Fizika ionskih snopova

Interakcije ionskih snopova i materijala se proučavaju instrumentacijom akceleratorskog centra IRB-a, najvećeg eksperimentalnog postrojenja u znanosti Hrvatske. Procesi se proučavaju na nivou atomske jezgre (elastična raspršenja i nuklearne reakcije) i atomskih elektrona (ionizacija), uz proučavanja utjecaja kemijskih veza i kristalne strukture materijala na te procese. Sve značajnija je i tema proučavanja svojstava transfera energije s brzog iona na elektronski podsustav materijala i posljedičnih promjena strukture materijala na nanorazinama. To je posebno važno kod novih vrsta materijala kod kojih su takva svojstva nepoznata, a mogu biti tehnološki značajna za nove vrste detektora i senzora, fotovoltaika te materijala od značaja za fuziju.

Nuklearna fizika

Istraživanja nuklearne strukture i reakcije, područje je gdje IRB ima veliku tradiciju i potencijale te međunarodni ugled. Istraživanjima nuklearnih reakcija s jezgrama na granici stabilnosti to jest onih koje imaju izraziti višak neutrona ili u određenim slučajevima protona prate se svjetski trendovi i otvara se sasvim novo područje – nuklearna astrofizika. Osim što ova istraživanja doprinose razumijevanju sinteze elemenata, ona su od važnosti i za razumijevanje nuklearne jednadžbe stanja, konkretno njenog izospinskog člana. Eksperimentalna istraživanja rade se na renomiranim akceleratorskim centrima u svijetu što uključuje i novu eksperimentalnu liniju IRB-a na akceleratoru u Legnaru, te jednim dijelom i na eksperimentalnim sustavima akceleratora na IRB-u.

U području viših energija treba istaknuti istraživanje u laboratorijskim uvjetima kvarkovsko-gluonske plazme, stanja materije za koje se vjeruje da je  dominiralo Svemirom nekoliko mikrosekundi nakon Velikog praska, a vrši se na CERN-u, uz predvidivi nastavak na akceleratoru u izgradnji FAIR.

Fizika čestica

IRB sudjeluje u CMS eksperimentu na CERN-ovom Velikom hadronskom sudarivaču (LHC). Cilj CMS eksperimenta je proučavanje valjanosti standardnog modela i potraga za manifestacijama nove fizike na danas najvišim dostupnim energijama u laboratoriju. IRB CMS grupa je aktivno sudjelovala u pripremi CMS-ovog fizikalnog programa i u mjerenjima na temelju podataka prikupljenih u prvoj fazi rada LHC-a (2010-2012). Fokus IRB-ovih znanstvenika je bio na proučavanju elektroslabih interakcija na TeV skali i na direktnoj potrazi za pojavama nove fizike u kontekstu nekoliko proširenja standardnog modela. Ova istraživanja će biti nastavljena i proširena podacima koje će LHC prikupiti na još višim energijama u narednim godinama. Neka od tih mjerenja su od ključne važnosti za  karakterizaciju novootkrivenog bozona na LHC-u. U suradnji s teorijskim fizičarima, planirano je također proširiti program potrage za fizikom izvan standardnog modela. Grupa će također nastaviti svoj doprinos radu i razvoju CMS detektora kroz praćenje i poboljšavanje rada piksel detektora i kroz razvoj i ugradnju nove generacije silicijskih piksel detektora za CMS.

Osnovni cilj eksperimenata na “granici intenziteta” je istraživanje postojanja nekih čestica predloženih u raznim teorijskim modelima izvan Standardnog modela, a posebno u svrhu razrješenja jakog CP problema, tamne tvari i ujedinjenja fizike čestica i gravitacije. U CERN-ovom eksperimentu CAST i budućem eksperimentu IAXO, znanstvenici IRB-a sudjeluju u potrazi za Sunčevim aksionima i sličnim česticama (ALP). Aksion je hipotetska pseudoskalarna čestica povezana s odsustvom CP narušenja u jakim međudjelovanjima, a ujedno je i kandidat je za tamnu tvar. IRB također sudjeluje u eksperimentu OPERA koji je dizajniran za izravno opažanje oscilacija mionskih u tau neutrine te u budućem CERN-ovom eksperimentu NESSIE koji je predložen da istraži postojanje dodatnih sterilnih neutrina. U astročestičnim eksperimentima na IRB-u razvijaju se nove metode za potragu za hipotetskim bozonima (na primjer, parafotonima i ALP-ovima) koji mogu biti od interesa za tamnu tvar svemira. U sklopu ove teme razvijaju se i fotonski detektori za vrlo precizna mjerenja kvantnih učinaka novih čestica u rijetkim procesima.

