Politechnika Warszawska
Politechnika Warszawska Uczelnia Badawcza

Fizyka wysokich energii i technika eksperymentu

Globalne i lokalne wyzwania

Fizyka wysokich energii to szeroko rozumiana działalność naukowa w obszarach związanych z badaniem materii w ekstremalnych warunkach. Wiąże się to z wykorzystaniem dedykowanych narzędzi badawczych, takich jak akceleratory liniowe oraz kołowe leptonów (elektronów) oraz jąder atomowych (od protonów do jąder ciężkich pierwiastków, takich jak Au lub Pb). Dochodzi tam do zderzeń jąder atomowych przy ogromnych energiach, od kilku gigaelektronowoltów (GeV) do maksymalnej dotychczas osiągniętej przez człowieka energii 13 TeV dla zderzeń protonów w Wielkim Zderzaczu Hadronów (LHC) w ośrodku CERN. Powstały w zderzeniu system w ewoluuje w gwałtowny sposób, a z jego obszaru emitowane są nowopowstałe cząstki elementarne – nawet do kilkudziesięciu tysięcy na jedno zderzenie. Cząstki te są mierzone w detektorach otaczających miejsce zderzenia. Są to dedykowane urządzenia, wykorzystujące najnowsze zdobycze technologii, a często wręcz tworzące nowe rozwiązania technologiczne. Badane jest w ten sposób zachowanie materii jądrowej w ekstremalnych warunkach – ogromnej temperatury (rzędu setek MeV) oraz gęstości (przekraczającej o nawet rząd wielkości gęstość jądra atomowego). Są to badania podstawowe, prowadzące do fundamentalnych odkryć, takich jak potwierdzenie istnienia nowego stanu materii – plazmy kwarkowo-gluonej (w której kwarki nie są już uwięzione w hadronach), czy potwierdzenie istnienia nowej cząstki elementarnej – bozonu Higgsa (Nagroda Nobla w dziedzinie fizyki w roku 2013). Można je również traktować jako poznawanie diagramu fazowego materii jądrowej. Jest to istotne dla wielu dziedzin nauki, między innymi dla badań astrofizycznych związanych z własnościami gwiazd neutronowych oraz modelowania ich zderzeń – czyli jednego z głównych elementów programu badań fal grawitacyjnych LIGO/VIRGO (Nagroda Nobla w dziedzinie fizyki w roku 2017). Choć głównym celem są wymienione wyżej badania podstawowe, przedsięwzięcia te, ze względu na swoją skalę i stopień zaawansowania, generują ogromne wyzwania inżynieryjne, technologiczne i informatyczne. Dla przykładu w LHC zderzenia zachodzą z częstotliwością do  40 MHz, a każde z nich generuje w detektorze dane o rozmiarach gigabajtów (miliony kanałów odczytu).

Potrzeba dedykowanych, specjalistycznych   rozwiązań   elektronicznych, informatycznych i telekomunikacyjnych, aby te dane odebrać, przefiltrować i zapisać na potrzeby dalszych badań. W rezultacie generowane są zasoby danych o rozmiarach rzędu setek petabajtów, które następnie muszą być efektywnie analizowane. Inny rodzaj wyzwań, to samo projektowanie, testowanie, budowa i użytkowanie detektorów. Tu również używane są najnowsze techniki detekcji promieniowania, elektroniki odczytowej, rozwiązań mechanicznych oraz zagadnień związanych z bezpieczeństwem.

Na podobnych zasadach organizacyjnych jak dla eksperymentów fizyki wysokich energii od kilku dekad ma miejsce rozwój badań nad fizyką plazmy z użyciem tokamaków w celu pozyskania energii poprzez kontrolowaną syntezę jądrową.

Zbliżona tematycznie jest też działalność naukowa w zakresie technologii kwantowej polegająca na budowie aparatury kontrolno-pomiarowej we współpracy z wiodącymi laboratoriami naukowymi w Europie i USA w celu unifikacji aparatury i ułatwienia współpracy pomiędzy laboratoriami na całym świecie. W rezultacie tej dużej międzynarodowej współpracy powstają komputery kwantowe oparte na pułapkach jonowych, zegary optyczne, czujniki oparte na ultra-zimnych atomach, czy komputery kwantowe na kubitach nadprzewodzących. Przykłady aparatury to m.in. wielokanałowe urządzenia odczytujące i korygujące błędy w kubitach, generatory pola w.cz. umożliwiające pułapkowanie jonów, narzędzia diagnostyczne oraz oprogramowanie systemowe.

