Важнейшие результаты фундаментальных и прикладных исследований 2000 года

Физика элементарных частиц. Теория.
Физика элементарных частиц. Эксперимент.
Физика атомного ядра.
Нейтринная астрофизика. Физика космических лучей.
Ускорители заряженных частиц.
Прикладные исследования.

<< I. Физика элементарных частиц. Теория.

Построена реалистическая модель великого объединения с сильной связью, в которой суперсимметричные мягкие члены в лагранжиане определяют время жизни протона и массы нейтрино. Предположен новый механизм, объясняющей наличие трех поколений в стандартной модели, как следствие многомерной теории с одним поколением. (ИЯИ РАН)
Произведен детальный анализ экспериментальных данных Теватрона для структурных функций глубоконеупругого нейтрино - нуклонного рассеяния. Извлечены значения константы связи КХД и проанализированы эффекты высших твистов. (ИЯИ РАН)
Дан анализ рождения анти t, t кварка вблизи порога. Методами правила сумм с высокой точностью определена масса b-кварка. Вычислена эффективная электромагнитная константа и проанализировано ее влияние на определение массы бозона Хиггса. (ИЯИ РАН)
Показано, что комбинированные результаты мю-нейтрино - тау-нейтрино осцилляций и рассеяния нейтрино из данных Суперкамиоканде и LAMPF ограничивают диагональный дираковский момент тау-нейтрино на уровне 1.9*10^{-9} магнетона Бора. В схеме с тремя майорановскими нейтрино результаты LAMPF позволяют ограничить эффективный магнитный момент тау-нейтрино на уровне 7.6*10^{-10} магнетона Бора. (ИЯИ РАН)
Предложен новый механизм рождения вещества посредством вакуумных флуктуаций в ранней Вселенной. (ИЯИ РАН)

<< II. Физика элементарных частиц. Эксперимент.