Eksperimentalni program Crystal Ball kolaboracije u Mainzu (CB@MAMI) usmjeren je prema proučavanju fundamentalnih problema u fizici: osnovnih svojstava jake interakcije, određivanju mase kvarkova, te određivanje stupnja narušenja simetrija za određene rijetke raspade mezona (raspadi eta i eta' mezona). Rezultati bi mogli pridonijeti boljem razumijevanju tih problema i dati uvid u fiziku izvan sadašnjeg Standardnog modela. Vrlo je važan rad i na instrumentaciji, poglavito dizajnu i testiranju polarizirane mete metodom smrznutog spina.

Astročestična fizika

Fascinantna međusobna povezanost između fizike čestica, kozmologije i astrofizičkih opažanja čini osnovu za predmet istraživanja astročestične fizike. U tom smislu astrofizička opažanja omogućuju ne samo dobivanje dragocjenih informacija o svojstvima elementarnih čestica (neutrini, aksioni, tamna tvar, kozmičke zrake itd.), već i poznata svojstva fotona i neutrina mogu također poslužiti za istraživanje udaljenih dijelova svemira. Ubrzani razvoj astročestične fizike nedavno je rezultirao novom metodom opažanja udaljenih astrofizičkih objekata kao što su pulsari, aktivne galaktičke jezgre i izvori provala gama zračenja - visoko energijska  gama astronomija. Znatan dio aktivnosti Odjela u astročestičnoj fizici su opažanja visokoenergijskih fotona s udaljenih astrofizičkih lokacija u okviru međunarodne kolaboracije MAGIC koja upravlja sustavom od dva IACT (Imaging Atmospheric Cherenkov Telescope) gama teleskopa. Ostatak aktivnosti uključuje sudjelovanje u kolaboraciji CTA (Cherenkov Telescope Array) koja razvija infrastrukturu nove generacije za visokoenergijsku gama astronomiju baziranu na IACT tehnici. Važan dio aktivnosti uključuje i teorijska istraživanja u području fizike visokih energija i kozmologije, s posebnim naglaskom na nekomutativne kvantne teorije polja kao i holografske opise kako veoma ranog tako i sadašnjeg svemira.

Izotopne metode

Prirodni radioaktivni izotop ¹⁴C ima značajnu primjenu kod datiranja arheoloških, geoloških i paleontoloških uzoraka. Mjerenjem radioaktivnih izotopa ¹⁴C i ³H i stabilnih izotopa ¹³C i ¹⁸O u uzorcima iz okoliša istražuju se geokemijski procesi izmjene u prirodnim sustavima atmosfera – voda – sediment – bilje te (paleo)klimatske promjene i njihov utjecaj na stanja u okolišu, kao što je promjena nivoa mora. Izotopi ³H, ¹⁴C, ²H, ¹⁸O u vodi koriste se u hidrogeološkim istraživanjima pitke vode te u svrhu monitoringa atmosfere i biosfere. Posebna se pozornost posvećuje razvoju mjernih tehnika, što uključuje i razvoj akceleratorske masene spektrometrije (AMS) kojom se značajno povećavaju eksperimentalne mogućnosti svih istraživanja baziranih na izotopu ¹⁴C.

Razvoj detektora i instrumentacije

Instrumentacija koja objedinjuje gotovo sve teme istraživanja Zavoda za eksperimentalnu fiziku su detektori zračenja. Obnovom infrastrukture putem nekoliko FP6 i FP7 projekata, a najviše projektom Particle detectors, bitno je povećan program razvoja detektora zračenja i pratećih sustava za obradu podataka, pa je sada utjecaj bazičnih istraživanja na međunarodnim kolaboracijama i domaćim eksperimentalnim sustavima bitno značajniji. Posebno se ulažu napori u pronalasku novih detektora otpornih na zračenje koji uključuju poluvodičke detektore, detektore na bazi dijamanta, plinske detektore te optoelektroničke sustave.

Nuklearne analitičke metode

Razvoj nuklearnih metoda baziranih na pobudi fotonima x-zraka, neutronima, te ionima iz akceleratora, na IRB-u je tradicionalno vezano za interdisciplinarna istraživanja i primjene. Važno je posebno istaknuti razvoj metoda otkrivanja eksploziva i drugih opasnih tvari pomoću neutrona, koje se izvode u laboratoriju na IRB-u ali i u realnom okolišu što uključuje i podmorje. Uz monitoring okoliša nuklearne metode su kompetetivne i u analizama predmeta kulturne baštine, biomedicinskim istraživanjima, a razvijena je i suradnja s gospodarstvom.

Medicinske primjene

Dostupnost deoksiglukoze markirane pozitronskim emiterom ¹⁸F (FDG) koji se proizvodi na RMC ciklotronu na IRB lokaciji, te instalacijom mikroPET kamere u organizacijskom sklopu IRB-a, otvorila se i mogućnost istraživanja statičkog i dinamičkog praćenja izotopom markirane bioaktivne tvari. Ova neinvazivna metoda je od značaja za medicinske primjene u okviru IRB-a i šire, a posebno za praćenja metaboličkih poremećaja vezanih za rast tumora, šećerne bolesti, stanja oksidacijskog stresa, te nastajanje, razvoj i oporavak od moždanih i srčanih udara.