 
СПИСОК ИСПОЛНИТЕЛЕЙ
Руководитель темы д.ф.-м.н. М.В.Либанов (введение, заключение)
19.01.2017
Исполнители темы:
д.ф.-м-н. Красников Н.В. (раздел 1)
19.01.2017
д.ф.-м-н. Ткачёв И.И. (раздел 2)
19.01.2017
д.ф.-м-н. Ряжская О.Г. (раздел 3)
19.01.2017
д.ф.-м-н. Куденко Ю.Г. (раздел 4)
19.01.2017
РЕФЕРАТ
Отчёт содержит: 145 с., 43 рис., 2 табл.
БОЛЬШОЙ АДРОННЫЙ КОЛЛАЙДЕР, КОМПАКТНЫЙ МЮОННЫЙ СОЛЕНОИД, СТАНДАРТНАЯ МОДЕЛЬ, ТЯЖЁЛОЕ НЕЙТРИНО, ПРАВЫЙ W-БОЗОН, РЕЛЯТИВИСТСКИЕ ЭНЕРГИИ, ОСЦИЛЛЯЦИИ нейтрино, АДРОННЫЙ АКСИОН, ПЕНТАКВАРК.
В отчёте представлены результаты фундаментальных и прикладных работ, проведённых по государственному заданию в соответствии с планом научных исследований ИЯИ РАН на 2016 год.
Объектом исследования являются модели физики элементарных частиц за пределами Стандартной модели, в частности суперсимметричные теории и теории с дополнительными пространственными измерениями, расширения Стандартной модели, содержащие стерильные нейтрино, в рамках которых можно интерпретировать экспериментальные данные об осцилляциях нейтрино и тёмной материи, модифицированные теории гравитации, в том числе теории с нарушенной Лоренц-инвариантностью, модели физики и астрофизики космических лучей сверхвысоких энергий, методы Монте-Карло моделирования атмосферных ливней, процессы, происходившие в ранней Вселенной, такие как процессы фазового перехода, генерации барионной ассиметрии, образования структур, процессы, происходившие на инфляционной стадии.
Цель работы — построение новых теорий и моделей физики высоких энергий, способных решить широкий круг проблем современной теоретической физики, возникающих на стыке сразу нескольких направлений, таких как физика элементарных частиц, астрофизика и космология, а также обеспечение достижения научных результатов мирового уровня, подготовка и закрепление в сфере науки и образования научных и научно-педагогических кадров, формирования эффективных и жизнеспособных научных коллективов.
Основным инструментом для исследования процессов и явлений в физике элементарных частиц и космологии был использован аппарат квантовой теории поля, квазиклассическое приближение, методы теории симметрий а также суперсимметрий. В рамках НИР этот математический аппарат был существенно развит и дополнен новыми методами, позволяющими получить количественные характеристики экспериментально наблюдаемых величин, таких как время жизни частиц, сечение рассеяния, вероятность туннельного прохождения и так далее. При исследовании как равновесных, так и неравновесных процессов, происходивших в ранней Вселенной, были использованы методы квантовой теории поля при конечных температурах, которые являются синтезом методов квантовой теории поля и статистической физики. Для решения задач, не поддающихся аналитическому исследованию, были использованы пакеты программ, такие как LatticeEasy, CompHEP, microOMEGAs, HYDJET++, CASCADE, PYTHIA, NMSSMTools и другие.
В отчёте представлены результаты фундаментальных и прикладных работ, проведённых по государственному заданию в соответствии с планом научных исследований ИЯИ РАН на 2016 год. Из полученных результатов можно выделить следующие важнейшие результаты работ.
В области теоретической физики:
Получены новые решения модели кротовой норы, поддерживаемой духовым скалярным полем.
Продемонстрировано правильное применение метода фиксации масштаба сильных взаимодействий в выражениях для экспериментально измеряемых величин.
Предложен новый способ пересуммирования поправок теории возмущений в КХД для двух извлекаемых из экспериментальных данных характеристик КХД.
