Centre International de Formation et de Recherche Avancées en Physique

Development of advanced theoretical and numerical methods and training programs for investigating of processes in physics and from related fields

Anexa 1.3. la la Structura cadru Program Nucleu

Contractor: INCDFM

Cod fiscal: 9068280

PROPUNERE PROIECT

 

 

Denumirea programului nucleu : Cercetari teoretice si experimentale in domeniul materialelor multifunctionale avansate pentru competitivitate economica si dezvoltare durabila (TEXMAV)

Denumirea obiectivului: Desfasurarea de cercetari teoretice si experimentale in domeniul fizicii starii condensate, al materialelor multifunctionale avansate, si al altor domenii conee din fizica, cu accent pe sisteme nano-dimensionale, suprafete si interfete, cu potential de aplicatii in domenii de inalta tehnologie, pentru cresterea competitivitatii economice si dezvoltare durabila.

Tipul activitatii de cercetare – dezvoltare, inovare si demonstrare* : cercetare fundamentala si industriala

  1. INFORMATII GENERALE 1:

1.1. Titlul proiectului : Dezvoltarea de metode teoretice si numerice avansate si de programe de formare profesionala pentru investigarea unor procese din fizica si domenii conexe

1.2. Cuvinte cheie : ……………….

1.3.       Date privind responsabilul de proiect:

(Se anexează CV-ul semnat, cu max.5 pagini lungime conform modelului din Anexa 1.4 la Structura cadru Program Nucleu)

Nume, prenume: Stoica Sabin

Cod numeric personal:

1530701400531

Titlul ştiinţific: CS1, prof. Asociat UB-Facultatea de Fizica

Funcţia: Director CIFRA

Telefon: 0740 189 698

Fax:       021-457 41 42

E-mail:

sabin.stoica@cifra.infim.ro

Principalele realizări proprii şi experienţă din domeniul tematicii ofertate:

Contributii stiintifice in:

a)Fizica nucleara:

  • descrierea proprietatilor spectroscopice(stari nucleare, benzi de rotatie, tranzitii electromagnetice, etc.) a nucleelor din zona tranzitionala
  • calculul elementelor de matrice nucleare pentru moduri de dezintegrare beta dubla (DBD), pentru tranzitii pe stari finale fundamentale si excitate.
  1. b) Fizica atomica:
  • investigarea proceselor de ionizare din paturi interne a atomilor cu aplicatii in astrostrofizica;
  • dezvoltarea de metode avansate pentru calculul factorilor spatiu de faza ce apar in dezintegrarea beta si beta dubla; c) Fizica particulelor elementare
  • Pentru cazurile in care spatiul alocat raspunsurilor nu este suficient, se pot anexa pagini separate.
  • analiza de date pentru diferite canale de dezintegrare a mezonilor B si D; in particular, analiza canalelor cu violarea numarului leptonic cu doua unitati.
  1. d) Fizica astroparticulelor & fizica neutrinilor
  • calculul ratelor de producere a perechilor neutrini-antineutrini prin procese de bremsstrahlung in stele neutronice;
  • calculul ratelor de producere a axionilor prin procese de bremsstahlung in stele neutronice;
  • deducerea limitelor maselor neutrinilor din studiul DBD. e)Dezvoltarea de metode numerice
  • coduri numerice de calcul pentru calculul starilor nucleare si tranzitiilor intra si inter benzi benzi pentru nuclee grle
  • coduri numerice pentru calculul elementelor de matrice nucleare pentru DBD
  • coduri numerice pentru calculul factorilor spatiu de faza pentru dezintergrarea beta si beta dubla.
  • Lectii prezentate in conferinte internationale, seminarii internationale invitate (> 50), cursuri scoala doctorala.
  • Peste 450 articole ISI, ~ 8,000 citari(fara autocitari), factor Hirsh~46 (WebofScience)
  • Director ~ 20 proiecte nationale si internationale

CV conform Anexei 1.4 la Structura cadru Program Nucleu

  1. INFORMATII ŞTIINŢIFICE / TEHNICE DESPRE PROIECT

2.1. Prezentarea pe scurt proiectului, cu menționarea țintelor propuse a fi atinse prin implementarea proiectului :

Proiectul isi propune atingerea unor obiective pe urmatoarele trei directii: 1) cercetare: studiul unor procese de fizica nucleara, materie condensata, fizica laserilor si astrofizica, intens investigate si pe plan international, prin dezvoltarea unor modele teoretice si tehnici computationale moderne; 2)formare: dezvoltarea unor programe de pregatire avansata in tehnici computationale moderne si construirea unor pachete de programe specifice care sa permita abordarea unor domenii noi, interdisciplinare; 3) diseminare: organizarea unor scoli de fizica, conferinte, workshop-uri pentru diseminarea rezultatelor obtinute si mentinerea/dezvoltarea unor colaborari internationale.

  • Ne propunem abordarea unor subiecte/teme de cercetare actuale precum: studiul dezintegrarilor beta si beta duble cu aplicatii in fizica atomica, nucleara, fizica neutrinilor neutrinilor si in testarea unor legi de conservare si simetrii. Obiectivele propuse in cadrul acestei directii sunt: i)obtinerea unor valori precise ale factorilor spatiu de faza si ce intra in ratele de dezintegrare pentru diferite tranzitii beta, cu aplicatii in astrofizica, calculul perturbatiilor ce pot apare in distributiile energetice si unghiulare ale electronilor si pozitronilor emisi in dezintegrarea beta dubla, necesare pentru testarea invariantei Lorentz in experimente de dezintegrari beta duble; ii) dezvoltarea unui cod numeric care sa calculeze direct produsul elementelor de matrice nucleare si factorilor spatiu de faza, in loc de calcularea lor separata cum a fost fact pana acum in literatura; iii) identificarea asteroizilor bazaltici și caracterizarea acestora in vederea obtinerii unor informatii legate de compozitia lor; iv) testarea unitaritatii matricii CKM prin calculul precis al elementelor Vud ale ei; v) influenta actiunii unui laser de mare putere asupra ratei de dezintegrare beta.
  • Ne propunem initierea si dezvoltarea unui program de instruire in domenii de cercetare de actualitate, precum fizica materiei condensate, fizica nucleara-dezintegrari rare, fizica neutrinilor, sau domenii interdisciplinare, inclusiv prin elaborarea unor tutoriale si pachete de programe numerice, aplicabile rezolvarii unor probleme specifice acestor domenii.
  • Ne propunem organizarea a cel putin doua manifestari stiintifice: o scoala de vara in domeniul fizicii neutrinilor si un workshop in domeniul nanofizicii si materialelor avansate.