Wszystkie te działania często wymagają urządzeń badawczych o ogromnej skali – pod względem rozmiarów, stopnia skomplikowania, wyzwań technologicznych i naukowych oraz wymaganej wielkości zespołów badawczych. Dlatego często stosuje się do ich opisu pojęcie „Big Science”.

Osiągnięcia naukowe

PW prowadzi intensywne, wieloletnie badania typu Big Science w ramach szerokiej współpracy międzynarodowej w następujących dziedzinach związanych z Obszarem Badawczym: eksperymenty fizyki wysokich energii – prowadzenie badań podstawowych nad diagramem fazowym materii jądrowej w szerokim zakresie temperatur i gęstości barionowych oraz wykonywanie zadań projektowych, konstrukcyjnych, eksploatacyjnych oraz programistycznych na rzecz budowy i użytkowania detektorów, wraz z ich elektroniką i systemami obliczeniowymi. Grupy z PW uczestniczą w projektach: Eksperyment ALICE przy Wielkim Zderzaczu Hadronów   w CERN (pełnoprawny członek kolaboracji, ok. 20 członków), eksperyment STAR przy Relativistic Heavy Ion Collider w Brookhaven National Laboratory (USA) (pełnoprawny członek kolaboracji, ok. 15 członków), eksperymenty NA49 oraz NA61/SHINE przy Super Proton Synchrotron w CERN (pełnoprawny członek kolaboracji, ok. 10 członków), będący w fazie konstrukcji eksperyment MPD w kompleksie NICA w Zjednoczonym Instytucie Badań Jądrowych w Dubnej, (pełnoprawny członek kolaboracji, ok. 10 członków), eksperyment BM@N w kompleksie NICA w Zjednoczonym Instytucie Badań Jądrowych w Dubnej, (pełnoprawny członek  kolaboracji, ok. 5 członków), eksperyment CMS przy Wielkim Zderzaczu Hadronów w CERN (PW jako uczestnik programu konstrukcji wyzwalacza mionowego), eksperyment CBM w kompleksie FAIR w GSI (pełnoprawny członek kolaboracji, 10 uczestników).

Na PW prowadzone są również badania teoretyczne (modelowanie, w tym obliczenia na superkomputerach) w dziedzinie fizyki jądrowej, badanie zachowania materii jądrowej w warunkach ekstremalnych temperatur i gęstości barionowych, prowadzone we współpracy międzynarodowej.

Inne powiązane aktywności to: eksperymenty kwantowe w szczególności: sterowanie pułapkami jonowymi, odczyt kubitów nadprzewodzących, korekcja błędów w komputerach kwantowych - współpraca z wiodącymi instytucjami naukowymi z Europy (m.in. Oxford, Humboldt, Instytut Nielsa Bohra, CERN), USA (Maryland, DUke, NIST), eksperymenty plazmy: szybka diagnostyka plazmy w tokamakach, systemy sterowania eksperymentami tokamakowymi ze szczególnym uwzględnieniem w trudnych warunkach środowiskowych - współpraca w ramach EUROFUSION (PW jest członkiem) z EFDA, CEA, Wendelstein (Garching), eksperymenty astrofizyczne: systemy detekcyjne w zakresie widzialnym, podczerwieni na powierzchni Ziemi oraz na orbicie oraz eksperymenty fizyczne na orbicie Ziemi, m.in. zegary optyczne, wykrywanie fal grawitacyjnych, detektory na ultra-zimnych atomach, kryptografia kwantowa - współpraca z instytucjami naukowymi i firmami, m.in. CBK, Humboldt (Niemcy), Creotech, JPL (NASA), ESA. Skala czasowa przedsięwzięć Big Science takich jak Wielki Zderzacz Hadronów, to dziesięciolecia. Ich stopień skomplikowania wymaga współpracy tysięcy naukowców i inżynierów. Wyzwania te przekraczają możliwości pojedynczych krajów. Dlatego badania są zwyczajowo prowadzone w ramach międzynarodowych kolaboracji eksperymentalnych. Przykładowo kolaboracja eksperymentu CMS liczy ponad 3000 członków, eksperyment ALICE to około 1000 członków, a eksperymenty STAR czy MPD oraz CBM planowany w ośrodku FAIR w GSI mają około 500 członków. Grupy z PW są pełnoprawnymi członkami następujących kolaboracji: ALICE przy LHC w CERN, STAR przy RHIC w BNL, NA61/SHINE i NA49 przy SPS w CERN, MPD przy NICA w Zjednoczonym Instytucie Badań Jądrowych (ZIBJ) w Dubnej, BM@N przy Nuclotron w ZIBJ, CBM przy FAIR w Darmstadt. Uczestniczą także w realizacji eksperymentu CMS przy LHC w CERN. W sumie jest to ponad 50 naukowców, doktorantów, studentów i inżynierów. We wszystkich przypadkach instytucje członkowskie pochodzą z dziesiątek krajów ze wszystkich kontynentów. Podsumowując, badania w tej dziedzinie są w naturalny sposób prowadzone w bardzo szerokiej i intensywnej współpracy międzynarodowej, co skutkuje również dużą mobilnością kadry naukowej, zarówno pod względem wyjazdów zagranicznych pracowników PW (w tym długoterminowych), jak i przyjazdów do PW uznanych naukowców z zagranicy oraz zatrudnianiu  pracowników nie będących obywatelami RP. Współpraca  o której mowa realizowana jest już również w formie intensywnej współpracy krajowej, np. w ramach konsorcjum NICA-PL (PW jako lider konsorcjum), ALICE-PL, Polskiego Konsorcjum Fizyki Cząstek i innych.