Исследована зависимость результатов для «полюсных» и «бегущих» масс тяжёлых кварков, вычисленных в четвёртом порядке теории возмущений, от числа ароматов кварков. Сделан вывод, что определение как полюсной, так и бегущей массы тяжёлого t-кварка из экспериментальных данных является непротиворечивым.
С учётом конформной симметрии, имеющей место в суперсимметричной квантовой электродинамики при некоторых допущениях, были получены явные трёх-петлевые поправки теории возмущений порядка alpha^4 N_f^2 с помощью регуляризации посредством размерной редукции. Явно сформулирована выделенная схема конечных перенормировок, в котором НШВЗ-соотношение выполняется в третьем порядке теории возмущений.
Показано, что асимметричная тёмная материя может распадаться на фотоны с круговой поляризацией.
Был изучен вопрос о том, насколько перенормируемая теория гравитации с квадратом тензора Вейля в действии совместима с космологией. Найдено, что если потребовать время жизни духа больше возраста Вселенной, то эта степень свободы начинает доминировать в поздней Вселенной, что несовместимо с данными наблюдений.
Получены предсказания для индуцированного распада нуклонов в классе моделей с асимметричной тёмной материей, который носит название "хилогенезис". Одной из наиболее ярких сигнатур, присущих данной модели, является предсказание существования распадов протона и нейтрона, индуцированных столкновениями с частицами тёмной материи.
Показано, что избыток событий в экспериментах ATLAS и CMS в реакциях с двумя фотонами в конечном состоянии с инвариантной массой около 750 ГэВ можно объяснить распадом сголдстино - частицы, возникающей в суперсимметричных теориях с низким масштабом нарушения суперсимметрии.
Проанализированы нейтринные данные Байкальского телескопа НТ-200, набранные за 1998-2003 год с целью поиска нейтринного сигнала от аннигиляции частиц тёмной материи в центре Галактики. Получены верхние пределы на сечения аннигиляции частиц тёмной материи для нескольких каналов аннигиляции.
Изучено нарушение лептонного числа в суперсимметричных моделях с низким масштабом нарушения суперсимметрии, содержащими лёгкую скалярную частицу — сголдстино. Показано, что смешивание сголдстино с легчайшим бозоном Хиггса приводит к изменению соответствующих констант связи и может приводить к распаду бозона Хиггса на mu tau, нарушающему лептонный флейвор. Изучены феноменологические следствия такого сценария.
Изучена феноменология расширения минимального сценария с расщеплённой суперсимметрией, в котором имеется дополнительное синглетное суперполе и его компоненты остаются лёгкими после нарушение суперсимметрии. Исследована возможность генерации барионной асимметрии Вселенной в результате механизма электрослабого бариогенезиса в рамках данной модели.
Изучены общие свойства электромагнитных каскадов, инициированных частицами сверхвысоких энергий.
Проведено сравнение предсказаний модели с оценкой диффузного фона из наблюдений орбитального телескопа Ферми, а также с ограничениями эксперимента IceCube на диффузный поток нейтрино выше 10 ПэВ.
Изучена возможность объяснения наблюдаемого в эксперименте IceCube, в диапазоне энергий свыше 30 ТэВ, потока нейтрино взаимодействиями космических лучей с газом в гало Млечного Пути и других галактик.
Получены новые ограничения на ширины распада частиц сверхтяжёлой тёмной материи путем сравнения сопутствующих потоков фотонов ультравысоких и сверхвысоких энергий с современными ограничениями.
Найдено решение нелинейных уравнений поля, описывающее провал плотности заряда в однородном устойчивом конденсате.
Изучено влияние дополнительных полей на существование и стабильность классических решений теории поля.
Разработан феноменологический подход описания рождения частиц в сильных гравитационных полях.
Рассмотрен сценарий с распадающейся холодной тёмной материей. Показано, что в рамках такого сценария можно ослабить имеющееся расхождение между прямыми измерениями постоянной Хаббла, а также данными, полученными миссией Planck.
Получены ограничения на параметры модели распределения горячего газа в гало Млечного пути при помощи меры дисперсии пульсаров.
