Teorija jedra, osnovnih delcev in polj

Predlagali bomo razširitve Standardnega modela z leptokvarki in v konkretnih teorijah poenotenja, ki lahko razložijo opažene kršitve leptonske univerzalnosti na eksperimentih BaBar, Belle in LHCb. Preučili bomo vplive lahkih leptokvarkov na procese sipanja visko-energijskih nevrinov na nukleonskih tarčah, katere raziskuje eksperiment ICECUBE s ciljem morebitne razlage odstopanj meritev. Študirati nameravamo fenomenologijo teorije poenotenja preko protonskega razpada, fermionskih mas in mešalnih kotov. Take in podobne teorije polja bomo obravnavali tudi iz teoretskega vidika in sicer iskali med drugim asimptotske limite pri visokih energijah in obnašanje pri močnih sklopitvah.  Razvili bomo analize za ocenjevanje potenciala odkritja nove fizike povezane z izvorom nevtrinskih mas na trenutnih in bodočih hadronskih in leptonskih pospeševalnikih. Preučili bomo izglede za opažanje Majorana nevtrinov, vključno z natančno simulacijo detektorjev, predstavili občutljivost in bodoče izglede. Prav tako bomo razširili pogled na signale v Higgsovem sektorju, vključno z redkimi signali, di-bozonskimi končnimi stanji in kanali s kršitvijo leptonskega števila. Razširjeni Higgsov sektor lahko sproži različne fazne prehode, kot je razpad lažnega vakuuma pri ničelni temperaturi in elektrošibki fazni prehod pri visokih temperaturah v zgodnjem vesolju. Razvili bomo zanesljiv teroetični okvir za računanje odskočnih rešitev s poljubnim številom skalarnih polji in raziskali termalno obnašanje v enostavnih scenarijih povezanih z izvorom nevtrinske mase. Določili bomo naravo faznih prehodov, povezavo s signali na pospeševalnikih in možnimi kozmološkimi opazljivkami, kot je spekter moči gravitacijskih valov.  Razvili bomo novo strategijo testiranja leptonske univerzalnosti v razpadih kvarka top, ki bo uporabna v tvorbi parov kvarkov top tako na leptonskih kot hadronskih trkalnikih. Predlagali bomo spinsko-polarizacijske opazljivke v procesih tvorbe Higgsovega bozona ter kvarkov t, ki bodo optimizirane za iskanje psevdoskalarne sklopitve Higgsovega bozona s kvarkom t. S kromodinamiko na mreži bomo preučili zanimive primere sipanja sklopljenih hadronskih kanalov in  določili lastnosti hadronskih resonanc, ki se v teh kanalih tvorijo. S teorijo polja na mreži bomo  preučili različne relevantne močno-sklopljene teorije izven Standardnega Modela, ki vsebujejo nove nepoznane fermione f - iz njih  so v teh teorijah sestavljeni Higgsov bozon in temna snov. Določili bomo mase in razpadne širine resonanc  f f-bar, ki lahko razpadejo preko nove močne interakcije. Razvijali bomo numerične algoritme lastne metode kvazilinearizacije “QLM” za neperturbativno, iterativno in kvadratno konvergentno  reševanje nelineranih diferencialnih enačb z namenom, da razširimo uporabnost in izboljšamo numerično učinkovitost QLM predvsem v kvantni mehaniki.