Tot cadrul proiectului ne propunem si elaborarea unei strategii pentru dezvoltarea sustenabila a unei infrastructuri de calcul stiintific performant, HPC, care sa faciliteze abordarea cu succes a unor teme de cercetare complexe, din diferite domenii. Realizarea acestui obiectiv implica combinarea de tehnici computationale avansate cu expertiza din diferite domenii stiintifice si tehnologice.

Proiectul sustine obiectivele Centrului International de Formare si Cercetare Avansata in Fizica(CIFRA), centru sub egida UNESCO, infiintat urmare a Acordului dintre guvernul Romaniei si UNESCO, ca subunitate (cu personalitate juridica) a INCDFM, anume: i) initierea/dezvoltarea de cercetari avansate in domenii actuale, de nisa, in care se fac investitii importante pe plan international; ii) pregatirea/formarea avansata a cercetatorilor (in special tineri) in domenii moderne, precum nanofizica, fotonica, fizica astroparticulelor, cosmologie, etc., ce cuprind studii ale materiei la diferite scale (dimensionale si energetice; iii) organizarea de cursuri, seminarii, workshop-uri pentru aprofundarea tehnicilor de abordare a acestor cercetari si diseminarea rezultatelor obtinute.

2.2. Situaţia actuală: ………..

Fizica materialelor. Spectromicroscopia de fotoelectroni a căpătat un avânt considerabil în ultimul deceniu. Această metodă constă în a măsura spectre de fotoelectroni pe arii limitate ale probelor, cu rezoluție spațială de ordinul micrometrilor până la zeci de nanometri. Informațiile pe care această metodă le furnizează se referă la analiza compozițiilor chimice și reacțiilor de suprafață cu rezoluția menționată mai sus. În cazul spectroscopiei de fotoelectroni cu rezoluție unghiulară, informație suplimentară poate fi obținută privind structura de bandă experimentală (legi de dispersie) prin ARUPS (angle-resolved ultraviolet photoelectron spectroscopy) și privind structura materialelor prin difracție de fotoelectroni.

Achiziția de date 3-, 4- și 5-dimensionale devine din ce în ce mai întâlnită în fizica materialelor. În cazul spectro-microscopiei de fotoelectroni, dimensiunile sunt date de: (i,ii) două coordonate spațiale, punctul de pe suprafața probei unde s-a efectuat măsurătoarea; (iii) energia cinetică (sau energia de legătură), variabila independentă a fiecărui spectru; (iv) unghiul de emisie al electronilor;

  • coordonata temporală. Un cub de date (3D) are în mod normal câteva zeci sau sute de MByte, iar un hipercub (4D, 5D) poate avea de la 1 la câteva zeci de GByte. În momentul de față, apare necesitatea analizei într-un timp rezonabil a acestor date, altfel, de exemplu, pentru extracția parametrilor relevanți ar trebui efectuate zeci de mii de fitări în cazul datelor 3D, milioanesau zeci de milioane de fitări în cazul hipercuburilor de date.

Dezintegrare beta.Studiul dezintegrarilor beta este unul din domeniile cheie pentru intelegerea unor

fenomene si procese astrofizice joaca un rol decisiv in descrierea proceselor stelare: arderea hidrostatica a stelelor massive, evolutia acestora in starea de preSupernove, procesele de nucleosinteza (procese s, p, r si rp) etc. De asemenea, cunoasterea ratelor de dezintegrare si timpilor de viata ai dezintegrarilor beta este necesara si pentru explorarea experimentala a multitudinii de nuclee obtinute in laboratoare, la marile instalatii de produce a fasciculelor radioactive.

Dezintegrare Beta Dubla. Dezintegrarea beta dubla (DBD) reprezinta procesul nuclear de dezintegrare spontana cu cel mai lung timp de viata masurat pana in prezent (1018 – 1024)ani. In cadrul Modelului Standard (MS) in aceasta dezintegrare sunt emisi 2 electroni/pozitroni si 2 antineutrini/neutrini, conservandu-se astfel nr. leptonic. Pana in prezent, exista masuratori pentru 12

nuclee/tranztii beta duble. Totusi, in cadrul unor teorii care generalizeaza MS acest proces ar putea sa se desfasoare si fara emisie de neutrini, adica cu incalcarea conservarii nr. leptonic. Descoperirea acestui mod de DBD ar furniza informatii esentiale despre neutrini (daca sunt particule de tip Dirac sau Majorana, care este scala de masa a acestora si ierarhia maselor acestora, daca mai exista si alte specii de neutrini inafara de cele 3 active, etc.), despre valabilitatea unor legi de conservare ( simetria CP in interactia slaba, conservarea numarului leptonic) si despre alte procese/fenomene fizice dincolo de MS. Toate acestea il fac sa fie unul dintre cele mai studiate procese din natura, atat experimental cat si teoretic. Studiul sau implica sume foarte mari investite in instalatii experimentale complexe, amenajate in laboratoare subterane ce necesita o infrastructura deosebita.

Astrofizica. Asteroizii bazaltici sunt fragmente ale unor obiecte primordiale din Sistemul Solar pentru care a avut loc procesul de diferențiere (separarea în straturi distincte a materialelor cu diferite densități rezultând în formarea scoarței, mantalei și a nucleului). Acest proces este fundamental pentru înțelegerea formării și evoluției planetelor. În acest context, studiul asteroizilor bazaltici oferă noi evidențe ale proceselor care au modelat Sistemul Solar.