Представлен новый аналитический подход для описания крупномасштабной структуры Вселенной в слабо-нелинейном режиме, сформулирована пертурбативная техника для вычисления нелинейных поправок к космологическим корреляторам, с помощью которой были учтены инфракрасные эффекты, влияющие на барионные акустические (сахаровские) осцилляции.
Получено ограничение на скорость распространения гравитационных волн из временной задержки между детектированием сигналов лаборатории LIGO в Ханфорде и Ливингстоне от события GW150914.
Исследована гипотеза о том, что источником космических лучей являются новорожденные пульсары. Показано, что в этом случае они должны иметь диффузные гамма-гало, созданные взаимодействием космических лучей с межзвёздным газом. Поставлены ограничения на светимости гамма-гало, которые свидетельствует, что вклад пульсаров в полную энергию космических лучей подавлен в диапазоне энергий ГэВ-ТэВ.
Произведено вычисление критических индексов, соответствующих пороговым
сингулярностям в различных корреляторах одномерных моделей многих частиц.
В теории гравитации, в которой кручение пространства-времени выступает в роли динамической переменной, получены самоускоряющиеся решения. Исследован спектр малых скалярных возмущений на фоне данного решения.
Показано, что в оригинальной модели генезиса с галилеонами в некоторый момент появляются градиентные неустойчивости. Предложен сценарий обобщенного генезиса, в котором не возникает патологических степеней свободы на протяжении всей эволюции Вселенной.
Доказано обобщение теоремы о несуществовании отскока и кротовой
норы на лагранжианы галилеона, взаимодействующего с обычным скалярным
полем. Показано, что в моделях с отскоком присутствуют градиентные
нестабильности или сингулярности, а в моделях с кротовыми норами всегда появляются духи.
Проделана существенная работа по полному Монте-Карло моделированию установки детектирования широких атмосферных ливней ШАЛ-МГУ, необходимая для обработки архивных данных (1982-1990 гг.) эксперимента.
Рассмотрены модели тёмной материи, состоящей из частиц с массой 10^7 - 10^16 GeV, временем жизни существенно превышающем возраст Вселенной и распадающейся путем адронных взаимодействий. Предсказанные потоки фотонов и нейтрино, достигающие Земли, были сопоставлены с пределами на потоки фотонов, полученными в экспериментах Pierre Auger, Telescope Array, KASCADE, KASCADE-Grande, CASA-MIA и Yakutsk, а также с данными экспериментов IceCube и Pierre Auger по детектированию нейтрино сверхвысоких энергий.
Разработаны методы расчёта сечений взаимодействия нейтрино с ядрами при промежуточных (Е ~ 1 ГэВ) и высоких энергиях (Е >> 1 ГэВ). Были вычислены полные сечения рассеяния нейтрино для энергий 5 GeV < E < 1 TeV для ядер дейтерия, углерода и железа.
Исследован коллапс аксионных Бозе-звёзд сверхкритической массы, вызванный притяжением аксионоподобных частиц.
Данные результаты являются результатами мирового уровня в области теоретической физики.
В эксперименте Троицк-ню-масс: получено разрешение на приобретение и работу с радиоактивным тритием; модернизировано программное обеспечение сбора данных и отдельных элементов медленного контроля; проведено два полноценных сеанса измерений с радиоактивным тритием; выполнены калибровочные измерения с электронной пушкой по прецизионному исследованию функции пропускания электростатического спектрометра; получены спектры бета-электронов в распадах трития в интервале энергий 13-19 кэВ. На основании полученных данных даны предварительные оценки на верхний предел примеси тяжёлых нейтрино.
По проекту КАТРИН: рассчитаны спектры потерь энергии электронов в газовом источнике при упругом рассеянии на молекулярном водороде с учетом внутреннего движения атомов в молекуле трития; построены специальные статистические критерии для поиска примеси тяжёлого нейтрино в спектре бета-распада трития; предложен эксперимент по исследованию зависимости от энергии налетающих электронов сечения возбуждения электронных состояний молекул трития; разработана оболочка на языке Python для управления аппаратными средствами работающими под управлением ПО на языках C++/Qt; проводилось исследование детектора на базе микроканального лавинного фотодиода с быстрым временем восстановления.
