Konzorcium, társ p.: Az erős kölcsönhatás innovatív vizsgálata a CERN CMS kísérletben  részletek

súgó  nyomtatás 
vissza »
 

Projekt adatai

  
azonosító
128786
típus K
Vezető kutató Siklér Ferenc
magyar cím Konzorcium, társ p.: Az erős kölcsönhatás innovatív vizsgálata a CERN CMS kísérletben
Angol cím Consortional assoc.: Novel tests of the strong interaction with the CERN CMS experiment
magyar kulcsszavak erős kölcsönhatás, QCD, részecskefizika, kísérlet, CMS, CERN
angol kulcsszavak strong interaction, QCD, particle physics, experiment, CMS, CERN
megadott besorolás
Fizika (Műszaki és Természettudományok Kollégiuma)100 %
Ortelius tudományág: Fizika
zsűri Fizika 1
Kutatóhely RMI - Nagyenergiás Fizikai Osztály (HUN-REN Wigner Fizikai Kutatóközpont)
résztvevők Hajdu Csaba
Horváth Dezso
Surányi Olivér
Veszprémi Viktor
projekt kezdete 2018-09-01
projekt vége 2023-12-31
aktuális összeg (MFt) 18.192
FTE (kutatóév egyenérték) 11.73
állapot lezárult projekt
magyar összefoglaló
A kutatás összefoglalója, célkitűzései szakemberek számára
Itt írja le a kutatás fő célkitűzéseit a témában jártas szakember számára.
A CERN LHC gyorsítója rekord nagyságú ütközési energián, 13 TeV-en szolgáltat proton-proton ütközéseket, új energiatartományt nyitva meg a kutatások előtt. Csoportunk 2012 óta vesz részt a nemzetközi CMS Együttműködésben.

Célunk, hogy a CMS adatait a Standard Modell jellemzőinek felderítésére használjuk, főként az erős kölcsönhatás, a hadronizáció, részecskék közötti korrelációk, anomális mértékcsatolások és exkluzív folyamatok tekintetében. Az erős kölcsönhatás néhány jellemzőjét kísérletileg is nehéz mérni, és a Standard Modellből is nehéz kiszámolni, jóslatokat tenni. Ebben a helyzetben nagyon fontos a kísérleti tudásunkat bővíteni, és különleges vagy egyedülálló jelenségeket felfedezni illetve kísérletileg ellenőrizni. Ezek közé tartozik a kis impulzusú fotonok keletkezése és korrelációi, semleges pion keletkezés, mélyen rugalmatlan elektron-nukleon és elektron-atommag szórás, parton-eloszlások, barion-barion korrelációk, húr-fragmentáció vizsgálata részecske-korrelációkkal, exkluzív azonos töltésű WW párkeltés, exkluzív hadron rezonancia keltés, foton-atommag ütközések, proton-disszociációval járó vektormezon keltés, a töltéscsere folyamat tanulmányozása a kozmikus sugárzás fizikájához való hozzájárulásként, pion-proton ütközések, neutronok eloszlásának vizsgálata nehézion- és proton-ion ütközésekben, és gluonlabdák keresése részecskesugarakban.

Céljaink elérése érdekében elengedhetetlen az adatfelvételben és a műszerek működtetésében és fejlesztésében való részvétel. Pályázatunk ezért tartalmaz hozzájárulást a nyomkövető detektorhoz, a müondetektorok pozícionálásához, a hadronikus kaloriméterekhez és a Tier-2 számítógépes központunk fenntartásához.

Mi a kutatás alapkérdése?
Ebben a részben írja le röviden, hogy mi a kutatás segítségével megválaszolni kívánt probléma, mi a kutatás kiinduló hipotézise, milyen kérdéseket válaszolnak meg a kísérletek.
A részecskefizika Standard Modellje (SM) nagyon pontosan leírja a laboratóriumban megfigyelhető mennyiségeket nagy impulzusátadásnál, de az erős kölcsönhatás esetén gyakran nagyon bonyolult alkalmazni. Ilyen esetek például az exkluzív és kis impulzusú részecske-keltés, részecske-korrelációk, színes húrok fragmentációja és hadronkeletkezés, a partonok eloszlása hadronokban és atommagokban, diffrakció, töltéscsere, rezonancia keletkezés, és a tisztán gluonos állapotok létezése és jellemzői. Ezen kívül, sok nyitott kérdés és arra utaló jel van, hogy egy teljesen ismeretlen Új Fizika rejtőzik az SM mögött, és bizonyos exkluzív folyamatok (pl. azonos töltésű WW párok keltése) érzékeny lehet olyan mértékcsatolásokra, amelyek ilyen irányba mutathatnak. Tehát a kiinduló hipotézis az SM érvényessége nagy energiájú hadronütközésekre, és hogy az alacsony impulzusú részecskekeltés rendelkezésre álló effektív modelljei kielégítően leírják a fizikai folyamatokat.

