Schema de realizare a proiectului
Faza 7. Procese de energie foarte inalta in astrofizica (responsabil fază Dr. Ioana Duțan)
Galaxiile cu nucleu activ (GNA) se numără printre cele mai luminoase fenomene coerente din Univers. In ciuda eforturilor intense depuse in derularea unor programe de cercetare observaționale si teoretice, înțelegerea proceselor fizice care stau la baza producerii GNA-urilor este limitata. In lumea științifică este agreat faptul ca puterea energetica a GNA-urilor este furnizata de către jeturi relativiste de plasma si că aceste jeturi sunt lansate si colimate, in principal, prin intermediul forțelor magnetice. Accelerarea particulelor se produce pana când densitatea de energie cinetica din jet devine comparabila cu presiunea magnetica, acesta fiind momentul in care emisia de radiație începe. Disiparea de energie si emisia de radiație asociata cu aceasta au loc ca urmare a producerii de instabilități, turbulente si șocuri in plasma necolizională (cu alte cuvinte, particule constituente ale plasmei nu interacționeaza intre ele, ci doar cu câmpurile electromagnetice pe care ele le produc) din jeturi. Studiul acestor procese care au loc in plasma necolizionala din jeturi este principalul scop al cercetării din cadrul acestei faze de proiect.
Împreuna cu Nishikawa et al. (2016a), am dezvoltat un cod numeric global care utilizează metoda particula-in-celula (PIC) pentru a simula injectarea unui jet relativist de forma cilindrica intr-un mediu ambiant aflat in repaus alcătuit din plasma nemagnetizată. Pentru efectuarea simulărilor am folosit doua tipuri de plasme: (i) o plasma ionica formata din electroni si protoni (e–-p+) si (ii) o plasma formata din perechi de electron-positron (e–-e+). Pentru jet am folosit o viteza relativista cu un factor Lorentz, γjt=15. Codul numeric global pe care l-am dezvoltat permite studiul simultan al (i) șocurilor, generate ca urmare a instabilitătilor in plasma de tip Weibel (din interiorul jetului) si (ii) al instabilitătilor create in curgeri forfecate de tip Kelvin-Helmholtz si Mushroom, care apar la interfața dintre jetul relativist si mediul ambiant.
Am considerat, mai departe, cazul jeturilor relativiste care conțin câmpuri magnetice elicoidale. Structura câmpului magnetic elicoidal a fost implementata in codul numeric folosind ecuațiile prezentate in Mizuno et al. (2015), dar utilizând, in schimb, coordonate carteziene. In plus, am inclus si o funcție exponențiala pentru descreșterea câmpului magnetic la marginea si in afara jetului, astfel încât sa fie permisa creșterea instabilităților. Rezultatele obținute au fost publicate in Nishikawa et al. (2016) si prezentate in cadrul conferinței Frontiers in Black Hole Astrophysics, International Astronomical Union Symposium, Ljubljana, Slovenia, 2016.
Folosind o metoda pur cinetica (i.e., PIC), rezultatele pe care le-am obținut au indicat formarea, la nivel microscopic, a unor noi tipuri de șocuri in jeturile de plasma relativiste datorita prezentei câmpurilor magnetice elicoidale, in timp ce instabilitățile cinetice bine-cunoscute, precum instabilitățile Weibel, Kelvin-Helmholtz si Mushroom, sunt suprimate. Din informațiile noastre, simulari PIC incluzand campuri magnetice elicoidale nu au mai fost realizate anterior. Noile tipuri de șocuri pe care le-am obținut in cadrul simulărilor de jeturi de plasma folosind metoda PIC au structuri similare cu cele obținute in simulări care utilizează metoda MHD relativista (e.g., Mizuno et al. 2015, Singh et al. 2016). Rezultatele obținute au fost publicate in Nishikawa et al. (2017) si Dutan et al. (2017).
