W niedawno ogłoszonych wynikach konkursów na finansowanie projektów badawczych OPUS23 i PRELUDIUM21 laureatami zostało trzech pracowników naszego Wydziału: dr hab. Chihiro Sasaki, prof. UWr, prof. dr hab. Andrzej Pigulski i mgr Oleksandr Vitiuk.
Ponadto, w wyniku rezygnacji z realizacji projektów przez trzech laureatów konkursu POLONEZ BIS 1, Narodowe Centrum Nauki uruchomiło procedurę finansowania wniosków z listy rezerwowej. Decyzje o przyznaniu środków finansowych otrzymały dwa projekty z zakresu nauk ścisłych i technicznych oraz jeden z nauk humanistycznych, społecznych i o sztuce. Wykonawcą jednego z tych projektów pt. „Bayesowska analiza równania stanu gęstej materii jądrowej” będzie dr Alexander Serzhikovich Ayriyan, który czas realizacji grantu zostanie pracownikiem WFiA.
Poniżej prezentujemy opisy projektów, które będą realizowane na naszym Wydziale:
Tytuł projektu: Ekstremalna materia QCD i Fenomenologia Zderzeń Ciężkich Jonów
Kierownik projektu: dr hab. Chihiro Sasaki
Opis projektu: Teorią opisującą oddziaływania silne w Modelu Standardowym jest Chromodynamika Kwantowa (QCD). Jednym z jej fundamentalnych przewidywań jest uwięzienie kwarków oraz spontaniczne łamanie symetrii chiralnej. Teoria ta przewiduje, że dla pewnej krytycznej wartości gęstości energii w materii silnie oddziałujących cząstek następuje przejście od fazy hadronowej do nowego stanu materii, tzw. plazmy kwarkowo-gluonowej (QGP). W fazie hadronowej kwarki występują w stanach związanych, a symetria chiralna jest spontanicznie złamana, co implikuje między innymi różnice mas hadronowych partnerów chiralnych. W fazie QGP symetria chiralna jest dynamicznie przywrócona a kwarki są uwolnione. Uwolnienie koloru oraz odzyskanie symetrii chiralnej prowadzi do diagramu fazowego materii QCD przedstawionego schematycznie na rysunku. Jak dotychczas możliwe są różne scenariusze takiego diagramu, który uwzględnia przejście fazowe lub zakłada, że zmiana fazy jest przejściem ciągłym.
Własności materii QCD w obszarze wysokich temperatur T i małych wartości barionowego potencjału chemicznego miu zostały już dobrze opisane poprzez rozwiązani teorii QCD w ramach sieciowej teorii pola (LQCD). Obszar niskich temperatur i dużych gęstości jest prawdziwym wyzwaniem fizyków, bowiem nie jest on dostępny dla obliczeń w oparciu o LQCD i wymaga modelowego podejścia teoretycznego. Gęsta materia QCD jest produkowana w warunkach eksperymentalnych w trakcie ultrarelatywistycznych zderzeń ciężkich jonów (HIC) oraz występuje także we wnętrzu gwiazd zwartych. Analiza danych eksperymentów HIC w CERN, BNL w USA oraz GSI w RFN, jak również dane obserwacji astrofizycznych gwiazd neutronowych i ich fuzji dostarczają cennych informacji o strukturze materii QCD.
Głównym celem tego projektu jest pogłębienie naszego fundamentalnego zrozumienia struktury materii QCD oraz jej własności i opisu teoretycznego w oparciu o analizę danych eksperymentalnych HIC oraz obserwacje astrofizyczne. Szczególnie ważnym jest znalezienie i weryfikacja sygnatur odzyskania symetrii chiralnej QCD oraz uwolnienia koloru. W tym kontekście przedstawimy miedzy innymi, obliczenia równania stanu, hadronowych i elektromagnetycznych funkcji spektralnych z uwzględnieniem efektów kolektywnych wynikających z odziaływania z materią, własności fluktuacji i korelacji ładunków jak i opis krotności i widm produkowanych hadronów, fotonów i di-leptonów. Wyniki badań teoretycznych będą weryfikowane poprzez dane eksperymentalne oraz obserwacje astrofizyczne. Realizacja tego projektu będzie istotnym krokiem w kierunku zrozumienia danych empirycznych oraz nieperturbacyjnych efektów krytycznych i diagramu fazowego QCD.