Három célunk van: a fenti hipotézisektől eltérő folyamatok tanulmányozása és ellenőrzése és közösségünk figyelmének összpontosítása a megoldatlan kérdésekre és a modellek által nem megmagyarázott jelenségekre (alacsony impulzusú részecske-keltés, húr-fragmentáció, kétrészecske-korrelációk, barion-barion korrelációk); tudásunk pontosítása modelljeink fontos összetevőiről (pl. parton-eloszlások vizsgálata mélyen rugalmatlan szórásban az LHC-nél vagy részecske-keltés nagy energiájú kozmikus sugárzásnál); és anomáliák keresése az SM mértékcsatolásaiban (pl. exkluzív azonos töltésű WW párok keltésénél). Számos kérdést remélünk megválaszolni ezekkel a nem eléggé ismert folyamatokkal kapcsolatban.

Mi a kutatás jelentősége?
Röviden írja le, milyen új perspektívát nyitnak az alapkutatásban az elért eredmények, milyen társadalmi hasznosíthatóságnak teremtik meg a tudományos alapját. Mutassa be, hogy a megpályázott kutatási területen lévő hazai és a nemzetközi versenytársaihoz képest melyek az egyediségei és erősségei a pályázatának!
A proton-proton, proton-atommag és atommag-atommag ütközések tanulmányozása által megérthetjük az elemi részecskék viselkedését leíró törvényeket, mindenekelőtt az erős kölcsönhatást, a protonokat és az atommagokat is összetartő erőt. Fejleszenünk kell a kozmikus sugárzás kölcsönhatásainak modelljét, segítenünk az új (SM-en túli) fizika keresését, pontosítanunk a részecske-ütközések modelljeit, és remélhetőleg igazolni bizonyos régi jóslatokat is.

Kutatásunk választ adhat a részecske- és asztrofizika néhány nyitott kérdésére. Gyakorlati alkalmazásokat azonban nehéz előre látni, ahogyan ez néhány eddigi felfedezés esetén is történt (mint a röntgensugárzás, a gyorsítók és a hadronterápia, a proton mágneses momentuma és a mágneses magrezonancia képalkotás, az antianyag és a pozitron-emissziós tomográfia esetén). A világ élvonalában járó részecskefizikai kísérleteket kísérő technológiai újítások a mindennapi életben kerülnek felhasználásra, ahogy az számos alkalommal a múltban is történt. A nyomkövető rendszerben alkalmazott szilícium szenzorok különösen gyorsan fejlődnek más iparágakban is.

Kísérleteinkbe gyakran bevonunk fiatal diákokat is, és kutatócsoportunk tagjai a felsőoktatásban is részt vesznek. Tudományterületünk művelése és tudásunk, tapasztalatunk és lelkesedésünk átadása révén hozzájárulunk a fizika, a természettudományok és a mérnöki tudományok népszerűsítéséhez és fejlődéséhez.

Hazai és nemzetközi versenytársaink az ATLAS és az ALICE kísérletekben dolgoznak a Nagy Hadronütköztetőnél – hiszen hasonlóan nagy energiát a CERN-en kívül egy másik laboratóriumban sem lehet ma elérni. Kutatásunk során a CMS berendezéseit használjunk majd, melynek egyedülálló tulajdonsága hogy a kaloriméterei és a nyalábhoz közeli detektorai nagy térszöget fednek le az ütközési pont körül, beleértve a CASTOR és a Nulla Szögű (neutron) kalorimétert, a nagy szegmentáltságú és felbontású, nagy térszögű nyomkövető és müon detektorrendszerekkel rendelkezik. A CMS Együttműködés többi csoportja a kutatási tervünkkel nem átfedő témákon dolgozik, főleg ezeknek az ütközéseknek és az erős kölcsönhatásnak a nagy impulzusátadású tartományában. Csoportunk tagjainak tapasztalata a CMS kísérleten belül meglehetősen különleges.

