidike v dani dobro opredeljeni in celoviti temi. Projektne naloge in zaključni projekt oddajo v pisni obliki in jih zagovarjajo v ustni obliki, v diskusiji z nosilcem predmeta in ostalimi študenti. 50/50

Docent za področje fizike na Univerzi v Novi Gorici.

Bibliografija