Faza 8) O noua posibilitate de a descrie interacţii nucleare relativiste cu ajutorul simulatorului CMBE (Chaos Many-Body Engine) partea 1 (Dr. Daniel Felea)
Faza 12) O noua posibilitate de a descrie interacţii nucleare relativiste cu ajutorul simulatorului CMBE (Chaos Many-Body Engine) partea 2 (Dr. Daniel Felea)
A fost realizat un studiu comparativ CMBE (ultima versiune publicata si cea modificata in cadrul celor doua faze din 2017) – HIJING – experimentul PHOBOS – experimentul BRAHMS, cu privire la ciocnirile nucleare produse la energia maxima atinsa la acceleratorul RHIC (Relativistic Heavy Ion Collider) de la BNL (Brookhaven National Laboratory). Astfel, intr-o prima etapa, au fost adaugate in fisierul XML de reactii al CMBE un numar de 14 interactii kaonice si 8 nucleonice (incluzand canalele de dezintegrare).
Diferențele dintre CMBE si HIJING pot fi explicate, atat prin diferentele dintre listele de reactii ale celor doua generatoare de particule, cat si prin faptul ca HIJING include si productia de mini-jeturi, cu pondere crescuta in cazul interactiilor nucleare si hadronice la energii inalte. In ciocnirile relativiste de ioni grei, mini-jeturile sunt responsabile pentru cea mai mare parte a productiei de energie transversa in zona de rapiditate centrala (Y = 0). Aceasta genereaza, cel putin in parte, diferentele dintre HIJING si CMBE, observate cu precadere la „mid-rapidity”. Mai mult, HIJING incorporeaza de asemenea efecte nucleare, cum ar fi interactii in stare finala si „parton shadowing” pentru interactiile de ioni grei.
Cat privește diferențele intre cele doua versiuni de CMBE utilizate, se remarca in cazul ultimei versiuni, realizate in cadrul celor doua etape, usoare cresteri ale rapoartelor / si /, in timp ce raportul pionic ramâne in jurul valorii de 0,87.
Rezultatele CMBE obtinute pentru tot spectrul de parametri de impact Cu-Cu (la minimum-bias), se situeaza in proximitatea rezultatelor experimentale recente BRAHMS pentru o zona de rapiditate restransa, Y = 3. Totusi, se cuvine a fi remarcat ca, o analiza de medii ponderate pe cele doua intervale de rapiditate acoperite de experimentul BRAHMS (Y = 0 si Y = 3) si pe patru domenii de centralitate distincte, releva o concordanta rezonabil de buna a rapoartelor pionice si o supraestimare usoara a CMBE in raport cu datele, a rapoartelor kaonice si protonice. Se observa de asemenea ca modelatorul CMBE ofera cele mai bune rezultate pentru zonele periferice si semi-periferice, unde aportul interactiunilor partonice este redus. Astfel, pentru palierul de rapiditate Y = 3, rapoartele protonice si kaonice (pentru CMBE si experimentul BRAHMS) devin relativ apropiate ca valoare.
Distributia diferentiala de sectiune eficace (dσ/dp) de producere a antiprotonilor in ciocniri proton – proton la energii relativiste, adica in fapt, distributia de impuls total a acestor antiprotoni, furnizeaza valorile de productie ale acestora la energiile vizate de studiile de astrofizica.
Stadiul de implementare a proiectului respecta intocmai planul de realizare. Modelatorul CMBE va fi ajustat in continuare, chiar si dupa aceasta etapa, avandu-se in vedere atat optimizarea acestuia, cat si validarea a noi interactii ce urmeaza a fi introduse in mod gradual, verificarile fiind facute pas cu pas. Rezultatele au fost prezentate in cadrul Meetingului Stiintific Anual al Facultatii de Fizica a Universitatii din Bucuresti si va fi submisa curand o lucrare catre o revista de specialitate din domeniu.
