Eksperimentalna fizika osnovnih delcev

Predlagani raziskovalni program predstavlja edino sodelovanje slovenskih znanstvenikov na področju eksperimentalne fizike delcev. Glavna motivacija raziskovalnih prizadevanj v svetovni fiziki visokih energij je (že približno desetletje) iskanje procesov in delcev, ki presegajo Standardni model elektromagnetne, elektrošibke in močne interakcije med osnovnimi delci. V naši skupini se to izvaja s sodelovanjem v dveh velikih eksperimentih, ATLAS v CERN-u in Belle II v KEK-u. Člani skupine imajo odgovorne vloge z vseh eksperimentalnih vidikov v obeh mednarodnih kolaboracijah. Sodelovanje v dveh velikih eksperimentih zahteva kritično maso človeških in drugih virov. Omenjeno sodelovanje zagotavljamo z velikimi prizadevanji vseh vpletenih in spričo le-teh rezultati tudi v zadnjem obdobju financiranja predstavljajo pomembne znanstvene dosežke. Predlagane raziskave v programu temeljijo na strokovni ekspertizi raziskovalcev v skupini in se osredotočajo na poglabljanje našega znanja o pojavih v fiziki onkraj Standardnega modela. Aktivnosti se izvajajo na t.i. energijskem obzorju (ATLAS) in obzorju natančnosti (Belle II). Svojo odgovornost znotraj kolaboracij nameravamo izpolniti s pripravo omenjenih znanstvenih naprav za optimalno delovanje. Zato bomo še naprej sodelovali pri nadgradnjah detektorjev in računalniške infrastrukture v naših institucijah. Nadaljevali bomo s sodelovanjem pri raziskavah in razvoju vrhunskih detektorskih tehnologij. Pridobljeno strokovno znanje bomo prenesli v medicinske aplikacije z izboljšanimi metodami detekcije v slikanju z izotopi.

Predlagani raziskovalni program deluje na meji sodobnih znanstvenih prizadevanj, pri čemer uporablja znatne človeške in finančne vire ter do meja zmogljivosti razteza - obstoječe tehnologije, da omogoči navedene eksperimente. Opisane raziskave so izrazito mednarodne in kot take preverjane ter odobrene v recenzijah programskih svetov mednarodnih središč, v katerih se izvajajo. Namenjene so eksperimentalnemu vpogledu v dogajanje v svetu osnovnih gradnikov narave in interakcij med njimi. Uporabljajo pospeševalnike najvišjih energij ali posebnih lastnosti, kar jim omogoča razširiti meje spoznanj o naravi. Visoke gostote energije nas vodijo v svet, kot je obstajal takoj po Velikem poku in s tem pripomorejo k razumevanju nastanka vesolja. Simetrije v naravi in njih kršitev so eno osnovnih pomagal sodobne znanosti. Standarni model elektrošibke in močne interakcije je ena najbolj uspešnih teorij v zgodovini znanosti, ki bo v zadnjih podrobnostih preverjena prav pri predlaganih raziskavah. Eksperimenti, v katerih je udeležen program, imajo vse možnosti za odkritje pojavov izven Standardnega modela, bodisi napovedane in že dolgo pričakovane supersimetrije, razlage narave temne snovi, izvora nevtrinskih mas ali pa kake še bolj eksotične nadgradnje. Eno pomembnih nerešenih vprašanj sodobne znanosti je prevlada snovi (delci) nad antisnovjo (antidelci) v vesolju. Ruski fizik A. Saharov je že l. 1967 postavil tri pogoje za tak asimetričen razvoj vesolja. Eden teh je kršitev simetrije CP, ki jo merimo v svetu osnovnih delcev. Tudi drugi pogoj, razpadi delcev, v katerih se krši ohranitev barionskega števila, sodi na to področje znanosti. Z meritvami na detektorju Belle smo natančno izmerili kršitev simetrije CP v sistemu mezonov B in s tem postavili nov mejnik na tem področju. Vendar meritve kršitve simetrije CP kažejo, da je le-ta znatno premajhna, da bi pojasnila opaženo popolno prevlado snovi v vesolju. Obstajati morajo torej dodatni, doslej neznani izvori kršitve, povezani z novimi delci in procesi, ki jih imenujemo Nova fizika. Odkritje novih virov kršitve CP, ki jih bomo med drugim iskali z detektorjem Belle II, bo morebiti pojasnilo vprašanje asimetrije vesolja, kot jo opazimo danes. Procesi Nove fizike, če obstajajo, bodo nedvomno predstavljali veliko spremembo v razumevanju sestave sveta. Če za primer vzamemo supersimetrične razširitve SM, temelječe na teoriji strun, si lahko predstavljamo, da bi vplivale na dojemanje narave podobno, kot je vplivala teorija relativnosti z vpeljavo četrte, časovne dimenzije, kot enakovredne trem prostorskim. Teorije namreč predvidevajo deset namesto treh prostorskih koordinat, dodatne dimenzije pa se ne raztezajo v neskončnost kot že poznane, pač pa so skrčene in mnogo velikostnih redov manjše od dimenzij težkih delcev sestavljenih iz kvarkov. Obstajajo tudi še drugi teoretični modeli, ki uvajajo skrite dodatne dimenzije, da bi razložili šibkost gravitacije v primerjavi z drugimi silami, kot je dobro znan model Randall-Sundrum. Medtem ko bo na trkalniku LHC mogoče neposredno pridobiti signale za obstoj delcev, ki jih napoveduje Nova fizika, pa bo mogoče z natačnimi meritvami z detektorjem Belle II tudi razlikovati med posameznimi modeli in s tem določiti lastnosti doslej neznanih delcev.