Plany badawcze

Badania diagramu fazowego materii jądrowej jest aktualnym i fundamentalnym zagadnieniem fizyki jądrowej na świecie. Jest bezpośrednio powiązane z szeregiem innych dziedzin badawczych, w tym z astrofizyką, teorią ewolucji wszechświata, zagadnieniami fizyki gwiazd neutronowych, ich zderzeń oraz wybuchów supernowych. Wszystkie badania w tej dziedzinie prowadzone są w ramach kolaboracji międzynarodowych (opartych o tzw. Memorandum of Understanding). Badania prowadzone są w ośrodkach takich jak CERN czy ZIBJ, które mają status organizacji międzynarodowych, finansowanych ze składek krajów członkowskich – w obu przypadkach Polska jest krajem członkowskim. PW posiada porozumienia o współpracy

„Collaboration Framework Agreement” z CERN oraz ZIBJ. PW uczestniczy też we Wspólnym Programie Badawczym Wspólnoty EURATOM. Na PW działa Platforma Eksperymentów Fizyki Wysokich Energii (Platform for High Energy Physics Experiments) PW, zrzeszającej grupy badawcze z wielu wydziałów, związane z POB.

Na PW działa klaster obliczeniowy klasy Tier-2, w ramach sieci WLCG dla eksperymentu ALICE (około 300 rdzeni przez okres 2 lat). Działalność tego centrum będzie kontynuowana, planowana jest też jego rozbudowa, wraz z wprowadzaniem aktualnych technologii informatycznych.

Działalność związana z POB doprowadziła w ciągu ostatnich 5 lat do uzyskania 2 stopni doktora habilitowanego oraz 20 doktoratów. Uzyskano też 23 granty oraz finansowanie 7 projektów ze źródeł krajowych i europejskich. Badania w dziedzinie fizyki zderzeń ciężkich jonów prowadzone są w ośrodkach takich jak CERN i ZIBJ – posiadają one stabilne finansowanie ze składek krajów członkowskich.

 W szczególności działanie kompleksu LHC jest zaplanowane na co najmniej najbliższe dwie dekady. Budowane są nowe narzędzia badawcze – kompleks akceleratorów NICA w ZIBJ oraz kompleks FAIR w GSI, których działanie również jest zaplanowane na okres co najmniej kilku dekad. Oba projekty znajdują się na mapie drogowej infrastruktury badawczej UE. Badania są finansowane poprzez granty z NCN, NCBR, MNiSW oraz grany z UE.

Nakłady finansowe na badania z zakresu technologii kwantowych oraz Space4.0 z roku na rok rosną. UE w latach 2020-2025 przeznaczy 1 mld EUR na same badania w zakresie technologii kwantowych.

Eksperymenty dotyczące technologii plazmowych, szczególnie związanych z tokamakami to 17mld EUR w perspektywie 20 lat. Finansowanie badań w Obszarze Badawczym jest więc niezagrożone, i pozwala na stopniowe zwiększanie zaangażowania PW w wybrane projekty.