Asteroidul (4) Vesta este reprezentativ pentru asteroizii bazaltici fiind considerat corpul părinte ale meteoriților diferentiati de tip howardite-eucrite-diogenite (HED). Majoritatea asteroizilor de acest tip sunt asociați dinamic cu Vesta, însă observații recente au arătat ca există astfel de asteroizi în întreaga centură principala. Acest fapt observațional nu este pe deplin înțeles de modele actuale ale formării și evoluției Sistemului Solar. Semnătura spectrală a asteroizilor bazaltici are două benzi de absorbție proeminente la 1 micron si 2 microni, corespunzătoare olivinei și pyroxenurilor. Cele două benzi sunt date de tranziția ionilor de Fe în matricea cristalografică. Identificarea acestui tip de compoziție particulare se poate face folosind filtrele de banda larga V, R, I, Z, Y, J, H, K folosite de programele largi de observație.

Tutoriale dedicate. O directie noua a fizicii computationale care se dezvolta tot mai mult consta in elaborarea de pachete de calcul stiintific accesibile orientate din start spre o clasa anume de probleme si fenomene. Ideea de a produce tools-uri dedicate este intr-adevar una care se practica in aproape toate domeniile, inclusiv fizica. De exemplu in toate marile experimente de energii inalte, fizica nucleara, astrofizica, astroparticle, cosmologie, etc. exista astfel de tutoriale si pachete de programe numerice dedicate pentru analiza de date experimentale pentru studiul diferitelor canale, a unor probleme specific acelor experimente, etc. Pentru diverse calcule teoretice exista de asemenea tutoriale si pachete de programe dedicate. De exemplu, tutorial/pachet de programe de utilizare a diagramelor Feynman pt. calculul sectiunilor eficace a diferitelor procese fizice, etc.

Un alt exemplu de succes este pachetul QuTiP (Quantum Tool Box in Python – qutip.org), citat deja in peste 300 de articole din reviste foarte importante (Science, PRL, PRX, Scientific Reports, etc.). Pe langa avantajul de a fi open access, aceste pachete sunt mult mai usor de utilizat de catre (tinerii) cercetatori decat programele extrem de complicate de modelare computationala avansata (de exemplu AMSYS sau Quantum Expresso) care implica si o cunoastere aprofundata a aspectelor teoretice si a fenomenelor fizice. In fizica starii condensate se pot de asemenea dezvolta astfel de tutoriale si pachete de programe necomerciale pentru uzul masteranzilor si doctoranzilor.

High Performance Computing (HPC). Având în vedere interesul la nivel internațional pentru aplicații de fizica computationala ce necesita putere de calcul din ce în ce mai mare, infrastructura folosită iese din sfera calculatoarelor personale și se plaseaza în zona HPC. Aceste siteme de calcul comaseaza puterea unui numar mare de nuclee de calcul (sute sau chiar mii de nuclee sunt ordine de mărime ce se regasesc în instalatiile folosite de majoritatea universitatilor și centrelor de cercetare din lumea întreaga), cantitati masive de memorie RAM și stocare de date. Pentru a putea directiona în mod optim aceste resurse, este necesar pe lângă o configurare specifica și o mentenanta permanenta atât a programelor instalate cât și a componentelor hardware. Dezvoltarea unei astfel de infrastructuri performanțe ce poate fi extinsa pentru a putea asimila probleme de cercetare din domenii cât mai diverse este o activitate continua la nivel internațional (ex. problemele ce folosesc teoria functionalului de densitate necesita folosesc algoritmi de calcul paralel și cantitati mari de memorie RAM, în funcție de sistemul studiat, în timp ce programe din zona biologiei sau particuleleor elementare necesita procesare secventiala a unor cantitati enorme de date, traducanduse în nevoie de stocare permanenta și viteza de calcul mare). Este deci necesara dezvoltarea la nivel institutional a unei strategii de investitii (achiziționare de harware de ultima generatie) și asimilare de expertiza în domeniul HPC.

  • în ţară:

Fizica materialelor.:Spectromicroscopia de fotoelectroni. Cartografierea suprafețele feroelectrice prin spectro-microscopie de fotoelectroni cu rezoluție spațială de cca. 0,6 m și rezoluție energetică de cca. 0,25 eV, folosind contrastul în energie de legătură au fost efectuate de cercetătorii din INCDFM, în colaborare cu sincrotronul Elettra din Trieste, în cadrul unui proiect CERIC [POP2015-ABR2017]. În momentul de față, suntem solicitați să participăm în mai multe experimente de spectromicroscopie de fotoelectroni, inclusiv cu rezoluție spațială sau temporală, atât la facilitatea Elettra, cât și la alte centre de radiație de sincrotron, în particular la Soleil, Saclay, Franța.

Studiul dezintegrarii beta. Dezintegrarea beta super-permisa (DBSP) este un subiect tratat de mult timp in tara, studiul acesteia permitand descoperirea/verificarea unor ipoteze in fizica teoretica actuala (unitaritatea matricii Cabibbo-Kobayashi-Masakawa (CKM)). Contributiile semnificative se refera la calculul factorilor spatiu de faza (FSF) pentru tranzitii permise, cu o metoda relativista ce foloseste functii electronice Dirac exacte si un potential Coulombian realist [SM13]-[MPS15]. Avand in vedere experienta in calcularea FSF, simplitatea elementelor de matrice pentru cazul dezintegrarii beta super-permise si faptul ca pentru aceste tranzitii produsul dintre FSF si timpul de viata observate experimental este strans legat de constanta de cuplaj vectoriala (gV), ne propunem sa estimam elementul Vud al matricii CKM folosind timpii de injumatatire obesrvati experimental si FSF calculati prin metodele proprii.