Za razvoj Slovenije kot države in lokalizirane družbene skupnosti je bistveno sodelovanje slovenske znanosti pri vrhunskih raziskavah o temeljnih zakonitostih v naravi. Iz raziskovanja pod enakopravnimi pogoji in skupaj z znanstveniki s celega sveta je Sloveniji omogočeno: o sodelovanje pri predlaganju in izvedbi vrhunskih raziskav na enem najodmevnejših področij znanosti, o objava raziskav v mednarodnih revijah in na znanstvenih srečanjih, o vzgoja mladih raziskovalcev v mednarodnem sodelovanju in tekmovanju z vrstniki s celega sveta, o dostop in delo z najmodernejšo tehnologijo na področjih detektorjev, elektronike in računalništva, o prenos teh tehnologij v domače okolje, o uporaba pridobljenega znanja na drugih področjih, o vzpodbuda k udeležbi slovenske industrije pri razvoju in dobavi izdelkov visoke tehnologije. Stik z vrhunsko tehnologijo, velikokrat celo v fazi njenega razvoja in preizkušanja, je ključen tako za vzgojo mladih kadrov z visokim inovacijskim potencialom, kot tudi za ohranjanje tehnološke izobraženosti starejših raziskovalcev, ki preko svoje pedagoške dejavnosti to prenašajo na mlade. Preko skupnega dela v mednarodnih kolaboracijah stkane vezi naravno vodijo do sodelovanja v tehnoloških projektih. Polnopravno sodelovanje slovenskih znanstvenikov v velikih mednarodnih kolaboracijah utrjuje ugled slovenske znanosti in prispeva k prepoznavnosti slovenske države. Dodatno k temu pripomore organizacija mednarodnih srečanj v Sloveniji, bodisi znanstvenih konferenc in šol, bodisi delovnih srečanj kolaboracij. Razvoj novih hitrih računskih metod v kombinaciji z distribuirano obdelavo podatkov bo predvidoma spodbudil tudi razvoj drugih vej znanosti, kjer so potrebne velike računske zmogljivosti in/ali računske simulacije (računalništvo, informatika, meteorologija, statistika) ter v končni fazi tudi bistveno vplival na razvoj informacijske infrastrukture. Za primer lahko navedemo, da je bil že Svetovni splet (World Wide Web) razvit v zgodnjih 90-tih letih prav v Evropskem laboratoriju za fiziko delcev (CERN) v Ženevi za izmenjavo dokumentacije pri projektu LHC. Le-ta se je danes razrasel v popolnoma novo vejo informacijske tehnologije z bilijonskimi prihodki. Podobne napovedi veljajo tudi za razvoj distribuiranega računstva (Grid), ki je bil razvit in se uporablja za potrebe projekta LHC.