Получены новые экспериментальные данные об эффекте аномального подавления рождения чармония при столкновении ядер свинца высокой энергии, обнаруженном ранее коллаборацией NA50 с участием ИЯИ РАН. В области наиболее центральных соударений при максимальной плотности энергии обнаружено резкое уменьшение выхода чармония, что в совокупности с нерегулярностью при меньшей центральности позволяет сделать вывод о последовательном разрушении состояния чармония psi', hi_c and J/psi в случае образования кварк - глюонной плазмы вследствие механизма дебаевского экранирования. (ИЯИ РАН, NA50)
В рамках коллаборации NA50, ЦЕРН получены распределения по поперечному импульсу J/psi, psi' и димюонных пар. Определены средние значения поперечного импульса, а для J/psi также величина обратного наклона спектров в зависимости от центральности. Данные согласуются с предсказаниями модели взаимодействия партонов в начальном состоянии. (ИЯИ РАН, NA50)
В 2000 г. получены первые физические результаты по измерению форм-факторов в K+ -> pi0 e+ nu (K_e3) распаде положительного каона. Определена величина коэффициента lambda+, входящего в зависимость векторного форм-фактора от квадрата переданного четырех-импульса. Полученное значение lambda+ = 0.0278 +- 0.0026(stat) +- 0.0030(syst) хорошо согласуется с результатами предыдущих экспериментов (см. PDG: Eur.Phys.J. C15(2000) p.506).
В то же время, поиск экзотических (скалярного и тензорного) взаимодействий не подтвердил предыдущий результат, полученный в работе S.A. Akimenko et al., Phys. Lett. 259B(1991)225, и указывающий на существование экзотических взаимодействий, где скалярный и тензорный форм-факторы отличаются от нуля на 3.6 и 3.4 стандартных отклонения, соответственно. Сравнение экспериментального Далиц-распределения с Монте Карло моделированием в нашем эксперименте приводит к нулевым значениям скалярной и тензорной констант связи, согласующимся с предсказаниями Стандартной Модели
f_s/f_+0 = -0.002+-0.026(stat)+-0.0014(syst)
f_t/f_+0 = -0.01+-0.14(stat)+-0.09(syst)
В настоящее время ведется анализ K_e3 распада с использованием нескольких методик и с привлечением большего количества K_e3 событий.
В рамках работы по поиску сверхузких дибарионов (СУД) проведена обработка данных для реакции pd->pX, полученных в конце 1999 года на линейном ускорителе протонов ИЯИ. В спектрах недостающей массы этой реакции наблюдались пики при M=1904 +- 2, 1926 +- 2 и 1942 +- 2 МэВ со статистической значимостью 6.0, 7.0 и 6.3 стандартных отклонений, соответственно. Первые два из этих пиков подтверждают полученные нами ранее значения масс дибарионов, а резонанс при 1942 МэВ является новым. Анализ угловой зависимости протонов от распада дибарионов показывает, что наблюдаемые дибарионы с большой вероятностью являются СУД, распад которых на два нуклона запрещен принципом Паули. В спектре недостающих масс реакции pd->ppX_1 найдены три резонансно-подобных состояния, значения масс которых соответствуют распаду найденных дибарионов по NNgamma-каналу, что также является подтверждением образования СУД. Так как найденные дибарионы в основном распадаются в канал NNgamma, то можно предположить, что все эти состояния являются изовекторными СУД (ИЯИ РАН, ФИАН).
Разработан предливневый детектор установки LHCb. Изготовлены и испытаны в тестовых сеансах в ЦЕРН опытные экземпляры модулей детектора. (ИЯИ РАН)
Разработан, изготовлен с использованием уникальных отечественных технологий и прошел успешные испытания на пучке модуль переднего электромагнитного калориметра установки CMS (LHC, ЦЕРН) на основе кристаллов PWO (ИЯИ РАН, ИФВЭ)
В рамках коллаборации HADES (широкоапертурный магнитный спектрометр, GSI, Германия) ИЯИ РАН разработал и изготовил время-пролетную систему детекторов, которая перекрывает область передних углов в диапазоне от 13 до 45 градусов по полярному углу. Этот детектор используется для формирования триггера первого уровня для отбора событий по множественности и для увеличения эффективности идентификации электронов предливневым детектором. Детектор испытан и установлен на установке HADES. Проведены измерения на пучке ионов углерода в GSI. В настоящее время ведется обработка и анализ полученных данных. (ИЯИ РАН, HADES)
Подготовлен проект центрального триггерного детектора для установки ALICE (LHC, ЦЕРН) на основе кварцевых излучателей. На тестовом пучке получены рекордные значения временного разрешения около 45 пикосекунд. Проведена оптимизация детектора множественности на основе кремниевых полупроводниковых детекторов. (ИЯИ РАН, ALICE)
Было проведено изучение инклюзивного рождения мезонных резонансов в нейтринных взаимодействиях на детекторе NOMAD (ЦЕРН). Впервые наблюдался мезонный резонанс f_0(980) на уровне достоверности 6 сигма. Надежно установлено присутствие другого состояния f_2(1270). (ИЯИ РАН, NOMAD)
Впервые получено ограничение на существование аксиона в интервале масс 1 - 100 эВ на детекторе NOMAD, основанное на методе регенерации фотонов, также впервые использованном при высоких энергиях. (ИЯИ РАН, NOMAD)
Предел на вероятность осцилляций мюонного и тау нейтрино снижен более чем в три раза до уровня ~2*10^{-4} (90% CL) при больших delta m^2 с помощью нового улучшенного метода анализа данных NOMAD. (ИЯИ РАН, NOMAD)
Впервые выполнены систематические исследования эмиссии легких заряженных частиц (ЛЗЧ) из осколков деления ядер урана частицами разной природы (мюонами, пионами и протонами) в широком интервале энергии от ~10 до ~ 1700 МэВ. Вероятность эмиссии ЛЗЧ с увеличением энергии возрастает на пять порядков (от 10^{-5} до 1). Обнаружены новые особенности этого процесса. При делении частицами низкой энергии ЛЗЧ испускаются из ускоренных легких осколков (неизотропно в л.с.), a при делении 150 МэВ частицами - из ускоренных тяжелых осколков (неизотропно в л.с.). При энергиях >=1000 МэВ происходит существенное изменение механизма эмиссии ЛЗЧ: они испускаются из неускоренных осколков, или, возможно, на более ранней стадии. В этом случае они могут дать новую информацию о последней стадии процесса деления, в отличие от нейтронов, которые испускаются всегда из ускоренных осколков (ИЯИ РАН).

