Masterproeven in de Theoretische Kernfysica en Neutrinofysica
Situatieschets
Het overgrote deel van de massa van de zichtbare materie in het universum is gelocaliseerd in de kernen van atomen. Dit gegeven is eerder verrassend als men beseft dat een kern slechts een verwaarloosbaar klein gedeelte van het totale volume van een atoom inneemt. Een kern wordt bevolkt door nucleonen (protonen en neutronen) en de manier waarop deze zich "bewegen" en "gedragen" in het nucleair medium wordt bepaald door de sterke wisselwerking. De fundamentele fysische theorie die de sterke wisselwerking beschrijft is kwantumchromodynamica (QCD). Alhoewel de basisvergelijkingen van QCD bij wijze van spreken op een postzegel passen, zijn ze uiterst moeilijk op te lossen. De fundamentele deeltjes/velden bij QCD zijn de quarks en gluonen. Er zijn overtuigende indicaties dat QCD een principieel correcte beschrijving van de sterke wisselwerking is en de eigenschappen van atomaire kernen ingebed zijn in zijn vergelijkingen. Toch is QCD theorie slechts beperkt "bruikbaar" wanneer het erop aankomt om de eigenschappen van de meest voorkomende vorm van subatomaire materie te begrijpen en te voorspellen. Inderdaad, vrije quarks en gluonen zijn niet in de natuur waargenomen en het precieze mechanisme dat hen bindt in hadronen (=een verzamelnaam voor alle deeltjes die de sterke wisselwerking ondergaan) is onbegrepen. Kort samengevat betekent dit dat er een fundamentele theorie (=QCD) is voor de meer exotische vormen van subatomaire materie zoals waargenomen in de grootste deeltjesversnellers en sommige stersystemen. Voor de meest voorkomende vorm van subatomaire materie, bijvoorbeeld zoals kernen zich meestal op aarde manifesteren, is er tot op de dag van vandaag geen echt bevredigende theorie. De fysica van kernen wordt beheerst door emergente fenomenen (zoals confinement). Dergelijke fysica wordt gedreven door niet-perturbatieve aspecten van kwantumchromodynamica en vergt andere vrijheidsgraden dan quarks en gluonen.

Om tot een meer bevredigende theorie te komen probeert men zoveel mogelijk experimentele informatie over kernen en zijn bewoners te bekomen. Om subatomaire materie in "beeld" te brengen kan men kernen en protonen beschieten met fotonen en leptonen met een zeer kleine golflengte. Dit gebeurt typisch aan onderzoeksinstituten die een grote elektronenversneller operationeel hebben. Aan dergelijke faciliteiten onderwerpt men protonen en kernen aan de elektrozwakke wisselwerking. Uit de manier waarop nucleonen en kernen daarop reageren kan men zich door een combinatie van theoretische modellering en experimentele waarnemingen een beeld vormen van wat er gebeurt op subatomair niveau.

Het theoretisch onderzoek in de Kernfysica van de Vakgroep Fysica en Sterrenkunde leunt ondermeer sterk aan bij de experimentele onderzoeksactiviteiten aan de elektronenversnellers van de Thomas Jefferson National Accelerator Facility (TJNAF, Newport News, USA) en de MAMI-faciliteit aan de Universiteit van Mainz. De TJNAF faciliteit is een elektronenversneller met zeer intense bundels en een maximale elektronenergie van 12 GeV. Deze grootschalige faciliteit is uniek in de wereld. Haar voornaamste wetenschappelijke opdracht is het verzamelen van de nodige experimentele gegevens omtrent het gedrag van nucleonen en kernen in het zogenaamde "confinement" regime van kwantumchromodynamica (QCD). Een belangrijk element van ons theoretisch onderzoek is de interacties van neutrino's met kernen. Ook op dit gebied zijn er nieuwe krachtige experimentele faciliteiten (zoals de MINERvA faciliteit aan Fermilab) die grote verwachtingen scheppen naar de kwaliteit en kwantiteit van de hoeveelheid meetgegevens. Deze nieuwe experimentele realiteiten vragen om aangepaste theoretische modellering.

