ЗАЦЕПИН

ГЕОРГИЙ ТИМОФЕЕВИЧ

1917-2010

АКАДЕМИК РОССИЙСКОЙ АКАДЕМИИ НАУК,

доктор физико-математических наук,

профессор

Научная школа академика РАН Зацепина Георгия Тимофеевича

"Нейтринная астрофизика и исследование внутреннего строения Солнца, динамика процессов образования сверхновых звезд, свойства мюонов высокой энергии и нейтрино, взаимодействия частиц высоких и сверхвысоких энергий"

Начало школе, которая существует под руководством Георгия Тимофеевича Зацепина, было положено в начале 60-х годов прошлого столетия, когда в Физическом институте АН СССР была создана лаборатория "Нейтрино". Если во главе лаборатории встал очень талантливый и хорошо известный в мировом сообществе физиков, работающих в области космических лучей, доктор физико-математических наук, то основная часть научного состава была набрана из дипломников физфака МГУ, МИФИ, физтеха.

Позднее (1971 г.) эта лаборатория была переведена в качестве отдела ОЛВЭНА (отдел лептонов высоких энергий и нейтринной астрофизики) во вновь созданный институт Ядерных Исследований АН СССР. Бессменным руководителем этого образования более сорока лет являлся Георгий Тимофеевич.

В конце 50-х годов академиком АН СССР Моисеем Александровичем Марковым \1\ была выдвинута идея использовать природные нейтрино для изучения проблем слабых взаимодействий в физике элементарных частиц и проблем, связанных с астрофизикой Вселенной. В начале 60-х годов группа физиков (М.А. Марков, Г.Т. Зацепин, И.М. Железных, В.А. Кузьмин) опубликовали статьи (например, \2\), где были проанализированы принципиальные теоретические и экспериментальные возможности реализации обсуждаемой идеи: исследование поведения сечения взаимодействия нейтрино-нуклон как функция энергии нейтрино (в это время существовали данные из экспериментов на ускорителях до 10 Гэв), массы промежуточного бозона и т.д. Г.Т. Зацепиным была предложена принципиальная схема возможной установки (нейтринного телескопа). Для экранировки от различных компонентов космических лучей, которые составляют фон при регистрации нейтрино, установку надо поместить под большую толщу вещества. Для этого была выбрана гора Андырчи на Баксане. В тоннеле под этой горой были выкопаны две камеры глубокого залегания для экспериментов с атмосферными нейтрино и нейтрино от Солнца. Установки начали работать в конце 70-х и 80-х годов соответственно и работают по настоящее время. Наряду с предложением академика АН СССР Б.М. Понтекорво использовать для регистрации нейтрино от Солнца хлор-аргонный метод (нейтрино, взаимодействуя с хлором, переводит его ядра в ядра аргона, которые извлекаются из хлорсодержащего вещества и подсчитываются), который был реализован в эксперименте в США (Р. Дэвис в 2002 г. получил за реализацию этого эксперимента Нобелевскую премию), были рассмотрены в лаборатории "Нейтрино" и другие возможности. В частности, галий-германиевый метод (впервые предложенный В.А. Кузьминым) был реализован в данной школе в совместном Советско-Американском эксперименте (SAGE).

К наиболее ярким научным достижениям последних лет следует отнести экспериментальное обнаружение эффекта нейтринных осцилляций, которые возможны только при наличии массы у нейтрино. Однозначное заключение о существовании нейтринных осцилляций было сделано на основе анализа мировой совокупности экспериментальных данных по измерению потоков атмосферных нейтрино, солнечных нейтрино и по исследованиям нейтрино от реакторов. Эксперименты проводились в течение многих лет на крупномасштабных ядерно-физических установках во многих странах мира: Галлий-германиевый нейтринный телескоп ИЯИ РАН- SAGE, GALLEX и GNO (Италия), Хлор-аргоновый телескоп (США), SuperKamiokande и KamLAND (Япония), SNO (Канада). В 2002-3 годах в экспериментах с реакторными нейтрино (KamLAND (Япония)), было получено подтверждение вывода о существовании нейтринных осцилляций, полученного в экспериментах с атмосферными и солнечными нейтрино ранее. В 2003 году международная коллаборация SAGE продолжала на Галлий-германиевом нейтринном телескопе ИЯИ РАН уникальные измерения интегрального потока солнечных нейтрино. На основе полученного результата в SAGE, используя данные солнечных нейтринных экспериментов Homestake, SNO и реакторного эксперимента KamLAND впервые экспериментально получена величина фундаментального астрофизического параметра звездной эволюции - скорость рр-реакции в Солнце - изначальной реакции термоядерного синтеза в Солнце, являющегося источником солнечной энергии \3\.