<< III. Физика атомного ядра.

Измерены полные и дифференциальные сечения фоторождения эта - мезонов от порога до 1100 МэВ (в коллаборации ГРААЛе). Впервые полностью перекрыта область энергий, соответствующая возбуждению S11(1535) резонанса, и измерена его ширина с высокой точностью. Показано, что выше 900 МэВ вклад S- волны заменяется вкладом Р и D - резонансов. (ИЯИ РАН)
Проведены измерения сечений Комптоновского рассеяния на протоне в диапазоне углов рассеяния от 30 до 150 град. в интервале энергий налетающего фотона от 200 до 800 МэВ. Измерения проводились на пучке меченых фотонов микротрона непрерывного действия MAMI (ИЯФ, Майнц) со специально построенным детекторным комплексом большого аксептанса LARA международной коллаборацией А2, в которой участвует ИЯИ РАН. Результаты эксперимента позволили более чем в полтора раза (на 565 точек) увеличить существовавшую базу данных по Комптоновским сечениям на протоне. Проведенный дисперсионный анализ полученных данных показал их хорошее согласие с последними результатами мультипольного анализа сечений фоторождения пионов. В частности, получено значение для обратной спиновой поляризуемости протона -36.8 *10^{-4} Фм^4. Это второе в мире измерение этого параметра кардинально изменяет знание его величины, полученное в первом измерении (коллаборация LEGS, США 1998 г.). Величина этого параметра играет важную роль в построении моделей нуклона в рамках квантовой хромодинамики. (ИЯИ РАН)
Завершен эксперимент по изучению образования высокоспиновых изомерных состояний в реакциях протонов с ядрами тантала. Обнаружены новые закономерности (зависимость сечения образования изомерного соотношения от величины спина и энергии протона), повлекшие за собой пересмотр существующих теоретических моделей. (ИЯИ РАН, ТРИУМФ).

<< IV. Нейтринная астрофизика. Физика космических лучей.