Studiul DBD a inceput in tara noastra in 1989 si are deja o traditie. Contributiile importante se refera la dezvoltarea unei noi metode de calcul a elementelor de matrice nucleare (EMN) , prima metoda de tip higher-QRPA din literatura. Cu ajutorul ei au fost calculate EMN pentru DBD cu emisie de neutrini. De asemenea au fost calculate EMN si ratele de dezintegrare pentru DBD pe stari excitate, pentru prima data in literatura. Apoi, a fost construit un cod numeric rapid, eficient, bazat pe modelul in paturi, pentru calcul EMN pentru modul de DBD fara emisie de neutrini si in diferite scenarii de producere a acestui proces. In fine, a fost dezvoltata o metoda si construit un cod numeric pentru calculul precis al factorilor spatiu de faza relevanti pentru DBD. Rezultatele obtinute s-au materializat in publicarea a mai multor zeci de lucrari in reviste precum PLB, PRC, PRD, NPA, JPG, EPJA, etc. citate de peste 1000 de ori in carti ori reviste ISI de prim rang. De asemenea, rezultatele au fost comunicate in conferinte internationale si seminarii invitate[SS3]. In proiectul de fata ne propunem continuarea cercetarilor in acest domeniu, prin dezvoltarea unor metode mai precise de calcul a factorilor spatiu de faza pentru diferite moduri de dezintegrare si scenarii de producere, extragerea de informatii asupra proprietatilor neutrinilor si testarea unor simetrii precum invarianta Lorentz in interactii slabe.

Astrofizica. Asteroizii bazaltici. Pe plan national contribuțiile semnificative in studiul asteroizilor bazaltici reies din prelucrarea datelor rezultate în urma observațiilor efectuate de survey-ul VISTA-VHS și realizarea catalogului MOVIS [POP2016-LIC2016] – cel mai larg set de date în domeniul infraroșu apropiat pentru asteroizi. Ne propunem identificarea asteroizilor bazaltici și caracterizarea acestora. Se vor utiliza observațiile obținute de programele largi (WISE, VISTA-VHS, 2MASS). Pe baza datelor spectrofotometrice se vor obține informații legate de compoziția asteroizilor prin comparația cu datele spectrale ale meteoriților diferențiați.

Tutoriale & pachete de programe dedicate. Pana acum, nu avem cunostiinta ca in tara s-a dezvoltat sistematic o astfel de directie Unul din obiectivele acestui proiect il constituie dezvoltarea unor tutorial si pachete computationale dedicate unor cercetari de fizica starii condensate, astroparticule, fizica nucleara, bio/nano fizica, etc. Prezentarea unor metode teoretice din diferite domenii pornind de la exemple concrete confirmate experimental si implementate in astfel de limbaje de programare “prietenoase” constituie o cale eficienta si atractiva pentru formarea profesionala a tinerilor cercetatori si din tara noastra, care ii va ajuta sa obtina mai usor rezultate competitive in domeniul lor de cercetare.

Grupul de Fizica Teoretica din INCDFM are o experienta de aproape 20 de ani in descrierea si modelarea fenomenelor de transport la nanoscala. Directiile de cercetare abordate in cadrul grupului includ: efecte de corelatie in regim stationar si tranzitoriu in doturi cuantice [VM1,VM2], dinamica de excitoni [VM3], optica cuantica mezoscopica, nanomagneti artificiali [VM4]. Tehnicile folosite in cadrul grupului sunt printre cele mai actuale: metoda ecuatiei Master, formalismul functiilor Green de neechilibru. Precizam ca toate rezultatele prezentate in publicatiile grupului sunt obtinute cu module de calcul numeric elaborate de membrii grupului.

High Performance Computing (HPC). Insusirea de tehnici computationale avansate si elaborarea unei strategii pentru dezvoltarea sustenabila a unei infrastructuri de calcul stiintific performant, HPC, care sa faciliteze abordarea cu succes a unor teme de cercetare complexe in domeniul fizicii materiei condensate si a altor domenii noi, interdisciplinare sunt probleme de mare actualitate ce nu au mai fost abordate intr-un mod systematic in cadrul INCDFM. Realizarea acestora implica combinarea de tehnici computationale avansate cu expertiza din diferite domenii, stiintifice si tehnologice si, in parallel, planificare, constructia, intretinerea si dezvoltarea unui sistem propriu de HPC.

  • în străinătate: ………….

Spectromicroscopia de fotoelectroni. În general, pachete software de analiză au fost dezvoltate de cercetătorii responsabili de liniile de fascicul de spectromicroscopie, cum ar fi Alexei Barinov și Luca Gregoratti la Elettra sau José Avila și Chaoyu Chen la Soleil. Aceste pachete software sunt departe de a fi complete, au fost scrise de cercetători pentru uz intern, sunt greu de folosit pentru cineva care nu a dezvoltat programele respective și nu conțin toate facilitățile posibile pe baza acestor date experimentale extrem de bogate. În activitatea precedentă [POP2015-ABR2017], s-au folosit pachetele software dezvoltate de Alexei Barinov numai pentru analiza extrem de primară a datelor experimentale, pentru restul analizelor cercetătorii din INCDFM preferând să-și dezvolte propriile programe de analiză.

Dezintegrare beta. Estimarea Vud si testarea unitaritatii matricii CKM este un subiect de actualitate pe plan mondial ([HT2009],[W2005],[S1994]). De-a lungul timpului au fost dezovltate multe metode in acest sens, insa rezultatele pot fi imbunatatite. Motivul principal este incertitudinea metotdeleor folosite. Acuratetea metodei date de DBSP face ca precizia determinarii Vud sa fie dintre cele mai bune, dificultatile tehnice fiind legate de masurarea experimentala cu precizie a timpului de viata si de necesitatea includerii unor mici corectii radiative pentru a atinge o preciziea a valorii Vud satisfacatoare. Unul dintre cele mai cuprinzatoare studii in acest sens ([HT2015]) trateaza 20 de tranzitii super-permise cunoscute in natura. Marimile experimentale de interes pentru fiecare tranzitie (timpul partial de injumatatire, energia cinetica maxima si probabilitatea de dezintegrare pe ramura) sunt atent alese in functie de credibilitatea si statistica a foarte multe articole stiintifice. Se folosesc timpii de viata experimentali si o reteta proprie pentru calcularea FSF pentru determinarea Vud, iar in final se verifica unitaritatea matricii CKM cu o precizie destul de buna.