Faza 9 Modele atmosferice pentru detecția orbitală a radiației optice generate surse terestre și atmosferice (responsabil faza Mihnea Popescu)
Activitățile desfășurate în această etapă s-au concentrat pe analiza calibrării detectorilor orbitali de fluorescență UV provenită de la jerbele atmosferice extinse prin iluminare directă și indirectă. În acest sens, a fost utilizat un pachet de software numit GBSatCal (Ground-Based Satellite Calibration), dezvoltat anterior in cadrul ISS, care permite simularea efectelor atmosferice asupra propagării fasciculului provenit de la sursa de calibrare, funcție de mai mulți parametri operaționali ai acesteia. Pentru modelarea efectelor atmosferice asupra fasciculului emis de sursa de calibrare au fost utilizate două modele atmosferice, si anume Modelul Atmosferic Standard din 1976 (USAS-1976 – the 1976 United States Atmosphere Standard model) si modelul 2000 Naval Research Laboratory Mass Spectrometer Incoherent Scatter Radar Extended Model (NRLMSISE00). Activitățile desfășurate au avut ca scop identificarea înălțimii optime de tragere, puterea și diametrul sursei, unghiul de tragere.
Din punct de vedere științific, rezultatele obținute în această etapă contribuie la reconstrucția cât mai precisă jerbelor atmosferice largi produse de radiația cosmica de energii ultraînalte, ce are ca scop final determinarea spectrului, compoziției și direcției de sosire a radiației cosmice cu energii mai mari de 7 X 1019 eV. Din punct de vedere tehnic, progresele făcute și rezultatele obținute în această etapă vor participarea ISS la activități de dezvoltare tehnologică in cadrul experimentelor JEM-EUSO, TUS si KLYPVE, si vor contribui la participarea a ISS la misiuni spațiale viitoare.
Faza 10. Studii teoretice si experimentale despre interactia microundelor cu metalele (responsabil fază: Dr. Marian Mogîldea)
În cadrul fazei au fost realizate următoarele activități:
A 1.1: Investigarea teoretica a absorbtței microundelor de catre metale
In aceasta activitate am realizat studii teoretice despre interactia microundelor (cu frecvența de 2,45GHz) cu fire metalice avand diametrul intre 0,2 si 0,5 mm. Pentru acest studiu s-au ales 2 metale (Pb, In), deoarece au puncte de topire si vaporizare diferite si conductivitati electrice diferite. Stiind ca la nivel international metalele sunt prezentate ca fiind bune reflectoare de radiatie neionizanta si ca pudrele metalice sunt bune absorbante de radiatie neionizanta, in cadrul acestei activitati am evidentiat ca si firele metalice aflate in anumite conditii pot absorbii radiatia de microunde.
A1.2: Determinarea absorbtiei microundelor de catre metale cu conductivitate electrica diferita
Deoarece absorbtia microundelor depinde de dimensiunea granulelor metalice si de adancimea de patrundere (in cazul pudrelor metalice), am determinat adancimea de patrundere pentru fire metalice (Pb, In), după care am determinat viteza de vaporizare a acestora la interactia cu campul de microunde. Rezultatele experimentului au concluzionat ca absorbtia microundelor de catre metale depinde de conductivitatea metalului si de frecventa radiatiei electromagnetice adica adancimea de patrundere (deep skin).
A1.3: Analiza microparticulelor metalice obtinute prin vaporizarea metalelor in camp de microunde
In activitatea A1.3 am determinat spectrul de emisie al plasmelor obtinute prin interactia microundelor cu cele 2 fire metalice si am analizat dimensiunea microparticulelor metalice rezultate din interactia microunelor cu cele 2 fire metalice. La analiza microparticulelor cu AFM am observat ca metalele cu conductivitate electrica mica genereaza microparticule mari (dimnesiunea particulei a fost ~1um pentru firul de Pb) comparativ cu metalele care au conductivitati electrice mai bune (pariculele de In au dimensiuni ~400nm). Acest studiu a avut ca obiectiv determinarea eficientei de absorbtie a radiatiei de microunde de catre plasmele „metalice”. In urma analizei s-a observat ca plasmele rezultate din firele metalice cu conductivitate electrica mica absorb cel mai bine radiatia de microunde.