В 2000 году в период зимней экспедиции на оз.Байкал выполнены подъем, анализ состояния, ремонт, частичная замена и модернизация глубоководной аппаратуры Байкальского нейтринного телескопа НТ-200, позволившие восстановить уменьшившуюся за год эксплуатации светосилу установки. Вновь включенный в работу 11 апреля 2000 года детектор проработал к настоящему времени 185 суток в режиме набора и записи данных (79% календарного времени). При этом зарегистрировано 62 млн событий от мюонов космических лучей, допускающих пространственную реконструкцию событий. Байкальский нейтринный телескоп НТ-200 остается единственным в мире действующим глубоководным черенковским детектором элементарных частиц и одним из четырех крупнейших (наряду с подземными нейтринными телескопами MACRO и SUPERKAMIOKANDE, а также подледным детектором AMANDA на Южном полюсе) по своей эффективной площади и эффективному объему детекторов нейтрино высоких энергий.
На основе анализа данных, полученных на детекторе НТ-200 за период его эксплуатации с апреля 1998 года по февраль 1999 года установлены новые, одни из наиболее сильных на сегодняшний день, ограничения на величину природного потока быстрых (v/c >0.8) магнитных монополей - 3*10^{-16}см^{-2}с^{-1}ср^{-1} (v/c=1), на поток мюонов, сопровождающих процесс аннигиляции массивных частиц темной материи (нейтралино) в центре Земли - 2.8*10^{-14} мюонов на см^2 в сек в конусе раствором 40 градусов вокруг надира, и, наконец, на интенсивность природного потока электронных нейтрино в диапазоне энергий от 10^4 ГэВ до 10^7 ГэВ, которое составляет E^2*F(nu) < 2.1*10^{-6} Гэв/см^2 с ср. (ИЯИ РАН)
Результат анализа измерений потока солнечных нейтрино на подземном Галлий-германиевом нейтринном телескопе Института ядерных исследований РАН за десятилетний период дает величину потока немногим больше половины величины, предсказываемой Стандартной Солнечной Моделью, что свидетельствует о том, что поток солнечных нейтрино с энергией ниже 2 МэВ, приходящих на Землю, значительно подавлен. Достигнутая точность измерения величины потока солнечных нейтрино позволяет утверждать, что полученный результат не может быть объяснен без привлечения новых свойств материи.
Полученная в измерениях величина потока солнечных нейтрино дает серьезное указание на существование новых свойств нейтрино - нейтринных осцилляций, меняющих аромат солнечных нейтрино на их пути к Земле, и делающих значительную их часть недетектируемой в Галлий - германиевом нейтринном телескопе. Доказательство существования нейтринных осцилляций, и, следовательно, наличие массы нейтрино потребует кардинального изменения представлений о свойствах элементарных частиц и современного понимания образования и эволюции Вселенной. (ИЯИ РАН)
На Баксанском подземном сцинтилляционном телескопе (БПСТ) в результате анализа многолетних наблюдений получен спектр кратности мюонов в группах для глубины 5000 г/кв.см и пороговой энергии 3.2 ТэВ и на основании его получена одна из лучших оценок в мире ядерного состава первичного космического излучения в области энергий 10^15 - 10^16 эВ. Проведены расчеты для спектра первичного космического излучения с постоянным показателем и для спектра с изломом при 3*10^15 эВ. Данные не противоречат излому при фиксированной энергии на нуклон и противоречат излому при фиксированной энергии на ядро. Эффективный атомный номер в указанном диапазоне равен 5.4, что немного больше, чем ожидалось (4.9). (ИЯИ РАН)
В 2000 году в подземной лаборатории Гран Сассо (Италия) запущен самый крупный в мире российско-итальянский сцинтилляционно - трековый детектор LVD (детектор большого объема), состоящий из трех башен (13*12*23 м^3) содержащий более 1000 тонн жидкого сцинтиллятора. Этот сцинтиллятор и сцинтилляционные модули - детекторы были разработаны и изготовлены в ИЯИ РАН. Эксперимент LVD - это подземная обсерватория, предназначенная для проведения исследований в области нейтринной астрономии, физики космических лучей, поиска точечных источников высокоэнергичных нейтрино и гамма - квантов, нейтринных осцилляций и изучения редких процессов, предсказываемых теорией. (ИЯИ РАН, INFN)

<< V. Физика и техника ускорителей и других ядерно - физических установок.