Dezintegrare beta dubla. Studiul DBD este un subiect de cercetare foarte actual pe plan international, interesul pentru acest proces venind din potentialul sau de a furniza informatii ce pot duce la elucidarea unor probleme fundamentale privind proprietatile neutrinilor, existenta unor procese/fenomene fizice ce depasesc cadrul Modelului Standard (MS) si validarea sau incalcarea unor legi de conservare precum conservarea numarului leptonic, simetria CP, invarianta Lorentz, etc. [AE08-VES12].

De aceea se investesc sume foarte mari pentru studiul experimental al acestui proces, existand zeci de experimente care sunt derulate in laboratoare subterane, pe toate continentele. Tradus in termeni de performante tehnice, experimentele in derulare vizeaza masuratori de timpi de viata de ordinul a 1026ani si atingerea unor limite pentru parametrii de masa ai neutrinilor electronici de ordinul 0.1 eV (functie de izotopii investigati si de valoarea EMN calculate teoretic). In astfel de experimente tinta principala este descoperirea modului de DBD fara emisie de neutrini, ce ar elucida cel putin urmatoarele probleme: numarul leptonic nu se conserva, fixarea unei scale pentru masa neutrinului electronic, stabilirea ierarhiei maselor neutrinilor, probleme fundamentale ce vor aduce un progres major in mai multe domenii ale fizicii: particule elementare, astrofizica, cosmologie, teorie de camp, etc. Tintele planificate pentru noua generatie de experimente de DBD vizeaza masuratori de timpi de viata de ordinul 1027-1028 ani si limite pentru parametrii de masa ai neutrinilor de ordinul meV. D.p.d.v. teoretic se continua dezvoltarea unor noi metode/modele/programe numerice performante pentru calculul EMN si al factorilor spatiu de faza relevanti pentru diferitele tipuri de DBD. Aceste doua marimi apar in formulele teoretice ale timpilor de viata ale DBD si calculul lor precis duce la preziceri mai bune ale acestor timpi de viata, extragerea unor limite realiste, de incredere, pentru paramatrii de masa neutrinici, determinarea mecanismelor de producere a modului de DBD fara neutrini. De precizia acestor estimari depind si parametrii tehnici luati in calcul la proiectarea viitoarelor experimente de DBD si implicit estimarea/planificarea costurilor. In toate aceste estimari, calculele teoretice de DBD reprezinta elemente cheie, de aceea li se acorda o mare importanta. De exemplu, calculul EMN pentru DBD reprezinta unul din primele 10 subiecte din strategia in fizica nucleara a US.

Astrofizica: asteroizi bazaltici. Studiul procesului de diferențiere în cadrul asteroizilor bazaltici reprezintă un subiect de interes și actualitate pe plan mondial. Metode precum analize spectrale in domeniul vizibil si infraroșu [IEV2016], caracterizări dinamice ale famililor de coliziune pe baza parametriilor orbitali și modele teoretice concepute pentru a explica distribuția curentă de asteroizi bazaltici în centura de asteroizi [BRA2017] au fost dezvoltate îndealungul timpului pentru a crea imaginea completă a formării și evoluției acestor corpuri.

Tutoriale/pachete de programe stiintifice. O deficienta a monografiilor de transport cuantic [Stefanucci,Haug, Petrucione] si optica cuantica [Haroche] rezida tocmai in caracterul exhaustiv si foarte tehnic al acestora. Metodele teoretice asociate sunt introduse intr-un cadru cat mai general care sa permita ulterior abordarea a cat mai multor exemple si directii. Aceasta strategie este potrivita pentru cei care sunt deja familiarizati cu aceste metode si urmaresc sa devina experti, dar este foarte putin utila pentru tinerii cercetatori care sunt la primul contact cu unele abordari formale. Pe de alta parte, exemplele care se pot rezolva exact sunt foarte putine si ofera rareori o imagine clara asupra puteri de calcul si predictie a unei metode teoretice. In ultimii ani se constata un interes tot mai ridicat pentru dezvoltarea de coduri numerice specifice unor domenii sau chiar metode. Printre exemple enumeram SciPy (Scientific Computing Tools for Python), o baza redutabila de pachete de calcul numeric open access pentru probleme din fizica si platforma QuTiP (Quantum Toolbox in Python) special dedicata problemelor de transport si optica cuantica. Astfel de programe se dovedesc tot mai utile nu numai ca baza de aplicatii pentru doctoranzi si masteranzi ci si pentru obtinerea de rezultate originale . Avantajul evident al acestor pachete este ca aparatul teoretic este prezentat simultan cu instructiuni de programare foarte prietenoase in raport cu pachetele comerciale de tip Siesta, Comsol, Amsys.

Se poate constata de asemenea ca la universitati de prestigiu exista deja cursuri de masterat care imbina aspectele pur formale cu implementarea numerica a acestora.

Avand in vedere aceste lucruri este clar ca in prezent abordarea temeinica a unor metode teoretice avansate nu mai poate fi facuta fara a experimenta macar la nivel introductiv si aplicatiile acestora prin calcul numeric

High-Performance Computing (HPC) inseamna efectuarea unor calcule complexe cu retele de calculatoare de inalta performanta, adica capabile sa efectueze calcule cu viteze de 1018 (exascale) floating point operatii pe secunda. Reprezinta o resursa strategica pentru viitor, care permite cercetatorilor sa studieze, sa inteleaga si sa prevada fenomene complexe din toate domeniile, stiintifice, tehnologice, economice, sociale, etc. HPC face obiectul unei competitii globale, multe tari dintre cele mai importante, SUA, Japonia, Rusia, China, Brazilia, India, au anuntat deja programe ambitioase pentru constructia noii generatii de HPC cu performante exascale. Europa are de asemenea planuri ambitioase, UE a adoptat in 2012 o strategie in domeniu, care va fi implementata in cadrul programului 2020 prin 3 directii: 1) dezvoltarea noii generatii de tehnologii HCP, aplicatii si sisteme de exascale;

  • accesul la cele mai bune supercalculatoare si servicii atat pentru industrie cat si pentru mediul academic; 3) dobandirea de excelenta in HPC, aplicatii (stiintifice si industriale), livrare si utilizare.

