НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ ЯДЕРНОЙ ФИЗИКИ им. Д.В.СКОБЕЛЬЦЫНА

Основные научные достижения 2002 г.

Продолжены (начатые в 2001 г.) исследования новой особенности в космическом излучении в области энергий 10¹⁴–10²¹ эВ методом широких атмосферных ливней (ШАЛ). Показано, что исследование распределений времен прихода ливней дает возможность обнаружить новые закономерности генерации космических частиц сверхвысоких энергий.

Проведенное исследование точности теоретических расчетов функции пространственного распределения заряженных частиц на больших расстояниях от оси ШАЛ показало, что традиционный подход, игнорирующий роль каскадов, возникающих от нейтральных пионов малых энергий (ниже нескольких ГэВ), занижает плотность на 10–15% на расстояниях порядка 1 км от оси ШАЛ, хотя вклад таких каскадов в полное число частиц не превосходит 1–2%. Показано, что этот результат существенен для анализа данных больших установок ШАЛ, нацеленных на изучение частиц предельно высоких энергий.

Исследование характеристик первичных космических лучей в энергетическом диапазоне 10¹⁴–10¹⁷ эВ методом ШАЛ проводилось на установке «Тунка». Установка состоит из 25 оптических детекторов, расположенных в квадрате со стороной 340 м и четырех детекторов на базе ФЭУ для изучения формы черенковского импульса от ШАЛ. Проводится дальнейшее расширение установки (новые оптические пункты регистрации на расстоянии 400 м от ее центра на основе сферического зеркала диаметром 1 м и помещенного в фокус зеркала ФЭУ).

По данным установки Тунка-25 восстановлен энергетический спектр космических лучей в районе «излома» спектра открытого ранее акад. Г.Б.Христиансеном с сотрудниками. Установлено, что спектр имеет резкий излом при энергии около 3 ПэВ. Ниже излома, т.е. от порога до энергии 2,5 ПэВ спектр имеет степенной вид с показателем g=2,67±0,01. При энергии выше 8 ПэВ спектр также может быть аппроксимирован степенной функцией с показателем g =3,11±0,05. В области энергий от 3 до 8 ПэВ спектр единой степенной функцией не описывается.

Для исследования первичного спектра космических лучей в диапазоне 10¹⁵–10²⁰ эВ создана специальная установка для регистрации отраженного от снежной поверхности черенковского света от широких атмосферных ливней. Установка состоит из сферического зеркала диаметром около 1 м и мозаики фотоумножителей, расположенных в фокальной поверхности (установка СФЕРА).

В 2002 г. было организационно оформлено участие НИИЯФ (совместно с ФИАН) в проведении измерений с установкой СФЕРА на базе Российской Антарктической станции Новолазаревская, начиная с 48-й Антарктической экспедиции. Установка СФЕРА подготовлена к работе в условиях Антарктиды. Для проведения измерений в Антарктиду командирован сотрудник института.

В эксперименте RUNJOB на основе анализа экспериментального материала, полученного в экспозициях эмульсионных камер в стратосфере на высоте 32 км с суммарным фактором экспозиции более 400 м² /час получены данные о спектре и зарядовом составе галактических космических лучей (ГКЛ) высоких энергий (20 ТэВ–1000 ТэВ). Увеличение в 2002 г. обработанного экспериментального материала на 40% и тщательное исследование возможных методических погрешностей не изменило сделанного ранее вывода о более низком по сравнению с экспериментом JACEE содержании ядер гелия и ядер CNO в области 30–100 ТэВ/частицу. Тестирование на основе эксперимента RUNJOB теоретических моделей образования спектра ГКЛ позволит продвинуться в решении фундаментальной проблемы современной астрофизики космических лучей – изучении происхождения, ускорения и механизмов распространения ГКЛ высоких энергий в межзвездной среде.

Анализ астрофизической информации (источников жесткого рентгеновского и гамма-излучений), полученной в ходе эксперимента ГРИФ на ОС «Мир», позволил определить физические характеристики всплесков жесткого рентгеновского и гамма-излучений, в том числе длительность, спектральную жесткость, флюенс и построить распределения по длительности и спектральной жесткости.

Показано, что распределения гамма-всплесков по наблюдаемым значениям длительности и спектральной жесткости могут быть выбраны исходя из данных по прямой идентификации гамма-всплесков с внегалактическими объектами.

Осуществлена идентификация некоторых мягких гамма- или жестких рентгеновских всплесков с транзиентным пульсаром GRO J 1744–28. На основе статистики мягких гамма-всплесков получена оценка расстояний до источников, которая указывает, что основное количество гамма-всплесков относится к эпохе красных смещений.

Проведено сравнительное комплексное исследование трех наиболее крупных вспышек (солнечных космических лучей) за период работы спутника «Коронас-Ф». Показано, что ускорение как протонов, так и электронов в них происходило на корональной и межпланетной ударных волнах. Исследована динамика границы проникновения в полярные шапки электронов с энергией выше 300 кэВ и радиационных поясов во время магнитной бури. Показано, что в главную фазу магнитной бури размеры магнитосферы резко уменьшаются, силовые линии, принадлежащие внешнему поясу, перебрасываются в полярные шапки и плазменный слой. На фазе восстановления внешний пояс формируется практически заново.