Tytuł projektu: Podwójność jako klucz do zrozumienia pochodzenia niebieskich gwiazd pulsujących o dużych amplitudach (BLAP-ów)
Kierownik projektu: prof. dr hab. Andrzej Pigulski
Opis projektu: Jednym z najważniejszych zadań astrofizyki jako nauki jest zrozumienie ewolucji gwiazd o różnych masach, zarówno tych, które od początku do końca swojego gwiazdowego “życia” ewoluują samotnie, jak i tych, których ewolucję zmienia obecność bliskiego towarzysza. Ewoluujące gwiazdy zajmują ściśle określone miejsca na dwuwymiarowym wykresie Hertzsprunga-Russella (HR), na którym zazwyczaj rysujemy ich jasności absolutne w funkcji temperatury efektywnej. Ten drugi parametr zbliżony jest do temperatury górnych warstw fotosfery gwiazdy. Niektóre obszary wykresu HR pozostają puste lub prawie puste z uwagi na to, że nawet jeśli ewoluując gwiazda się tam znajdzie, prędko ucieka z tego obszaru.
Kilka lat temu odkryto nową grupę zwartych gwiazd pulsujących, które ze względu na ich gorące atmosfery i duże amplitudy pulsacji nazwano niebieskimi gwiazdami pulsującymi o dużych amplitudach (z ang. blue large-amplitude pulsators, BLAP-y). Co ciekawe, BLAP-y znalazły się na wykresie HR w miejscu, w którym gęstość gwiazd jest bardzo mała. Świadczy to o tym, że są one niezwykle rzadkie lub też że gwiazdy te ewoluują przez ten obszar wykresu HR bardzo szybko. Obserwacje potwierdziły, że gwiazd takich jest bardzo mało — obecnie znamy tylko około 30 gwiazd tego typu. Mimo tego, że teoretycy zaproponowali kilka scenariuszy powstawania BLAP-ów, ich pochodzenie do dziś pozostaje zagadką. Niniejszy projekt stawia sobie za cel wyjaśnienie pochodzenia BLAP-ów. Chcemy tego dokonać realizując kilka zadań, m.in. poszukując nowych członków tej grupy, przede wszystkim w udostępnionych właśnie danych DR3 misji Gaia. Skupimy się przede wszystkim na poszukiwaniu przejawów podwójności tych gwiazd, gdyż wszystkie scenariusze ich powstawania sugerują, że są to (lub były) układy podwójne. Niedawno odkryliśmy BLAP-a w układzie podwójnym z gwiazdą późnego typu B — to pierwszy znany podwójny BLAP. Wiemy już, że można będzie wyznaczyć jego masę, co znacznie ograniczy możliwości interpretacji jego pochodzenia. Mamy też nadzieję, że uda nam się odkryć więcej podwójnych BLAP-ów, co powinno pozwolić na wyjaśnienie zagadki ich pochodzenia.