Дж. Бакал, ведущий в мире специалист по теории генерации нейтрино на Солнце, в своей книге "Нейтринная астрофизика" (издательство "Мир", 1993) пишет, что "вклад советских ученых сыграл основную роль в развитии исследований в области нейтринной астрофизики". В частности, персонально были отмечены вклады Г.Т. Зацепина, В.А. Кузьмина (аспирант Г.Т. Зацепина 60-х годов), А.Ю. Смирнова (аспирант Г.Т. Зацепина конца 70-х годов), участников школы В.Н. Гаврина, Л.В. Волковой, сотрудника ОЛВЭНА В.С. Березинского. О Зацепине Бакал написал: "В течение 30 лет Г.Т. Зацепин воодушевлял специалистов по физике нейтрино во всем мире своими творческими идеями и спокойной мудростью".

Разрабатывается международный проект LENS, основной целью которого является спектрометрия солнечных нейтрино низких энергий. Ожидаемые результаты позволят окончательно подтвердить гипотезу осцилляций солнечных нейтрино и доказать существование эффекта резонансных осцилляций нейтрино. По этому проекту активно работают Г. Т. Зацепин, И. Р. Барабанов. В. И. Гуренцов, Е. А. Янович.

Последние годы в отделе продолжается разработка литиевого метода регистрации солнечных нейтрино.

В начале 60-х годов, реализуя описанную выше идею использовать природные нейтрино, в мире были созданы установки в Индии (глубокие золотоносные шахты в Колар Голд Филдз), США (штат Юта) и в Южной Африке (глубокая шахта по добыче золота). Результаты этих экспериментов и нейтринного телескопа Баксана (БНО-Баксанская нейтринная обсерватория) были доложены на организованных Г.Т. Зацепиным в 1968 и 1972 г. международных семинарах в Москве. Анализ данных, проведенный рядом авторских групп по полным зарегистрированным потокам атмосферных нейтрино, привел авторов к заключению, что линейный рост сечения нейтрино-нуклон прекращается при энергии нейтрино 10 Гэв. Однако, в анализе, проведенном Л.В. Волковой и Г.Т. Зацепиным , в котором Зацепин предложил проанализировать не только общий зарегистрированный поток, но и рассмотреть конкретные характеристики каждого отдельного зарегистрированного события, удалось показать, что это сечение линейно растет с ростом энергии нейтрино по крайней мере вплоть до энергии >100 Гэв. Этот результат был подтвержден на ускорителях только через 20 лет. Кроме того, в этом анализе нормировочное сечение было определено точнее (0.6 *10^-38 cm^2/nuclon), чем это было получено к тому времени на ускорителях (0.8 *10^-38 cm^2/nuclon).

Эксперименты с атмосферными нейтрино были продолжены на гигантских нейтринных телескопах нового поколения (Фреджюс, ЛВД, Камиоканде и др.) Основная проблема, которая решалась на этих установках, это изучение возможного эффекта осцилляций нейтрино. При анализе своих данных авторы используют результаты расчетов потоков атмосферных нейтрино и их характеристик, полученные в работе Л.В. Волковой \4\. Авторы считают, что согласовать теорию и эксперимент возможно, если считать, что эффект осцилляций имеет место. Авторы эксперимента, проведенного в Канаде, где измеряется не только дефицит мюонных потока нейтрино, но и могут быть приняты во внимание результаты измерения событий от нейтральных токов, подтверждают выводы выше упомянутых экспериментов. Теоретической основой для определения параметров осцилляций являются работы С.П. Михеева и А.Ю. Смирнова \5\.

В работе Г.Т. Зацепина и В.А. Кузьмина было показано, что из-за условий прохождения космического излучения через межзвездную среду (наличие реликтового излучения) протоны с энергией > 3*10^19 Гэв из-за потерь энергии не могут придти на Землю \6\. Однако, гигантские установки ШАЛ, созданные в последние годы (например, АГАСА), заявили, что они регистрируют такие протоны. Последнее вызвало чрезвычайный интерес к рассматриваемой проблеме. В мире появилось громадное количество печатных работ, где обсуждаются самые различные возможности объяснения наблюдаемым фактам. В частности, большой вклад в эти работы внесли работы участника школы Л.Г. Деденко. Все эти работы дают мощный толчок развитию теоретической физики космических лучей сверхвысоких энергий.