A kutatás összefoglalója, célkitűzései laikusok számára
Ebben a fejezetben írja le a kutatás fő célkitűzéseit alapműveltséggel rendelkező laikusok számára. Ez az összefoglaló a döntéshozók, a média, illetve az érdeklődők tájékoztatása szempontjából különösen fontos az NKFI Hivatal számára.
Mik az atomok magját is összetartó, és az atomok (és emberek) tömegének nagy részét is adó erős kölcsönhatás tulajdonságai? Hogyan viselkednek az atommagokat alkotó protonok és neutronok kisebb építőkövei, és milyen az eloszlásuk? Milyen módon keletkezik egy proton-proton ütközésben a legtöbb részecske, vagy amikor a kozmikus sugárzás – legtöbbször egy proton – megérkezik a Földre és ütközik egy oxigén vagy nitrogén atommaggal? Átalakulhat-e egy proton neutronná egy ilyen nagy energiájú ütközésben, és neutronként továbbhaladhat-e? Meg tudjuk-e mérni a semleges pionokat ezekben az ütközésekben, amelyek majdnem a keletkezett részecskék harmadát adják? Átvilágíthatjuk-e az atommagot elektronokból álló “mikroszkóppal” a Nagy Hadronütköztetőnél? Találunk-e kvarkot nem, csak gluonokat tartalmazó részecskét? Hány neutron szabadul ki egy nehéz atommagból, ha protonokkal bombázzuk, és mekkora valószínűséggel?

Ezek a kérdések, amelyeket a Nagy Hadronütköztetőnél működő CMS kísérletben, az Európai Részecskefizikai Laboratóriumban (CERN) tanulmányozunk. Kutatócsoportunk célja, hogy egy kicsit hozzájáruljunk a mikrovilág és a Világegyetem pontosabb megértéséhez a már ismert részecskék viselkedésének tanulmányozásával és új jelenségek felfedezésével, valamint az erős kölcsönhatás effektív modelljeinek pontosításával. Emellett modern eszközöket fejlesztünk a nagy energiájú protonok ütközéseiben keletkezett részecskék pozíciójának, röppályájának, energiájának és impulzusának nagy pontosságú mérésére.
angol összefoglaló
Summary of the research and its aims for experts
Describe the major aims of the research for experts.
The LHC at CERN provides proton-proton collisions at a record 13 TeV center-of-mass energy, opening a new energy regime for particle physics research. Our groups participate in the CMS international collaboration since 1993.

Our goal is to use the data collected by CMS to explore various features of the Standard Model, especially of the strong interaction, hadronization, particle correlations, anomalous gauge couplings and exclusive processes. Some of the properties of the strong interaction are difficult to measure experimentally, as well as to calculate/predict from the Standard Model. In this situation it is essential to advance our experimental results and discover or verify unique phenomena. Among these are low-momentum photon production and correlations, neutral pion reconstruction, deep inelastic electron-nucleon and electron-nucleus scattering, parton distribution functions, baryon-baryon correlations, studies of string fragmentation via particle correlations, exclusive same-sign WW pair production, exclusive hadron resonance production, photon-nucleus collisions, proton-dissociative vector meson production, studies of the charge-exchange process to contribute to cosmic ray physics, pion-proton collisions, measuring the spectator neutron distribution in nucleus-nucleus and proton-nucleus collisions, and search for glueballs in jets.

To accomplish our goals, it is essential to participate in data taking, in the operation and improvement of the experimental apparatus. Our proposal thus includes contributions to the inner tracking detector, the muon alignment system, the hadron calorimeter project and the maintenance of our Tier-2 computer center.

