Gruppen for Eksperimentell partikkelfysikk (EPF)

Tilholdssted: 3.etg i Fysikkbygningens østfløy, Blindern
Gruppeleder: Alex Read
Folk i gruppen: Mail-adresser og tlf. nr.

Innledning

Gruppen kan tilby hovedfag og ph.d. oppgaver innen både fysikkanalyse og instrumentering.

Fysikkanalyseoppgavene vil gi deg mulighet til å studere moderne partikkelfysikk ved å analysere data fra noen av verdens ledende eksperimenter ved CERN. Disse oppgavene vil egne seg for studenter med sterk fysikkbakgrunn og interesse for fundamentale problemsstillinger i fysikk. Noen av disse oppgavene kan dreies mot numeriske, modellsimulering og analysetekniske problemstillinger hvis ønskelig.
Studenter med måleteknikkbakgrunn kan delta i oppbygging av en avansert silisiummikrostripedetektor for nytt eksperiment ved CERN. Dette innebærer en rekke forskningsprosjekter innen elektronikk, utlesnings og kontrollsystemer, pakketeknologi og kjøling, mønstergjennkjennelse, osv. Nedenfor følger mer informasjon om gruppen, samt en detaljert beskrivelse av oppgavene.

Gruppens faglige profil.

Skissen viser hvordan naturen bygges opp av mindre, mer fundamentale partikler.

Eksperimentell elementærpartikkelfysikk omfatter det eksperimentelle studium av naturens minste byggesteiner og, like viktig, av kreftene som virker mellom dem. Dette omfatter studier av kvantefelt-teoriene som beskriver naturens fundamentale vekselvirkninger : elektromagnetiske, svake og sterke kjernekrefter; og nye teorier som kan inkludere også gravitasjon, f.eks supersymmetriske modeller. Partikkelfysikken angriper noen av de mest fundamentale spørsmål vi i dag kan stille om vårt univers.

• Hvordan oppstår masse i naturen og hvorfor er det mye mer materie enn antimaterie i vårt observerbare univers ?

• Er alle naturens krefter avledet av en superkraft og er egentlig kvarker, leptoner og bosoner fundamentale partikler ?

• Er kreftene som vi i dag kjenner i naturen de eneste man har, hvordan har de oppstått og hvordan er de forbundet ?

• Kan man finne en kvantemekanisk beskrivelse av gravitasjon som er i overensstemmelse med den generelle relativitetsteori ?

• Kan man finne den ukjente og dominerende masse i universet ?

I det hele tatt er sammenhengen mellom studiene av mikrokosmos og kosmologi (makrokosmos) mange, og nyere teorier innen partikkelfysikk har omfattende konsekvenser for vår kunnskap om universets utvikling. Dagens virksomhet innen partikkelfysikk tar opp grunnleggende spørsmål om universets opprinnelse, ekspansjon, materie/antimaterie-innhold og massetetthet idet man undersøker de kreftene og feltene som inngikk i det tidlige univers da energitettheten var mye høyere.

Den såkalte standardmodellen beskriver godt de aller fleste eksperimentelle resultater innen partikkelfysikk, men det er mange grunner til at mange innen fagfeltet tror det finnes fysikk utover standardmodellen. Standardmodellen er en kvantefelt-teori der byggesteinene er kvarker og leptoner organisert i tre generasjoner. Teorien bygger på endel fundamentale symmetrier i naturen, som lokal gaugeinvarians, Lorentz-invarians og også CPT (ladningskonjugasjon  paritet  tidsreversjon) -invarians. De grunnleggende kreftene i naturen er tyngdekraften, de elektrosvake krefter og fargekreftene (de såkalte sterke kreftene som studeres i kjernefysikk er krefter som er avledet av fargekreftene på liknende måte som van der Waals krefter og kjemiske bindingskrefter er avledet av den elektromagnetiske vekselvirkning). I tillegg inneholder standardmodellen feltpartiklene som kvarkene og leptonene utveksler når de vekselvirker. Disse er fotonet (for den elektromagnetiske komponent av de elektrosvake krefter), vektorbosonene W⁺, W^- og Z^o (for den svake komponenten) og åtte gluoner (for fargekraften). Dessuten finnes det i modellen et boson som introduseres for å kunne forklare at vektorbosonene og byggesteinene har masse (Higgsbosonet). Ved å innføre et skalarfelt i vakuum som kobler til partiklene i standardmodellen, kan masse innføres via den såkalte Higgsmekanismen.

Dagens eksperimentelle partikkelfysikk er i stor grad dominert av målinger av parametre i standardmodellen, søk etter manglende objekter og mekanismer i standardmodellen (Higgs-mekanismen, CP-brudd, langlivede bundne gluontilstander (glueballs)) og søk etter fysikk utover standardmodellen (supersymmetriske partikler, sammensatte kvarker og leptoner, sammensatte vektorbosoner, nye tunge leptoner osv). Ved grundige målinger undersøker man selve fundamentet for dagens kvantefeltteorier, nemlig symmetriene som underligger dem og de felt som inngår i dem.