В эксперименте мю2е проведено новое измерение энергетическое разрешение кристалла, с помощью современных электронных блоков по оцифровке формы сигналов с APDs (CAEN WDT 5742) которое позволяет улучшить на 38% энергетическое разрешение кристалла (σE/E = 0.13%/√Е) по сравнению с ранними измерениями с помощью аналого-цифровых преобразователей (АЦП) LeCroy ADC 2249A.
В теоретическом исследовании свойств ядерно-подобных систем c необычными свойствами, имеющими квантовые числа очарование или прелесть впервые проведена классификация и расчёты статических характеристик скирмионов в зависимости от их свойств при масштабном преобразовании.
Сделан вывод о несправедливости широко распространенного мнения о том, что диффузный гамма-фон в области энергий 100 ГэВ описывается вкладом неразрешённых блазаров, которые дают лишь до трети фона. Остальное может быть вкладом, каскада, индуцированного рождением пар протонами с энергией выше 1019 эВ.
При исследовании нанографитовых плёнок обнаружен эффект переключения проводимости при токах до 1А, обнаружен обратный эффект Джозефсона, предполагающий существование сверхпроводящей фазы; установлено, что если СП фаза есть, то она представляет собой вкрапления в несвехпроводящей матрице.
Построена электродинамическая модель фононного резонатора, которая обосновала реальность его конструкции и функциональных свойств. Экспериментально удалось освоить производство ультрадисперсных порошков различных металлов, что является первым шагом к экспериментальной реализации прототипа фононного резонатора.
Разработанная программа, моделирующая элементарный акт антинуклон-нуклонного взаимодействия при низких энергиях, передана разработчикам программного комплекса QGSM (Quark-Gluon String Model) для компиляции, что даст возможность прямого моделирования рождения "странности " адрон-ядерных и ядро-ядерных взаимодействиях; подготовлена программа для моделирования аннигиляции медленных антинейтронов на ядрах углерода, которая используется коллаборацией при проектировании детектора
Найдена устойчивая долготная структура магнитного поля Солнца, определена скорость и глубина зоны, где она генерируется, доказан неслучайный характер её существования.
Выполнены работы, предусмотренные очередным этапом участия сотрудников в эксперименте CMS, связаные с модернизацией адронного калориметра, фотоприемников, анализом набранных экспериментальных данных с целью поиска новой физики, выходящей за рамки Стандартной модели, разработкой новых методов реконструкции и анализа событий.
С участием сотрудников Института в эксперименте LHCb получены важные результаты: неподтверждение кандидата в тетракварки X(5568) в спектре инвариантных масс B0s π± ; наиболее точное измерение CKM угла γ из комбинации B→DK распадов.
Исследование кинематики частиц тёмной материи вокруг первичных чёрных дыр малых масс, а также вокруг сверхмассивных чёрных дыр в ядрах галактик позволило найти профиль плотности пиков тёмной матери и массу в пределах того или иного радиуса. В этих пиках плотности должна происходить аннигиляция частиц тёмной материи, поэтому данный эффект может представлять большой интерес для экспериментов по непрямой регистрации частиц тёмной материи посредством регистрации их продуктов аннигиляции (гамма-излучения и потоков заряженных частиц).
Полученные результаты находятся на уровне лучших мировых или превышают их и представляют собой существенное продвижение в фундаментальных исследованиях природных явлений.
СОДЕРЖАНИЕ
|
|
Реферат
|
3
|
Введение
|
11
|
Основные результаты
|
13
|
1 Отдел теоретической физики
|
13
|
2 Отдел экспериментальной физики
|
38
|
3 Отдел лептонов высоких энергий и нейтринной астрофизики
|
104
|
4 Отдел физики высоких энергий
|
114
|
Заключение
|
140
|
|