Wymienione wyżej projekty klasy Big Science mają perspektywę czasową działania przez co najmniej dekadę lub więcej. W szczególności dotyczy to LHC w CERN, projektu ITER, oraz nowo budowanych infrastruktur badawczych: NICA w ZIBJ i FAIR w GSI. Zespoły z PW są już aktywne we wszystkich tych przedsięwzięciach i ich aktywność będzie kontynuowana i intensywnie rozwijana.

Kształcenie

Wspomniano, że badania w tych dziedzinach planowane są na dekady. Potrzebny jest więc  stały dopływ młodych naukowców,  którzy przejmą odpowiedzialność za projekt w przyszłości. Wyzwania stawiane przez te badania dają też doskonałą możliwość włączania studentów w te prace. Odbywa się to na wiele sposobów: indywidualny tok studiów I-go i II-go stopnia dla studentów zainteresowanych tematem, realizacja prac inżynierskich i magisterskich, staże studenckie w krajowych i zagranicznych instytucjach badawczych (w tym np. CERN oraz ZIBJ), bezpośrednie uczestnictwo studentów w badaniach międzynarodowych kolaboracji eksperymentalnych. Wielu ze studentów uczestniczących w tych działaniach kontynuuje swoje zaangażowanie w ramach studiów III-go stopnia (doktoranckich), w czasie których stają się pełnoprawnymi członkami współprac międzynarodowych i dalej poprzez ich zatrudnienie jako pracowników naukowych lub naukowo-dydaktycznych. W ramach umów o współpracy pomiędzy PW i CERN oraz ZIBJ realizowany jest intensywny program staży studenckich, w tym program „Team for the Future of NICA” - w sumie od 20-50 studentów PW rocznie odbywa praktyki w ośrodkach zagranicznych i międzynarodowych związanych z POB. Wszyscy pracownicy naukowi PW zaangażowani w POB w sposób ciągły i intensywny wykorzystują specjalistyczną i ekspercką wiedzę w tematyce w dydaktyce, prowadząc przedmioty specjalistyczne, laboratoria i seminaria dla studentów I-go, II-go i III-go stopnia na wielu kierunkach studiów na PW, w tym na: Fizyce Technicznej, Optoelektronice, Elektronice, Informatyce, Mechatronice, Inżynierii Materiałowej, Energetyce i innych. Pracownicy PW intensywnie włączają się również w inicjatywy promujące naukę dla uczniów szkół średnich oraz dla społeczeństwa.

Kapitał ludzki

Z obszarem badawczym Fizyka Wysokich Energii i Techniki Eksperymentalne związanych jest ponad 50 naukowców z PW, w dziedzinach takich jak fizyka, elektronika, optoelektronika, informatyka, mechatronika, inżynieria mechaniczna, inżynieria materiałowa i inne. Stały dopływ studentów i doktorantów oraz znaczne możliwości zatrudniania nowych pracowników, w tym szczególnie pracowników z zagranicy (ze względu na międzynarodowy charakter programów badawczych) gwarantuje wymianę pokoleniową w zespołach badawczych.

Skład Rady Naukowej

  • prof. dr hab. inż. Adam Kisiel - przewodniczący (Wydział Fizyki PW)
  • dr hab. inż. Krzysztof Poźniak, prof. uczelni - wiceprzewodniczący (Wydział Elektroniki i Technik Informacyjnych PW),
  • dr hab. inż. Łukasz Ciupiński (Wydział Inżynierii Materiałowej PW),
  • prof. dr hab. inż. Piotr Magierski (Wydział Fizyki PW),
  • dr hab. inż. Katarzyna Grebieszkow, prof. uczelni (Wydział Fizyki PW),
  • dr hab. inż. Janusz Marzec, prof. uczelni (Wydział Elektroniki i Technik Informacyjnych PW),
  • prof. dr hab. inż. Przemysław Rokita (Wydział Elektroniki i Technik Informacyjnych PW),
  • prof. dr hab. inż. Krzysztof Kurek (Narodowe Centrum Badań Jądrowych),
  • dr inż. Marcin Luckner (Wydział Matematyki i Nauk Informacyjnych PW),
  • dr inż. Michał Nowicki (Wydział Mechatroniki PW)

sekretarz naukowy: dr inż. Zbigniew Wawrzyniak (Wydział Elektroniki i Technik Informacyjnych)

Kontakt

pob.hep@pw.edu.pl

Pliki

POB HEP - Prezentacja z Seminarium Uczelnianego (23.09.2020 r.)