Выполнены экспериментальные исследования в области физики магнитосферы Земли на основе измерений на геостационарных ИСЗ ЭКСПРЕСС-А2 и -А3, на ИСЗ с эллиптической орбитой МОЛНИЯ-3К, на полярном ИСЗ МЕТЕОР-3М и на Международной космической станции с помощью приборов ДИЭРА, МСГИ и Р-16. Анализ полученных экспериментальных данных позволил определить, что необходимые условия для возникновения очень мощных потоков электронов с энергией > 2 МэВ (> 10⁴ см^–2с^–1стер) – высокая скорость солнечного ветра (<= 600 км/сек) и длительная высокая суббуревая активность на фазе восстановления бури. Сравнительный анализ вариации дозы радиации на станциях МИР и МКС во время возрастаний СКЛ показал определяющую роль вариаций широты геомагнитного обрезания в накоплении дозы радиации от СКЛ, в связи с чем предложен метод прогноза радиационно опасных возрастаний дозы.

Проведен анализ временных и спектральных характеристик жесткого рентгеновского излучения нескольких десятков солнечных вспышек, зарегистрированных в эксперименте с прибором СПР-Н (поляриметр жесткого рентгеновского излучения солнечных вспышек) на спутнике КОРОНАС-Ф. Для нескольких наиболее сильных событий получена оценка поляризации жесткого рентгеновского излучения солнечных вспышек. Дан верхний предел поляризации этого излучения для двух мощных вспышек, который позволяет определить анизотропию потоков энергичных электронов, ответственных за возникновение жесткого рентгеновского излучения, что в свою очередь ограничивает набор моделей ускорения частиц во вспышках.

Численными методами исследованы свойства новых композиционных материалов, разработанных для радиационной защиты космических аппаратов.

Методами электронной и оптической микроскопии исследованы процессы эрозии поверхности неметаллических материалов при бомбардировке твердыми высокоскоростными микрочастицами.

Экспериментально исследованы процессы потери заряда жидкими микрочастицами при их электростатическом ускорении в вакууме.

Ключевым вопросом в физике элементарных частиц остается описание и поиск бозона Хиггса, лежащего в основе современной теории – Стандартной модели. Найден новый режим в области определения параметров минимальной суперсимметричной стандартной модели, получивший название «интенсивного взаимодействия». Проведены вычисления сечений рождения всех бозонов Хиггса на коллайдерах нового поколения и ширин их распадов по всем доступным модам, которые обозначили проблемы и стратегию реального поиска бозонов Хиггса в таком режиме. Решена задача диагонализации хиггсовского потенциала с нарушенной СР инвариантностью в классическом локальном минимуме. В данной модели происходит расщепление спектра масс бозонов Хиггса и модификация вершин взаимодействия с их участием, что может проявиться при исследованиях на новом поколении коллайдеров. Обнаружено, что в шестимерном пространстве с тремя временными координатами существует нетривиальное решение уравнения компенсации для четырехчастичной функции Грина. В результате подтверждены предположения, сделанные при формулировке модели нарушения электрослабой симметрии, приводящей к предсказанию массы составной хиггсовой частицы в интервале 110–125 ГэВ.

Важное направление исследований связано с рождением узких резонансов в столкновении частиц на коллайдерах. В рамках полужесткого подхода КХД решена проблема согласованного описания процессов неупругого рождения J/Ш мезонов и структурных функций глубоко неупругого рассеяния при энергиях коллайдера HERA. Предсказана продольная поляризация J/Ш мезонов в процессах неупругого рождения при этих энергиях.

Определенный прогресс достигнут в изучении калибровочных теорий и гравитации. В рамках мгновенной формы релятивистской гамильтоновой динамики сформулирован новый подход к описанию электрослабой структуры составных систем, который дает адекватное описание элекстрослабых свойств составных кварковых систем. Найдены точные решения уравнений движения для линеаризованной гравитации в модели Рендалла–Сундрума и ее ньютоновский предел. Вычислено отклонение света и получен закон Ньютона в приближении нулевых мод, при этом явно выделен вклад радиона. При исследовании гравитационных и калибровочных моделей в пространстве–времени с дополнительными размерностями получено соотношение между временными вариациями ньютоновской гравитационной постоянной и постоянной тонкой структуры. С использованием имеющихся экспериментальных данных по линиям поглощения квазаров предсказаны временные вариации гравитационной константы. Разработан новый метод вычисления многопетлевых интегралов Фейнмана, основанный на разложении решений рекуррентных соотношений для данных интегралов в режиме большой размерности пространства–времени.

Проведены важные экспериментальные и методические исследования как на отечественных, так и на зарубежных ускорителях. Существенно модернизирована экспериментальная установка «Спектрометр с вершинным детектором (СВД–2)» на ускорителе ИФВЭ (Протвино), что позволило зарегистрировать около 50 млн неупругих протон-ядерных взаимодействий и отработать методику выделения двухчастичных распадов нейтральных D-мезонов на K- и r -мезоны.

Проведены разработка и радиационные испытания кремниевых детекторов для модификации трекера эксперимента D0 на коллайдере Теватрон (ФНАЛ, США). На основе WEB-технологий создана единая база данных событий, смоделированных методом Монте-Карло и ожидаемых на коллайдере. База широко используется физиками коллабораций D0, CDF, сотрудниками теоретического и компьютерного отделов ФНАЛ. Разработан новый метод оптимизации поиска бозона Хиггса, позволяющий существенно увеличить эффективность его поиска.

В результате анализа экспериментальных данных, полученных на коллайдере Теватрон на спектрометре SELEX, впервые обнаружен дважды очарованный барион Ξ cc⁺ с массой 3519±1 МэВ и кварковым составом ccd, входящий в барионные мультиплеты SU(4).

В эксперименте ZEUS на коллайдере ГЕРА (ДЭЗИ, ФРГ) анализ структуры померона в глубоконеупругих дифракционных процессах показал, что найденная величина померонного интерсепта превышает аналогичную величину в адрон-адронных взаимодействиях в модели мягкого померона, при этом глюоны в помероне несу