2.3. Contribuţia ştiinţifică/tehnică: ……………..

  • Cartografierea suprafețele feroelectrice prin spectro-microscopie de fotoelectroni. Se vor dezvolta pachetele software împărțite în două categorii: (A) Analiza primară și vizualizarea datelor, pentru extragerea rapidă a informațiilor celor mai relevante; (B) Analiza automată a datelor prin fitări ale spectrelor experimentale și reprezentarea parametrilor relevanți obținuți din fitare.

(A) Pentru analiza primară a datelor, va fi vorba (i) de posibilitatea de a se selecta un punct (coordonate spațiale date) și reprezentarea practic instantanee a spectrului de fotoelectroni corespondent (date 3D) sau a seriilor de spectre la unghiuri diferite (date 4D), astfel încât prin baleierea regiunii spațiale să se vizualizeze informația spectrală; (ii) în al doilea rând, va fi vorba de selectarea unei “regiuni de interes” într-un spectru și plotarea cât mai rapidă a intensității integrate pe această regiune, pentru a pune în evidență contrastele spațiale; (iii) pentru evoluțiile temporale, va fi vorba despre asamblarea spectrelor sau imaginilor rezultate la momente diferite de timp prin crearea de “filme” ale evoluțiilor corespunzătoare. Toate aceste facilități se realizează printr-o gestiune adecvată a evenimentelor posibilă sub platforma Igor Pro. De asemenea, această platformă permite și realizarea de filme.

(B) Pentru analiza automată a spectrelor, se vor folosi programele de simulare deja existente prin analiza cu profile Voigt [[TEO1994, MAR2007] sau asimetrice de tip Fano [TEO1997], precum și alte profile; aceste rutine de simulare care folosesc facilitatea CurveFitting a platformei Igor Pro vor fi integrate în programe automate de analiză, împreună cu capturarea parametrilor importanți de fitare (de exemplu energii de legătură, amplitudini, parametri de asimetrie etc.) și reprezentarea lor în funcție de coordonate spațiale; posibil, de asemenea, realizarea de filme ale evoluției temporale a acestor parametri.

  • Dezintegrarea beta super-permisa (DBSP). Ne propunem sa investigam problema unitaritatii matricii CKM [HT2015]. Pe de o parte, se vor dezvolta si testa coduri numerice performante pentru calcul FSF si, pe de alta parte vom alege cele mai noi valori experimentale pentru marimile de interes pe fiecare tranzitie beta super-permisa. In urma acestui studiu ne propunem obtinerea valoarii Vud cu o precizie mai buna. Ulterior, folosind marimile din literatura pentru restul elementelor matricii CKM, putem face o estimare precisa a gradului de unitaritate a acesteia.

Tot in cadrul studiul dezintegrarii beta, ne propunem abordarea unui subiect complet nou, inclusiv pe plan mondial, acela al efectelor actiunii unui laser de mare putere asupra mecanismului dezintegrarii beta. In ultimii ani, tehnologia laser s-a dezvoltat intr-un ritm alert facand posibila investigarea experimentala a ipotezelor teoretice. Un model simplist pentru acest fenomen poate fi dat de dezintegrarea beta a muonului. Ne propunem pentru inceput studierea modificarii timpului de viata al muonului .

Dezintegrarea beta dubla : ne propunem

  • testarea simetriei Lorentz, prin compararea distributiilor energetice si unghiulare a spectrelor electronilor emisi in DBD calculate teoretic cu cele rezultate din masuratori experimentale precise
  • dezvoltarea unor coduri performante de calcul a elemente de matrice nucleare si a factorilor spatiu de faza pentru mecanisme extice de producere a dezintegarii beta duble fara emisie de neutrini. Studiul asteroizilor bazaltici. Pe baza datelor compilate în cadrul catalogului MOVIS, ne propunem să efectuăm o clasificare spectrofotometrică a unui eșantion de asteroizi bazaltici prin corelarea indiciilor de culoare a acestora cu spectrele unui grup de meteoriți diferențiați utilizând diferiți algoritmi de clasificare (KNN, Random Forest etc) din suita de algoritmi puși la dispoziție de domeniul machine-learning. De asemenea, rezultatele obținute în ceea ce privește compoziția mineralogică a asteroizilor vor fi comparate cu rezultatele spectrale obținute în literatură

Tutoriale/pachete de programe specifice

  • Elaborarea de tutoriale pentru analiza fenomenelor de transport in sisteme cu dimensionalitate redusa.

High perfopmance computing.

  • Elaborarea unei strategii de dezvoltare a unui cluster performant de calcul care sa faciliteze calcule numerice de amploare si abordarea cu succes a unor tematici noi, interdisciplinare, de cercetare.

Referinte

[POP2015] D.G. Popescu, M.A. Huşanu, L. Trupină, L. Hrib, L. Pintilie, A. Barinov, S. Lizzit, P. Lacovig, and C.M. Teodorescu, Phys. Chem. Chem. Phys. 17, 509–520 (2015).

[HUS2015] M.A. Huşanu, D.G. Popescu, C.A. Tache, N.G. Apostol, A. Barinov, S. Lizzit, P. Lacovig, and C.M. Teodorescu, Appl. Surf. Sci. 352, 73–81 (2015).