Изучение проблемы динамики процессов образования сверхновых звезд - одна из интереснейших проблем современной астрофизики. Регистрация потоков нейтрино, рождаемых в процессе коллапса звезд, может быть еще одним окном в изучении обсуждаемой проблемы. В 1965 году в соляных шахтах Украины под руководством Г.Т. Зацепина и О.Г. Ряжской участниками школы была создана установка "Коллапс", способная зарегистрировать нейтрино от коллапса сверхновой в нашей Галактике. Позднее (1975 г.) подобная советско-итальянская установка LVD была реализована под Монбланом (Италия). Сегодня первая из этих установок продолжает мониторинг регистрации, а вторая, будучи переведена в итальянскую лабораторию Гран Сассо, объявила о регистрации нейтринных событий во время вспышки сверхновой SN 1987 A. В работе \7\ предпринята попытка объяснить зарегистрированные события в рамках модели вращающегося коллапсара. Эти две установки входят в систему существующих в мире установок по регистрации взрывов сверхновых по нейтринному излучению.

Изучение мюонной компоненты космических лучей тесно связано с изучением проблем взаимодействия нуклонов с ядрами при высоких энергиях, недоступных ускорителям. Изучение таких мюонов является единственным источником информации, который необходим для вычисления потоков атмосферных нейтрино и их свойств. Знание этих потоков является совершенно необходимым для правильной интерпретации экспериментов, проводимых на современных и строящихся гигантских подземных, подводных, подледных нейтринных телескопах, надеющихся зарегистрировать космические нейтрино (диффузные и от точечных источников), так как атмосферные нейтрино являются основным фоном для таких экспериментов. Участниками школы были проведены исследования вклада чармированных частиц в обсуждаемые потоки (работа ведется непрерывно в течении последних сорока лет: с учетом наших изменяющихся представлений о механизме генерации чарма согласно данным экспериментов на ускорителях, анализа данных о мюонов космических лучей, нашим развивающимся взглядам на проблему с точки зрения современных моделей, основанных на квантовой хромодинамике). Впервые рассмотрен возможный вклад в мюонные и нейтринные потоки при очень высоких энергиях процессов генерации резонансов и Дрел-Яна процессов, имеющих место при ядерных взаимодействиях первичных протонов с ядрами атомов воздуха в атмосфере, и проведены количественные оценки.

В работе \8\ было предложено использовать потоки нейтрино для изучения внутреннего строения Земли. До сих пор эта идея, которая положила начало новой ветке наук в изучении внутреннего строения Земли нейтринной геофизике, является единственным из предложенных на сегодня прямым методом изучения распределения плотности вещества вдоль диаметра земного шара.