Tytuł projektu: Równanie stanu materii oddziałującej silnie dla symulacje hydrodynamiczne zderzeń ciężkich jonów
Kierownik projektu: mgr Oleksandr Vitiuk
Opis projektu: We współczesnej fizyce istnieją cztery podstawowe oddziaływania: grawitacyjne, elektromagnetyczne, słabe i silne. Ten projekt jest poświęcony badaniu tego ostatniego. Teoria oddziaływań silnych nazywa się chromodynamiką kwantową (QCD). Oddziaływania silne są odpowiedzialne za elementarne cegiełki, zwane kwarkami i gluonami, wiążące się w protony, neutrony i inne cząstki. Ta sama interakcja tworzy siły jądrowe, które wiążą protony i neutrony w jądra atomowe, które są centrami atomów, które z kolei są budulcem wszystkiego, co możemy zobaczyć w życiu codziennym. Co ciekawe, masa składników protonowych lub neutronowych wynosi tylko 2% masy cząstki. Oznacza to, że masa tych cząstek jest generowana przez oddziaływania silne, a zatem większość masy każdego z nas jest generowana przez oddziaływania silne! Dlatego QCD jest ważną częścią Modelu Standardowego fizyki cząstek elementarnych. Pomimo tego, QCD nie jest w pełni zrozumiana, ponieważ, ze względu na złożoność tej teorii, jej rozwiązania analityczne nie są jeszcze znane. Jednym z najciekawszych pytań otwartych jest to, czy możemy znaleźć wolne kwarki i gluony. I wydaje się, że odpowiedź brzmi nie. Jednak w ekstremalnych warunkach bardzo wysokiej temperatury i ciśnienia możliwe jest wytworzenie specjalnego stanu materii, który powstaje z oddzielonych kwarków i gluonów – plazmy kwarkowo-gluonowej (QGP). Jedyne badania ab-initio właściwości silnie oddziałującej materii przewidują płynną zmianę z gazu cząstek w QGP. Badania te są jednak dość ograniczone ze względu na problemy numeryczne. Niemniej jednak badania właściwości materii QCD w modelach efektywnych sugerują, że silnie skompresowana materia QCD może wykazywać tak zwane przejście fazowe pierwszego rzędu z krytycznym punktem końcowym, które jest w pewien sposób podobny do wrzenia wody. Ten i inne przewidywane efekty mogą skutkować wysoce nietrywialną strukturą fazową teorii.
Jednocześnie jednym z kluczowych celów eksperymentów zderzeń jądrowych przy wysokich energiach jest badanie diagramu fazowego QCD. Porównując dane eksperymentalne z różnymi obliczeniami modelowymi, można wywnioskować o pewnych właściwościach silnie oddziałującej materii w ekstremalnych warunkach, gdzie istniejące podejścia teoretyczne nie mają zastosowania. Jednak ze względu na brak jednoznacznych przewidywań dokonanych na podstawie obliczeń analitycznych, nawet w celu interpretacji danych eksperymentalnych, konieczne jest zastosowanie efektywnych i fenomenologicznych modeli.
Jedną z takich najnowocześniejszych metod opisu zderzeń ciężkich jonów jest symulacja takiego procesu za pomocą modeli hybrydowych opartych na hydrodynamicznej symulacji ewolucji gorącej i gęstej materii. Modele te wymagają jednak wkładu fizycznego w postaci równania stanu, które zawiera wszystkie informacje o właściwościach termodynamicznych układu, które wpływają na jego ewolucję.
Projekt ten poświęcony jest zagadnieniu konstrukcji efektywnego równania stanu materii QCD, mającego zastosowanie do hydrodynamicznych symulacji zderzeń ciężkich jonów w obszarze skończonej temperatury i gęstości diagramu fazowego QCD. Takie równanie stanu jest niezbędne do modelowania zderzeń ciężkich jonów w zakresie średnich energii w układzie środka masy. Jest to przedmiot szczególnego zainteresowania w przyszłych i trwających eksperymentach, których głównym celem jest określenie struktury fazowej QCD (NA61, STAR, MPD, CBM). Korzystając z modelu hybrydowego, będziemy symulować zderzenia ciężkich jonów za pomocą różnych równań stanu i przeprowadzimy analizę a-posteriori właściwości materii QCD w oparciu o dane uzyskane w nierozwiązywalnych obszarach diagramu fazowego, aby ograniczyć położenie punktu krytycznego i linia przejścia fazowego pierwszego rzędu.
W wyniku tych prac udostępnimy społeczności zestaw wiarygodnych równań stanu do hydrodynamicznych symulacji zderzeń ciężkich jonów w szerokim zakresie energii środka masy, a także prognozy i podstawy teoretyczne dla kluczowych obserwacji w przyszłych i trwających eksperymentach.