What is the major research question?
Describe here briefly the problem to be solved by the research, the starting hypothesis, and the questions addressed by the experiments.
The Standard Model (SM) of particle physics describes very precisely the phenomena observed in the laboratory at high momentum transfer, but in the case of the strong interaction it is sometimes notoriously complicated to apply. These cases include exclusive and low-momentum particle production, particle correlations, fragmentation of colored strings and hadron production, the distribution of partons in hadrons and nuclei, diffraction, charge exchange, resonance production and the existence and properties of purely gluonic states. Besides, there are a lot of open questions, and indications that a completely unknown New Physics hides beyond the SM, and some exclusive processes (e.g. same-sign WW pair production) may be sensitive to gauge couplings that may point to such phenomena. Therefore the starting hypothesis is that the SM is valid for high-energy hadron collisions, and the available effective models in low-momentum particle production grasp physics processes adequately.

Our goal is to threefold: verify and study those processes experimentally that disagree with these hypotheses, and focus the attention of our community to unsolved questions and features unexplained by models (low-momentum particle production, string fragmentation, two-particle correlations, baryon-baryon correlations); refine our knowledge on important ingredients of our models (e.g. the parton distribution functions via deep-inelastic scattering in the LHC or particle production in high energy cosmic rays); and try to find anomalies in the gauge couplings of the SM (e.g. via exclusive same-sign WW production). We hope to answer a multitude of questions related to these poorly known processes.

What is the significance of the research?
Describe the new perspectives opened by the results achieved, including the scientific basics of potential societal applications. Please describe the unique strengths of your proposal in comparison to your domestic and international competitors in the given field.
Through the study of proton-proton, proton-nucleus and nucleus-nucleus collisions we can understand the fundamental laws governing the behavior of elementary particles, especially the strong interaction, which keeps protons and atomic nuclei together. For a better understanding of the processes it is necessary to improve our models of cosmic ray interactions, help searches for new physics, adjust our models of particle collisions for a better precision, and hopefully to verify long standing predictions.

Our research can give answers to the open questions of particle and astrophysics, which are of a fundamental nature. Practical applications are hard to foresee at the moment, as it was the case for various discoveries in particle physics as well (such as X-rays, proton accelerators and hadron therapy, proton magnetic moment and NMR imaging, antimatter and positron emission tomography). The technological innovations that accompany the development of world-class particle physics experiments find use in multiple areas of everyday life, as it has happened many times in the past. Silicon sensors we employ for the tracker system are especially developing fast in various other industries as well.

We often involve young students in the experiments, and the members of our research team participate in higher education. Through the cultivation of our fields of research, the transmission of our knowledge, experience and enthusiasm, we contribute to the development and popularization of physics, natural sciences and engineering.

Our domestic and international competitors are working on the ATLAS and ALICE experiments at the Large Hadron Collider – since comparably high energy is not achievable in any other laboratory besides CERN. Our proposal uses the CMS apparatus which has unique features with the large angular coverage of the calorimetry and forward instrumentation, CASTOR and the Zero Degree Calorimeter, and the highly segmented wide angle tracker and muon systems. Other teams within the CMS Collaboration work on topics complementary to our program, mostly at the high momentum-transfer regime of these collisions and the strong interaction. The expertise of our team members is also rather unique within the CMS.

Summary and aims of the research for the public
Describe here the major aims of the research for an audience with average background information. This summary is especially important for NRDI Office in order to inform decision-makers, media, and others.
What are the properties of the strong interaction, the interaction that keeps atomic nuclei together, that gives most of the mass of the atoms (and us)? How do the components of protons and neutrons that build up these nuclei distributed and behave? How are most of new particles precisely created in a proton-proton collision, or when a cosmic ray – usually a proton – arrives to the Earth and collides with an oxygen or nitrogen nucleus? Can a proton turn into a neutron in these collisions, and fly on? Can we measure neutral pions in these collisions which make up almost one third of created particles? Can we scan a nucleus with an electron “microscope” in the Large Hadron Collider? Can we find a particle that does not have quarks in it, only gluons? How many neutrons are released if we bombard a lead nucleus with a proton, with which probability?

These are some of the questions that we study in the CMS experiment operating at the Large Hadron Collider (LHC) in the European Organization for Nuclear Research (CERN). The goal of our research group is to contribute to the better understanding of the microscopic world and the Universe through the study of the properties of known particles and through the discovery of new phenomena, and adjusting effective models of the strong interaction. In addition, we are developing high-tech devices to measure the position, trajectory, energy and momentum of particles created in high-energy particle collisions with a great precision.



vissza »