Gruppens forskningsvirksomhet.

CERN - det europeiske senteret for partikkelfysikk

Hovedtyngden av gruppens aktivitet foregår i forbindelse med internasjonale prosjekter ved CERN. CERN er i dag verdens ledende senter for grunnforskning i partikkelfysikk og UiO deltar i de to mest omfattende grunnforskningsprogrammer i verden i dag for studier av mikrokosmos (LEP og LHC ved CERN ).
Akseleratorkompleksene ved CERN og det omfattende internasjonale forskningsmiljøet utgjør dermed en spennende atmosfære for både studenter og ansatte ved Fysisk Institutt. Gruppen er også involvert i et prosjekt ved DESY-laboratoriet i Hamburg i forbindelse med studier av hvordan materie/antimaterie-symmetrien brytes i naturen og av tunge kvarksystemer generelt. Generelt deltar gruppen i planlegging, konstruksjon, oppbygging og styring av eksperimenter både på software- og hardwaresiden, og i den etterfølgende analyse av data fra eksperimentene.

Virksomheten er i dag karakterisert ved høy grad av internasjonalt samarbeid om store, teknologisk svært avanserte eksperimenter. Ved å delta i disse internasjonale forskningsprosjektene kan vi tilby analyseoppgaver der våre studenter får anledning til å analysere og tolke data fra eksperimenter der man angriper noen av de mest fundamentale spørsmål man har innen grunnforsking i fysikk. Mange av disse eksperimentene stiller krav som bare det ypperste av samtidens elektronikk-, sensor-, data-, vakuum-, og magnetteknologi kan tilfredsstille - mange ganger har kravene som stilles innenfor den eksperimentelle høyenergifysikk ført til nyutviklinger innenfor disse områdene. Instrumenteringsoppgaver er derfor også en sentral del av gruppens virksomhet.

Fysikkanalyse.

En reaksjon i DELPHI-detektoren der signalene i detektorene er vist. Etter at rekonstruksjonsalgoritmene har blitt utført kan man tydelig se hva som har skjedd og hvilke reaksjoner som har foregått. I dette tilfellet er det produsert to W-partikler som hver henfaller til to kvarker.

En hovedgren av virksomheten er tilknyttet data-analyse der man med omfattende programmer analyserer data fra eksperimentene og tolker dataene utfra de modeller man har. Dette omfatter en bred virksomhet innen numerisk analyse, simuleringsmetoder, on-line analyse/kontroll og off-line dataanalyse. En grundig simulering av både fundamentale fysikkprosesser og detektorrespons utføres. Som deltakere i disse store internasjonale eksperimentene har vi adgang til data og analyseverktøy utviklet innen dette samarbeidet og ved UiO foretas omfattende og avanserte analyser av dataene. Resultatene og fremdrift rapporteres jevnlig til samarbeidspartnerne og publiseres.
 

Instrumentering og måleteknikk.

To silisiumsensorer, båndet til en integrert krets som er satt på en tykkfilmhybrid

Den andre hovedvirksomheten i gruppen er tilknyttet instrumentering. Problemene tilknyttet strålingsdeteksjonsystemer, systemmontasje, signalbehandling og on-line kontroll og utlesning av disse systemene, er av de mest fundamentale innen detektorutvikling og har relevans langt utenfor eksperimentell partikkelfysikk. Både innen medisinsk avbildning og for industrielle inspeksjonssystemer brukes halvleder-detektorer i økende grad. Instrumenteringsvirksomheten i gruppen er derfor svært viktig og gruppen deltar i konstruksjon av fremtidens detektorer ved CERN. Gruppen har bygget opp et omfattende infrastruktur ved UiO der man utvikler, konstruerer og tester sensorsystemene før de installeres ved CERN.

Generelt

Gruppen tilbyr oppgaver i tre eksperimenter; ATLAS, DELPHI og HERA-B. Alle vitenskapelig ansatte i gruppen kan kontaktes om hovedfagsoppgaver. Gruppelederen (A.L.Read) formidler gjerne kontakt om du ikke vet hvem du skal snakke med.

Ønskede forkunnskaper avhenger av oppgavetypen. Kontakt gjerne gruppen i god tid, så kan vi sammen planlegge den siste delen av studiet. Generelt kan sies at oppgaver innen hardware krever interesse for og kunnskaper i elektronikk. For analyseorienterte oppgaver er det en fordel med noe kjennskap til programmering og gjerne litt kunnskaper om numeriske og statistiske metoder i tillegg til "mest mulig" fysikk.