Метод рентгенэмульсионных камер (РЭК), разработанный для регистрации частиц с энергией E > 10¹² эВ с пространственным разрешением около 300 мкм, открыл путь в область сверхвысоких энергий благодаря возможности создавать установки с очень большой площадью. Примером такой установки является эксперимент "Памир". Эта установка, созданная в 70-х годах под руководством Г.Т. Зацепина, продолжает работать и сегодня. Ведущими сотрудниками являются участники настоящей школы и среди них сотрудники НИИЯФ МГУ, сотрудники ФИАН, сотрудники ИЯИ РАН. В 70-е годы максимальные энергии частиц, достижимые с помощью ускорителей, не превышали 100 ГэВ, в настоящее время, несмотря на бурное развитие техники коллайдеров, использующей встречные пучки сталкивающихся протонов, максимальная энергия взаимодействия при пересчете в лабораторную систему составляет 1.6*10¹⁵ эВ, а в эксперименте "Памир" зарегистрированы взаимодействия с энергией более 10¹⁷ эВ. На коллайдерах практически теряются самые быстрые вторичные частицы, рожденные при фрагментации налетающего ядра. Данные космических лучей, напротив, оказываются наиболее чувствительны к этой области множественного рождения. Именно во фрагментационной области сотрудничеством "Памир" впервые было обнаружено необычное явление "выстроенность" или компланарный разлет самых энергичных частиц, образованных при взаимодействии протонов (или ядер) с энергией более 10¹⁶ эВ с ядрами воздуха. Явление "гало" - наблюдение больших диффузных пятен на пленке, впервые зарегистрированных в РЭК на горах - оказалось также связано с рождением нейтральных пионов во фрагментационной части спектра вторичных частиц при энергии взаимодействия более 10¹⁵ эВ. Использование при анализе материалов из глубоких свинцовых РЭК позволило получить уникальную информацию о роли адронов в этих эффектах. В последнее время эффект "выстроенности", существование которого было подтверждено и результатами некоторых иностранных экспериментов, исследовался в НИИЯФ МГУ по данным эмульсионных камер, экспонированных в стратосфере при полетах баллонов-аэростатов на высоте около 30 км по маршруту Камчатка - Волга. По данным эксперимента RUNJOB было проведено исследование выстроенности и азимутальной анизотропии во взаимодействиях различных первичных ядер при энергиях порядка 10¹³ эВ. Теоретические расчеты показывают различные уровни фоновой (случайной) выстроенности для адронной компоненты от ядер разного типа. Экспериментальные данные не показали превышения доли событий с выстроенностью над расчетным фоном при данной энергии взаимодействия, что согласуется с нашей концепцией, основанной на анализе памирских данных, предполагающей появление эффекта компланарного разлета частиц при энергиях взаимодействия около 10¹⁶ эВ.

Исследование эффекта выстроенности в уникальном гамма-адронном стратосферном суперсемействе СТРАНА с энергией E₀ > 10¹⁶ эВ показало наличие ярко выраженного эффекта компланарного разлета наиболее энергичных адронов в этом событии. Следует подчеркнуть, что семейство СТРАНА является единственным в экспериментах по КЛ зарегистрированным случаем "чистого" взаимодействия при столь высокой энергии и оно обладает свойством выстроенности вторичных частиц! Интереснейшим свойством этого события являются также большие значения поперечных импульсов рожденных частиц. Связь между компланарностью разлета и увеличенными поперечными импульсами частиц предсказывались нами и другими авторами при попытках теоретической интерпретации выстроенности. Значения высоты взаимодействия над камерой и соответственно импульсов частиц в суперсемействе СТРАНА уточняются в ходе ведущегося в настоящее время анализа материалов.

Целью российско-японского баллонного эксперимента RUNJOB является получение достоверных экспериментальных данных о спектре и химсоставе галактических космических лучей (ГКЛ) высоких энергий (более 10 ТэВ/частицу вплоть до энергии излома). В этом эксперименте принимают участие с российской стороны НИИЯФ МГУ (головной институт), ФИАН им. П.Н.Лебедева, ИЯИ РАН и кафедра физики космических лучей физического факультета МГУ. Научным руководителем является академик Г.Т.Зацепин. Эксперимент позволит продвинуться в решении фундаментальной проблемы современной астрофизики космических лучей - изучении происхождения, ускорения и механизмов распространения галактических космических лучей (ГКЛ) высокой энергии в межзвездной среде.

В указанной энергетической области (10 ТэВ - 500 ТэВ) за последние 5 лет были выполнены 2 эксперимента: RUNJOB и ATIC (также международный эксперимент, в котором наряду с американцами участвует и Россия). Результаты ATIC были опубликованы только в 2003 г. Увеличение в 2003 году обработанного в эксперименте RUNJOB материала 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. Этот вывод в 2003 году был подтвержден независимыми данными эксперимента ATIC.

Институт ядерных исследований РАН (Москва) совместно с Объединенным институтом ядерных исследований (Дубна) разработали и создали новый прибор для регистрации слабых потоков световых квантов - полупроводниковый микроканальный детектор с внутренним усилением сигнала (патент РФ № 2212733 от 20 сентября 2003 г., приоритет от 22.03.2002, авторы И.М.Железных, З.Я.Садыгов и др.). Благодаря низкому рабочему напряжению (~100 В), высокой квантовой эффективности (до 80% в максимуме), большому коэффициенту усиления (10^3 - 10^5), а также относительно низкой стоимости полупроводниковые микроканальные детекторы с внутренним усилением сигнала могут найти широкое применение в качестве детекторов световых квантов и заряженных частиц как в фундаментальных исследованиях (ядерная физика, физика высоких энергий и др.), так и в прикладных областях (экология, дозиметрия, оптическое зондирование и др.).