[ABR2017] L.E. Abramiuc, L.C. Tănase, A. Barinov, N.G. Apostol, C. Chirilă, L. Trupină, L. Pintilie, and C.M. Teodorescu, Nanoscale 9, 11055–11067 (2017).

[TEO1994]C.M. Teodorescu, J.M. Esteva, R.C. Karnatak, and A. El Afif, Nucl. Instrum. Meth. Phys. Res. A 345, 141–147 (1994).

[MAR2007] D. Mardare, D. Luca, C.M. Teodorescu, D. Macovei, Surf. Sci. 601, 4515–4520 (2007).

[TEO1997] C.M. Teodorescu, J.M. Esteva, R.C. Karnatak, A. El Afif, M. Womes, J. Phys. B: At. Mol. Opt. Phys. 30, 4293–4313 (1997).

[UNS14]J. J. Un-Nabi and S. Stoica, Astrophys. & Space Science, 349, 843 (2014).

[SS16] S. Stoica, M. Mirea, O. Nitescu, J. Un Nabi and Z. Iftikhar, AHEP 2016, ID8729893 (2016).

  • Stoica, Phys. Rev. C 49 (1994) 2240; S. Stoica, Phys.Lett. B350, 152 (1995); S. Stoica, H.V. Klapdor-Kleingrothaus, Nucl.Phys.A 694, 269 (2001); Horoi, Stoica, Phys.Rev. C 81, 024321 (2010); A. Neacsu and S. Stoica, J. Phys. G: Nucl. Part. Phys. 41, 015201 (2014).

[SM2013] – S. Stoica and M. Mirea, Phys. Rev. C 88, 037303 (2013). [MPS2015] – M. Mirea, T.E. Pahomi, S. Stoica, Rom. Rep. Phys. 67 (2015).

  1. [HT2009] – J. C. Hardy and I. S. Towner, Phys. Rev. C 79, 055502 (2009)
  2. [W2005] – D.H. Wilkinson, Nucl. Instr. and Meth. A 543 (2005) 497
  3. [S1994] – A. Sirlin, in Precision Tests of the Standard Electroweak Model, edited by P. Langacker (World Scientific, Singapore, 1994)
  4. [HT2015] – J. C. Hardy and I. S. Towner, Phys. Rev. C 91, 025501 (2015).

[GK90] K. Grotz, H.V. Klapdor, The Weak Interaction in Nuclear, Particle and Astrophysics, IOP, Bristol, 1990.

[LMP03] K. Langanke, G. Martinez-Pinedo, Rev. Mod. Phys. 75, 819 (2003).

[SAR05] P. Sarriguren, R. Alvarez-Rodriguez, and E. Moya de Guerra, Eur. Phys. J. A 24, 193 (2005) [AE08] F. T. Avignone, S. R. Elliott, and J. Engel, Rew. Mod.Phys. 80, 481 (2008).

[VES12] J.D.Vergados, H. Ejiri, and F. ˇSimkovic, Rep. Prog. inPhys., 75, 106301 (2012). [POP2016] Popescu et al 2016, Near-infrared colors of minor planets recovered from VISTA-VHS, A&A Volume 591, id.A115, p. 18.

[LIC2017] Licandro, J., Popescu et al . V-type candidates and Vesta family asteroids in the Moving Objects VISTA (MOVIS) catalogue. A&A, 600, A126.

[IEV2016] Ieva et al 2016, Spectral characterization of V-type asteroids – II. A statistical analysis, Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, Volume 455, Issue 3, p.2871

[BRA2017] Brasil, et al, 2017 Scattering V-type asteroids during the giant planets instability: A step for Jupiter, a leap for basalt, MNRAS, Volume 468, Issue 1, p.1236.

[Stefanucci ] G. Stefanucci, and R. van Leeuwen, „Nonequilibrium Many-Body Theory of Quantum System, A Modern Introduction”, Cambridge University Press, Cambridge, 2013. [Haug] H. Haug, and A.-P. Jauho: „Quantum Kinetics in Transport and Optics of Semiconductors”, Springer Series in Solid State Sciences 123, 2nd Edition. Springer, Berlin, (2007).

[Petrucione] H. P. Brauer, F. Petrucione, „The theory of open quantum systems”, Oxford University Press (2007).

[Haroche] S. Haroche, J. M. Raimond, „Exploring the quantum: Atoms, Cavities and Photons”, Oxford Graduate Texts (2006).

[VM1] V. Moldoveanu, H. D. Cornean, and C-A. Pillet, Nonequilibrium steady states for interacting open systems: Exact results, Physical Review B 84, 075464 (2011).

[VM2] V. Moldoveanu, V. Gudmundsson, A. Manolescu, Transient regime in nonlinear transport through many-level quantum dots, Physical Review B 76, 085330 (2007).

[VM3] V. Moldoveanu, I. V. Dinu, R. Dragomir, and B. Tanatar, ”Light-hole exciton mixing and dynamics in Mn-doped quantum dots”, Phys. Rev. B 93, 165421 (2016).

[VM4] V. Moldoveanu, I. V. Dinu, B. Tanatar, C. P. Moca, ”Quantum turnstile operation of single-molecule magnets”, New Journal of Physics 17, 083020 (2015).

  1. REZULTATE ESTIMATE, VALORIFICARE

5.1. Rezultate estimate:

  • testarea unitaritatii matricii CKM si estimarea elementului Vud
  • calculul produselor elementelor de matrice nucleare si factorilor spatiu de faza pentru dezintegrarea beta dubla
  • testarea invariantei Lorentz din studiul dezintegrarii beta duble
  • tutorial pentru metode teoretice avansate dedicate fenomenelor de transport în sisteme cu dimensionalitate redusa.
  • realizarea unui pachet software performant și multifuncțional pentru analiza datelor multidimensionale rezultate din spectromicroscopie
  • modul pentru studierea efectului de blocada Coulombiana.
  • program de rezolvare a ecuatiei Lindblad in vederea studierii dinamicii sistemelor mezoscopice deschise.
  • tutorial pentru metode teoretice avansate în optica cuantica mezoscopica.
  • modul pentru studiul efectelor de recombinare optica si disipatie in doturi cuantice imersate in nanocavitati.
  • program pentru calculul starilor excitonice si biexcitonice in doturi cuantice
  • generalizarea modelului Jaynes-Cumings din optica cuantica la sisteme mezoscopice
  • modul pentru calculul splitting-ului Rabi si a starilor „imbracate” in optica cuantica mezoscopica.
  • determinarea timpului de viata a muonului in prezenta unui camp laser puternic
  • elaborarea unui studiu privind configuratia unui cluster de calcul performant si liniile directoare pentru dezvoltarea acestuia, in cadrul INCDFM-CIFRA care sa permita abordarea cu succes a unor tematici noi de cercetare in domenii stiintifice si tehnologice.