Novi rezultati iz velikega hadronskega trkalnika, super-tovarne okusov BelleII, ter mnogih manjših eksperimentov fizike in astrofizike delcev bodo v naslednjem desetletju najverjetneje temeljito poglobili naše razumevanje temeljnih zakonov fizike in njihovo aplikacijo v zgodnjem vesolju. Zato bo imel znanstveni program, ki prepleta meritve vseh teh eksperimentalnih programov na inovativen način, še naprej izredno velik odmev. Nenazadnje bodo rezultati znotraj programa potencialno odprli nove smeri eksperimentalnih meritev tako na LHC kot v preciznih meritvah pri nizkih energijah in v fiziki delcev v vesolju.   V fiziki osnovnih delcev poznamo veliko alternativ, kako razširiti Standardni model, a vsaka je le na nivoju hipoteze. Za učinkovit napredek področja fizike visokih energij je bistveno, da za vsako možno hipotezo predlagamo eksperiment, ki jo lahko falsificira. Model z leptokvarki, ki ga bomo proučevali, je v tem kontekstu ena od smiselnih hipotez in z izpostavljanjem te hipoteze eksperimentalnim podatkom, na način kot smo ga predlagali v programu, lahko hipotezo leptokvarkov bodisi bolj natančno določimo, ali ovržemo.   Identifikacija razširitve SM, ki je odgovorna za kršitve leptonske univerzalnosti, bi predstavljala ogromen preboj. Tudi, če je skala nove fizike onkraj dosega LHC, bi že sama struktura opaženih efektov v kršitvi leptonske univerzalnosti in v sorodnih procesih močno pospešila iskanje naslednika Standardnega modela in s tem tudi poglobitev našega razumevanja fizikalnih zakonov na najmanjših dolžinskih in časovnih skalah.   Razumevanje narave izvora nevtrinskih mas ostaja eden izmed znanstvenih ciljev po  odkritjih nevtrinskih oscilacij in Higgsovega bozona. Razvijanja iskanj novih fenomenov, tako na pospeševalnikih kot na eksperimentih osnovanih na natančnih meritvah, je ključnega pomena za razumevanje sposobnosti trenutnih eksperimentov in za razvoj novih. Predlaganje novih kanalov in določevanje občutljivosti v standardnih takojšnjih, kakor tudi v izmuzljivih kanalih z mehkimi in/ali odmaknjenimi končnimi stanji, ostaja pomemben izziv.  Razširjeni Higgsovi sektorji so deležni ponovne pozornosti po odkritju Higgsovega bozona. Ponujajo nam uvid v zlom elektrošibke simetrije, naravo nevtrinskih mas in njihovega izvora, povezavo s temno snovjo, kakor tudi z dinamiko zgodnjega vesolja. Razvoj zanesljivih in robustnih izračunov za karakterizacijo stabilnosti vakuuma in faznih prehodov v zgodnjem vesolju, je težavna naloga za modele z veliko skalarnimi polji, napredek na tej fronti bi lahko spodbudil nadaljne raziskave v teoretični, fenomenološki in kozmološki skupnosti.   Tako poenotenje kot supersimetrija so možne fizikalno utemeljene nadgradnje standardnega modela. S primerjavo modelov z eksperimentalnimi podatki (fermionske mase in mešalni koti, protonski razpad) lahko preverimo veljavnost raznih verzij teh teorij: supersimetričnih ali ne, z grupami SU(5), SO(10), E6, in podobno. Ravno tako lahko preverimo logične in matematične konsistence takih in podobnih supersimetričnih teorij v limiti močnih sklopitev, kjer perturbacijski razvoj odpove.   Vrsta eksperimentalnih odkritij eksotičnih hadronov blizu praga nakazuje, da bi bila za njihov obstoj lahko ključna bližina praga in posledično močna sklopitev med raznimi sipalnimi kanali. Če bomo s simulacijami sklopljenih sipalnih kanalov na mreži uspeli potrditi ali zavreči to tezo, bomo bolj zanesljivo lahko napovedali morebiten obstoj novih običajnih in eksotičnih hadronov, to pa bo zelo dragoceno vodilo za prihodnje eksperimente v Belle 2, LHCb, BESIII in PANDA. Teoretičen dokaz za obstoj eksotičnih hadronskih stanj Z_c = c c-bar u-bar d  in  Z_b = b-bar b d-bar u  z ab-initio izračuni na mreži bi bil nedvomno pomemben prispevek k znanosti, saj doslej ta še ni na voljo. Tudi razumevanje dinamike sklopljenega sipanja pri bolj običajnih hadronih je nekaj, kar znanstvena srenja nestrpno pričakuje. Vidno vesolje je sestavljeno iz fermionov - kvarkov in lept

Bazične raziskave osnovnih gradnikov snovi narave so del temeljev za sociološki in kulturološki napredek katerekoli napredne moderne družbe. Nedavni razvoj v teoretičnem in fenomenološkem razumevanju snovi na najmanjših skalah predstavljajo priložnost za udeležbo v raziskavah na robu znanega, kar zahteva ekstenzivno poznavanje teoretične fizike. To znanje se prenese v vse aspekte izobražene družbe preko poučevanja in mentoriranja študentov ter z ustvarjanjem javnega zavedanja za takšne odprte fundamentalne zadeve.   Poleg tega testiranje teoretičnih napovedi in izvedba predlaganih iskanj zahteva mednarodne napore, kot je veliki hadronski trkalnik LHC v CERNu, kjer Slovenija postaja polnopravna članica. Država, ki je vpeta v mednarodni program fizike visokih energij tako aktivno (finančno in z ljudmi) pripomore k napredku v fundamentalni fiziki, obenem pa pridobi, saj odprtost lokalne znanosti bistveno pripomore - zaradi prepletenosti z izobraževalnim sistemom- k boljši kvaliteti znanja, ki se predava na univerzah in šolah.   Nekateri raziskovalci programa lahko v vlogi visokošolskih učiteljev na FMF delimo najnovejša spoznanja s fizike visokih energij s študenti fizike višjih letnikov. Udeležba z vabljenimi predavanji o doseženih rezultatih na mednarodnih konferencah priča o nivoju znanosti v Sloveniji. Raziskovalci na programu imamo občasno možnost predstaviti svoje delo širši javnosti (Stefanovi dnevi na IJS, Znanost na cesti) v obliki poljudnih predavanj, kar pripomore k dvigu splošne znanstvene kulture in zanimanja za znanost.   Na primer, slovenske teoretične raziskave močnih interakcij s kromodinamiko na mreži so v preteklih letih Slovenijo postavile na zemljevid originalnih in relevantnih dosežkov na področju fizike hadronov in interakcij med njimi. Ob eksperimentalnih odkritjih serije nenavadnih hadronov je za Slovenijo pomembno, da tudi v prihodnje prispeva na tem živahnem in zanimivem področju. Ta prizadevanja vodijo tudi do tesne povezanosti članov naše teoretične skupine pri prihajajočih eksperimentih, kjer smo na primer aktivno vključeni kot teoretični koordinatorji v povezavi z eksperimentoma Belle2 in PANDA. Z našim delom in dosežki navdihujemo študente in dijake, kar pozitivno vpliva na razvoj mladih generacij. Z vabljenimi predavanji na pomembnih znanstvenih srečanjih iz področja utrjujemo pozitivno vlogo Slovenije pri širjenju zakladnice svetovnega znanja. S širitvijo raziskav na ab-initio študije močno-sklopljenih teorij izven Standardnega Modela, bomo zakladnico znanja in vpliv Slovenije v naslednjem programskem obdobju še razširili.