Г.Т. Зацепин за большой вклад в физику космических лучей был удостоен в 1992 г. Ленинской премии. В 1998 году Г.Т. Зацепин и В.Н. Гаврин получили Государственную премию, а в 2001 году они получили международную медаль им. Бруно Понтекорво. В 1999 году международное сообщество физики космических лучей присудило Г.Т. Зацепину медаль О'Келли. Премия имени М.В. Ломоносова проф. Л.Г. Деденко и академику Г.Т. Зацепину за цикл работ "Эффект Грейзена-Зацепина-Кузьмина и новая физика" была присуждена решением Ученого совета МГУ им. М.В. Ломоносова от 16 декабря 2002 г.

Некоторые работы, выполненные членами школы имеют высокие индексы цитируемости по HEP (SPIRES-SLAC) database, например, \3\-370, \4\-216, \5\-1592, \6\-572.

За годы существования школы ее члены выросли от дипломников до докторов наук, кандидатов наук, а В.А. Кузьмин и О.Г. Ряжская были выбраны в члены-корреспонденты РАН. Многие члены школы являются членами ученых советов при ИЯИ РАН, МИФИ, НИИЯФ МГУ, физ-теха, членами приемных комиссий по сдаче кандидатских экзаменов, участвуют в рецензировании дипломлв, аппонировании кандидатских и докторских диссертаций.

Г.Т. Зацепин заведовал кафедрой физики космических лучей и физики космоса физического факультета МГУ до последних дней жизни (2010г.). Л.Г. Деденко-доцент кафедры общей физики физического факультета МГУ. И.М. Железных-преподаватель кафедры космофизики физико-технического института. На протяжении многих лет студенты и аспиранты упомянутых кафедр делали дипломы и защищали кандидатские диссертации под их руководством, а также в рамках лабораторий ОЛВЭНА.

Много лет работает научный семинар по тематике школы под руководством Г.Т. Зацепина. На этом семинаре проходят аппробацию научные работы физиков, работающих в рассматриваемой области знаний.

Участники школы представляют свои результаты на самых представительных международных конференциях, часто являясь приглашенными докладчиками.

В рамках тематики школы были получены десятки грантов РФФИ, ИНТАС и др. Конкурсные гранты, выполняемые в коллективе за 2003 г.:
РФФИ 01-02-16167, РФФИ 03-02-16436-а, РФФИ 03-02-16290-а, РФФИ 03-02-26891-з, РФФИ 03-02-16272, РФФИ 02-02-16433, РФФИ 03-02-16390, CDRF RP1-2376-MO-02, РФФИ 01-02-16725-a, РФФИ 03-02-17465-a, РФФИ 03-02-16272-a, РФФИ 03-02-16414, МНТЦ № 1431, CRDF № RP2-2360-MO-02, РФФИ № 02-02-16776, РФФИ № 03-02-16837.

1. M.A. Markov. Proc. оf X Intern. Conf. оn high-energy physics. Rochester, 1960, p. 579-581.
2. M.A. Markov, V.A. Kuzmin, G.T. Zatsepin, I.M. Zheleznykh. J. Phys. Soc. Jap. 1963. v. 17, suppl. A-III. P. 353-356.
3. J.N. Abdurashitov et al. Phys. Rev. C60: 055801, 1999.
4. Л.В. Волкова. ЯФ 1980, 31, 1510.
5. С.П. Михеев, А.Ю Смирнов. ЯФ 42, 1441, 1985.
6. Г.Т. Зацепин, В.А. Кузьмин. Письма ЖЭТФ 4, 114, 1966.
7. В.С. Имшенник, О.Г. Ряжская. Письма в астрономический журнал 30, 17, 2004.
8. Л.В. Волкова, Г.Т. Зацепин. Изв. АН СССР, сер. физ. 1974, 38, 1064.
9. Д.Н.Абдурашитов и др.(коллаборация SAGE*) Измерение потока солнечных нейтрино в Российско-Американском галлиевом эксперименте SAGE за половину 22-летнего цикла солнечной активности, ЖЭТФ, 2002, том 122, вып.2(8), 211-226.
10. V.N.Gavrin for SAGE Collaboration*, SAGE and SAGE-GALLEX-GNO, invited talk at NANP'03, Dubna, Russia (2003), to be published in Proc of the Conference.