Om de wetenschappelijke opdracht van bijvoorbeeld de TJNAF faciliteit (waarvan hiernaast een luchtfoto) succesvol te maken, is het essentieel dat de experimentele activiteiten ondersteund worden door parallel theoretisch onderzoek. Onze onderzoeksgroep heeft een jarenlange ervaring in de beschrijving en modellering van reacties waarbij kernen en nucleonen onder invloed van de elektromagnetische wisselwerking worden gebracht. Dit onderzoekswerk omvat ondermeer systematische studies met het oog op het uitdenken van nieuwe en meer efficiënte types van experimenten, theoretische bijstand aan groepen die voorstellen voor nieuwe experimenten uitwerken en finaal, concrete berekeningen die de interpretatie en analyse van de meetgegevens ondersteunen.

Afstudeerwerken in de Theoretische Kernfysica sluiten direct aan bij de onderzoeksonderwerpen die momenteel onze aandacht verdienen. Deze worden hierna kort besproken. Een weerslag van onze onderzoeksactiviteiten vind je ook in onze publicaties in de wetenschappelijke literatuur. Theoretische Kernfysica is een interdisciplinaire tak van de fysica waarbij technieken uit (kwantum)veldentheorie, relativistische kwantummechanica, veeldeeltjestheorie en computationele fysica worden aangewend. Er worden mogelijkheden tot eindwerken aangeboden die eerder formeel theoretisch, eerder computationeel of een mengsel van deze twee zijn. Ook alle suggesties van de student zijn welkom.

Kijk ook eens hier voor enkele voorbeelden van eindwerken die in het verleden in onze groep tot stand gekomen zijn.



Mogelijke titels van masterproeven in de Theoretische Kernfysica
Mogelijke titels van masterproeven in de Neutrinofysica
Masterproeven in de Statistische Fysica
Situatieschets

De studie van systemen met heel veel vrijheidsgraden vormt een theoretische uitdaging. Ludwig Boltzmann, één van de grondleggers van de statistische fysica, kwam tot het inzicht dat dergelijke systemen op statistische wijze bestudeerd kunnen worden. Een dergelijke benadering levert niet alleen een uiterst krachtig formalisme, het leert bovendien dat fysische fenomenen zoals faseovergangen doorgaans evenveel te maken hebben met de statistische eigenschappen van het systeem als met de details van de microscopische structuur van de interacties.

In de groep worden momenteel twee soorten complexe systemen bestudeerd met behulp van technieken uit de statistische fysica: veeldeeltjessytemen en financiële markten. Men noemt een systeem complex wanneer het kan beschreven worden met behulp van variabelen die sterk afhankelijk zijn van elkaar. Met andere woorden: complexe systemen zijn systemen die bestaan uit sterk interagerende entiteiten. Complexe systemen vertonen dikwijls emergent gedrag: het systeem gaat aan bepaalde wetmatigheden voldoen die niet direct gecodeerd zijn in de interactie tussen de verschillende entiteiten. De studie van complexe systemen is een relatief nieuw vakgebied in de fysica en heeft recent zijn weg gevonden naar biologie, sociologie, computerwetenschappen en economie. De belangrijkste vorm van informatie omtrent complexe systemen komt van computersimulaties. Hierbij wordt de theoretische basis gelegd met behulp van kennis opgebouwd rond de dynamica van stochastische systemen en de studie van kritische fenomenen (of tweede-orde faseovergangen) binnen de context van statistische fysica.

Een eindwerk in de statistische fysica omvat dikwijls een voorstudie van een fysisch probleem (literatuurstudie), het uitwerken van een gemiddeld-veld benadering voor dit systeem, en/of de verbetering van deze benadering met behulp van een meer exacte methode (bijvoorbeeld: Monte-Carlo, moleculaire dynamica en renormalizatie-groep methodes).

Mogelijke titels van masterproeven in de Statistische Fysica