5.2. Efecte ale aplicării rezultatelor estimate prin:

  • Pregatirea urmatoarelor generatii de cercetatori in domeniul fizicii in general, al fizicii starii condensate in special
  • Realizarea unor pachete educationale utile pentru elevi si studenti

5.3. Principalul grup țintă al rezultatelor cercetării:

  • grupuri de cercetatori care lucreaza in domeniile decrise in proiect. Deoarece in proiect se abordeaza teme de fizica materialelor, fizica atomica si nucleara, astrofizica, fizica neutrinilor, teorie de camp, estimam un larg interes pentru rezultatele obtinute in cadrul acestui proiect atat pe plan national cat si international.
  • echipe de utilizatori care lucreaza in domeniile in care vor fi realizate tutoriale/pachete de programe in regim de „open source”.
  • grupuri de tineri cercetatori, din tara si strainatate, care vor dori perfectionarea pregatirii lor in domeniile de cercetare ale proiectului.

5.4. Efecte socio-economice estimate:

Pachetele de programe-tutoriale vor fi distribuite în regimul “open source”, deci nu se estimează că va fi comercializat. Însă aceasta va conduce la posibilitatea ca echipele din România să beneficieze de alte dezvoltări ale partenerilor din domeniu pe plan internațional, tot pe principiul “open source”. Principalul rezultat palpabil va fi creșterea prestigiului echipelor din INCDFM-CIFRA, obținerea unui număr important de citări în literatura de specialitate, care deschid posibilitatea cooptării echipelor în multiple colaborări internaționale (proiecte europene sau cu parteneri industriali, etc.)

5.5 Modul de diseminare a rezultatelor obținute:

  • cursuri de formare profesionala pe tematicile de cercetare ale proiectului
  • pachetele de programe (tutoriale) distribuite în regimul “open source”
  • comunicari la conferinte interne si internationale
  • organizare de workshop-uri si Scoli de vara internationale

5.6 Modul de valorificare a rezultatelor estimate:

  • cresterea vizibilitatii INCDFM-CIFRA prin promovarea și diseminarea rezultatelor obtinute in cadrul proiectului.
  • imbunatatirea pregatirii profesionale a membrilor proiectului si atragerea altor (tineri) cercetatori pentru a lucra in cadrul tematicilor proiectului.
  • creșterea eficienței si timpilor de abordare a unor tematici de cercetare si de exploatare experimentale a datelor complexe prin elaborarea unor tutoriale specifice
  • publicarea de articole stiintifice in reviste ISI si comunicari la conferinte nationale si internationale
  • valorificarea rezultatelor proiectului prin reteua de centre UNESCO din care face parte CIFRA
  • mentinerea si initierea noi unor colaborari internationale, inclusiv cu grupuri de cercetare din zone dinafara UE.

5.7 Protecția proprietății intelectuale:

Pachetele educationale si tutorialele vor fi protejate prin drepturi de autor.

5.8 Aportul rezultatelor obținute prin proiect la îndeplinirea obiectivelor stabilite pentru Programul-nucleu în corelare cu Strategia proprie a instituției, respectiv cu SNCDI 2014-2020: Rezultatele obtinute vor duce la indeplinirea obiectivelor INCDFM referitoare la dezvoltarea CIFRA conform Acordului dintre Guvernul Romaniei si UNESCO.

In ceea ce priveste SNCDI 2014-2020, prezentul proiect adreseaza partea de Cercetare Fundamentala, fiind axat mai mult pe modelari teoretice, simulari ale unor spectre experimentale si dezvoltare de pachete de programe pentru calcul numeric dar si pentru formare profesionala/educatie.

  1. ALTE INFORMATII CARE PROMOVEAZĂ/SUSȚIN PROIECTUL

Centrul International de Pregatire Avansata si Cercetare in Fizica (CIFRA) este o institutie sub egida UNESCO, creata printr-un Acord semnat intre Guvernul Romaniei si UNESCO, la initiativa guvernului. Prin acest Acord, Ministerul Cercetarii si Inovarii este ministerul desemnat sa sustina si sa monitorizeze activitatea CIFRA. Prezentul proiect poate fi considerat, conform Acordului, un instrument de sustinere a Centrului.

CIFRA este singurul centru UNESCO in stiinte de baza din Balcani, face parte din reteaua de institutii UNESCO (cca. 70, in toate domeniile), iar proiectul si rezultatele lui vor fi diseminate si utilizate si in cadrul legaturilor directe, existente intre aceste institutii. In plus, CIFRA, prin Acord, este partener cu Abdus Salam International Center for Theoretical Physics- Trieste, Centru UNESCO cat. 1, iar acest proiect este un atu important al CIFRA de a-si sustine activitati de cercetare si formare in parteneriat si cu acest prestigios centru. Succesul acestui parteneriat ar putea face din Romania un centru regional „donor” de educatie si cercetare.

  1. DECLARAȚIILE SOLICITANTULUI

 

Reprezentant legal
DIRECTOR GENERAL Responsabil proiect
Dr. Ionut Marius Enculescu Sabin Stoica

 



Back to top

Copyright © 2021 Centre International de Formation et de Recherche Avancées en Physique. All Rights Reserved