Faza 11. Noi directii in fizica interactiilor nucleare la energii inalte – aplicarea de tehnici avansate de analiza si simulare pentru modelarea proceselor de interactie in fizica energiilor inalte. (responsabil fază Dr. Cătălin Ristea)
Fizica ciocnirilor ionilor grei la energii relativiste si ultrarelativiste este un domeniu cu foarte multe rezultate experimentale remarcabile recente: punerea in evidenta experimentala a plasmei de cuarci si gluoni în experimente desfășurate la RHIC-BNL si studiul proprietatilor acestei stari noi a materiei in ciocniri Au+Au la RHIC-BNL si Pb-Pb la LHC-CERN.
Comunitatea științifică a propus realizarea de sisteme de accelerare și de detecție noi pentru a acoperi și alte domenii de energie, cu deosebire în presupusa regiune de tranziție care ar putea apare la energii de ordinul GeV-ilor pe nucleon și zecilor de GeV pe nucleon si de a localiza punctul critic (punctul care conectează curba tranziției de fază de ordinul I cu regiunea tranziției de fază de ordinul al II-lea). Două proiecte aflate in faza de constructie sunt de mare actualitate în prezent, și anume: FAIR (Facility for Antiproton and Ion Reasearch) de la GSI Darmstadt (Germania), respectiv, NICA de la IUCN Dubna (Rusia).
Directia de cercetare a constat in investigarea proceselor de interactie in fizica energiilor inalte, cu accent pe determinarea semnalelor unor tranzitii de faza in materia in conditii extreme de temperatura si presiune cat si caracterizarea unor fenomene specifice cromodinamii cuantice si anume crearea de jeturi partonice prin radiatia de franare gluonica in aceasta materie si extragerea de informatie despre starea initiala prin investigarea jeturilor de particule rezultate din hadronizarea jeturilor partonice. In acest sens s-au folosit tehnici avansate de simulare Monte-Carlo, utilizate de marile experimente si care implementeaza fie simulari ab-initio ale generarii de particule fie procesari de tip “after-burner” pentru simularea fenomenelor globale in sistemul de participanti-spectatori ale interactiei nucleare relativiste. Aceste simulari necesita o mare putere de calcul si in acest sens s-a avut in vedere dezvoltarea capacitatilor de procesare care sa permita studiile fenomenologice de acest tip.
A fost investigata curgerea eliptica produsa in ciocniri Pb-Pb la energii disponibile la LHC-CERN, si anume 2.76 TeV si 5.02 TeV. Au fost realizate simulari cu codul AMPT, varianta standard si varianta SM-string melting, compararea rezultatelor celor doua versiuni permitand determinarea unor posibile modificari ale comportarii curgerii eliptice datorita formarii plasmei de cuarci de cuarci si gluoni in aceste ciocniri.
Au fost generate ciocniri Pb-Pb la 2.76 TeV si 5.02 TeV. Pentru aceste simulari, sectiunea eficace de interactie paron-parton a fost de 3 mb. Analiza datelor simulate a fost facuta in zona centrala de rapiditate (-1<y<1), care este cea mai fierbinte si densa regiune a ciocnirii.
A fost studiata dependenta coeficientului curgerii eliptice, v2, in functie de impulsul transversal pentru mai multe tipuri de particule identificate produse in ciocnire (pioni incarcati, kaoni încărcați, protoni, antiprotoni, lambda si anti-lambda, Xi si anti-Xi). S-a observat o ordonare a coeficientului v2 cu masa de repaus a particulelor, pentru o anumita valoare a impulsului transversal, v2 descrește cu creșterea masei hadronilor. Aceasta ordonare a coeficientului v2 cu masa de repaus a particulelor in zona de impulsuri transversale mici a fost prezisa de modelele hidrodinamice si este explicata pe baza existentei curgerii transversale radiale. In aceste ciocniri se dezvolta o curgere radiala, iar câștigul in impuls al particulelor datorita cestei curgeri este mai mare pentru particulele cu masa mare, rezultând în o aplatizare a spectrelor de pT a particulelor grele in regiunea de impulsuri transversale mici. Efectul curgerii radiale pentru particulele grele conduce la valori mai mici ale lui v2 comparativ cu valorile obținute in cazul particulelor mai ușoare la aceeasi valoare a lui pT.
De asemenea, a fost analizata dependenta de centralitate a curgerii eliptice pentru pioni, kaoni, protoni si antiprotoni si s-a constatat ca v2 are cele mai mari valori in cazul ciocnirilor periferice Pb-Pb (9<b<15 fm) pentru toate tipurile de particule studiate, iar valorile cele mai mici sunt in cazul ciocnirilor centrale (0<b<5 fm). In cazul dependentei de energie, coeficientul v2 creste cu energia, atat in cazul ciocnirilor Pb-Pb semi-centrale (5<b<9 fm), cat si in cazul ciocnirilor Pb-Pb periferice (9<b<15 fm), pentru toate tipurile de particule studiate.
Pentru a testa proprietatile partonice ale materiei, s-a studiat coeficientul v2 scalat la numarul de cuarci, v2/nq in functie de energia cinetica transversala per cuarc, KET/nq, unde KET este definita ca: KET = mT – m0 (mT este masa tranversala, iar m0 este masa de repaus), pentru particulele identificate produse in ciocniri Pb-Pb la cele doua energii disponibile la LHC. Rezultatele nu prezinta un scaling cu numarul de cuarci constituenti la valori mai mari ale KET/nq (KET/nq > 0.6 GeV), in ambele cazuri, atat in cazul versiunii AMPT-default, cat si in cazul versiunii cu SM. Similaritatea rezultatelor AMPT-SM cu AMPT ar putea pune la indoiala interpretarea scalarii NCQ ca semnal al formarii fazei partonice in ciocniri nucleare relativiste. Totusi, trebuie luat in considerare faptul ca in ciocniri Pb-Pb la energiile de la LHC, densitatea cuarcilor constituenti in spatiul fazelor este foarte mare, scalarea-NCQ a lui v2 nu este o conditie necesara pentru coalescenta cuarcilor.
Imprăștierea partonilor este cel mai comun proces intalnit în ciocnirile la energii mari cu hadroni sau ioni grei. Reconstructia jeturilor hadronice se face folosind algoritmi performanti care grupeaza particulele detectate in fuctie de rapiditatea si unghiul azimutal al particulei raportate la particulele invecinate, distanta fiind calculata in acelasi spatiu fazic. In cadrul acestei faze am folosit algoritmul anti kT, cel mai folosit (si cel mai performant) algoritm utilizat in studiul formarii si evolutiei jeturilor hadronice.
In aceasta faza am inceput studierea in detaliu a unor observabile legate de forma jeturilor hadronice, anume masa jetului hadronic(si energia) si distributia unghiulara a particulelor in interiorul jetului. Aceste marimi (propietati) sunt sensibile la fenomenul stingere a jetului in materia QCD firbinte rezultata in urma interactiilor la energii inalte.
Estimam ca rezultatele obtinute sunt in concordanta cu obiectivele propuse, si se constituie in fundamentul unor studii ulterioare ale grupului. Se are in vedere continuarea studiului interactiilor hadronice la energiile disponibile la marile acceleratoare, in concordanta cu cele mai recente noutati in domeniul fizicii ionilor grei, de tipul fenomenelor colective in sisteme mici.