В 2000 году линейный ускоритель Московской мезонной фабрики (ЛУММФ) обеспечил ускорение пучка протонов в восьми сеансах общей продолжительностью 1800 часов на физические эксперименты и производство изотопов для медицины. Максимальная энергия протонов по соображениям экономии была ограничена величиной 305 МэВ. Проведенная реконструкция системы инжекции ЛУММФ с использованием бустерной секции с ВЧ-квадрупольной фокусировкой позволила резко повысить надежность работы ускорителя и увеличить интенсивность ускоренного пучка. Средний ток пучка достиг 150 мкА. Длительная устойчивая работа ускорителя обеспечивается при токе 120 мкА и потерях пучка менее 0.1%. Интегральная интенсивность за 12 часов составляет около 1000 мкА часов. (ИЯИ РАН)
Проведена модернизация и начата эксплуатация первой очереди системы АСУ, которая объединит в единую сеть линейный ускоритель и экспериментальный комплекс Московской мезонной фабрики. Модернизированная АСУ линейного ускорителя строится на основе персональных ЭВМ и стандартных плат входных/выходных регистров фирмы National Instruments. (ИЯИ РАН)
В 2000 году из источника поляризованных отрицательных ионов водорода получен пучок с импульсным током 2.5 мА, что более чем в три раза превосходит мировой уровень. Длительность импульса на полувысоте составляет 150 мкс, частота следования до 10 Гц. Метод получения отрицательных поляризованных ионов водорода путем резонансной перезарядки поляризованных атомов водорода с тепловой энергией на неполяризованных отрицательных ионах дейтерия в дейтериевой плазме был разработан в ИЯИ РАН. В 2000 году эффективность метода была повышена за счет увеличения плотности неполяризованных отрицательных ионов дейтерия в дейтериевой плазме. Для этого был разработан и испытан двухступенчатый конвертор дейтериевой плазмы, в котором ионы дейтериевой плазмы вначале конвертируются в нейтральные "горячие атомы", а затем эти атомы преобразуются на поверхности конвертора с низкой работой выхода в отрицательные ионы. (ИЯИ РАН)
В декабре 2000 г. в ИЯИ РАН запущен уникальный 100-тонный сверхчувствительный спектрометр нейтронов по времени замедления в свинце (СВЗ). Этот спектрометр нейтронов относится к СВЗ 3 поколения, в котором нейтроны генерируются в результате spallation процесса, вызываемого пучком протонов от линейного ускорителя ИЯИ РАН. Первые же проведенные эксперименты показали, что его разрешение близко к теоретическому (около 26%) и составляет приблизительно 30%. Энергетический диапазон исследований в настоящее время соответствует 1эВ-30 КэВ.
Спектрометр предназначен для исследований в области фундаментальной, прикладной физики, радиационной медицины.
В процессе проведенного сеанса получены спектры нейтронов, оценено разрешение СВЗ, энергетический диапазон исследований и потоки нейтронов. Осуществлены исследования (n,gamma) реакций на Cu, Mn, Co, S, Bi, V, Sb и реакций деления на U235, Pu240 (ИЯИ РАН)
ИЯИ РАН в рамках научного сотрудничества с лабораторией TRIUMF (Канада) завершено создание трехзазорных резонаторов - группирователей типа "split-ring" для ускорителя радиоактивных ионов ISAC, работающих в непрерывном режиме при уровне мощности 3.5-8.8 кВт на частоте 106.08 МГц. В 2000 году изготовлено четыре резонатора, проведены испытания на высоком уровне мощности и проверка их работы с пучком радиоактивных ионов. (ИЯИ РАН, TRIUMF).
Впервые в мире осуществлен лазер на свободных электронах с уникальными параметрами в DESY. (ИЯИ, DESY)
Завершена разработка технического предложения магнито - оптической системы канала инжекции позитронного пучка линейного коллайдера TESLA. (ИЯИ, DESY)
При участии ИЯИ РАН в DESY получен рекордный уровень ускоряющего поля в сверхпроводящих резонаторах на частоте 1300 МГц - 45 МВ/м. (ИЯИ, DESY)

<< VI. Прикладные исследования

Разработана методика получения медицинского радионуклида палладия 103 на ММФ ИЯИ РАН и его очистки от радионуклидных примесей. Методика внедряется в производство в Институте физической химии им. Карпова (г. Обнинск). (ИЯИ РАН)
Разработан проект комплекса протонной терапии на базе линейного ускорителя протонов Московской мезонной фабрики. Разработано и изготовлено оборудование системы диагностики низкоинтенсивного протонного пучка. (ИЯИ РАН)
Разработан метод определения глубинных профилей концентрации элементов в наноструктурах и на границах раздела пленка-основа в нанометровом диапазоне толщин (5 - 100 нм). Для восстановления профилей концентрации элементов из энергетических спектров тяжелых ионов модифицирован пакет программ BEAM EXPERT. Возможности метода продемонстрированы на примерах анализа Au/Si Шоттки-контакта и Pb-Si ионно-имплантированных слоев при нормальном падении пучка ионов N14 с энергией 0.8 МэВ с использованием Si-полупроводникового детектора тяжелых ионов с разрешением 28 кэВ. Получены рекордные для полупроводниковой спектрометрии значения абсолютной и относительной разрешающей способности по глубине: 1-2 нм и 0.01 соответственно. В случае скользящей геометрии разрешение повышается до 0.2-0.4 нм. (ИЯИ РАН)
ИЯИ РАН совместно с ОИЯИ разработали, изготовили и испытали образцы новых лавинных кремниевых фотодиодов на базе МРП структур (металл - резистивный слой - полупроводник) площадью 1 кв.мм и 8 кв.мм, с рабочим напряжением 60 - 90 В, которые способны регистрировать слабые световые импульсы, вплоть до единичных фотонов.
МРП фотодиоды по таким параметрам как коэффициент усиления (>2*10^3), ширине области спектральной чувствительности (250 - 900 нм) превосходят аналоги лавинных фотодиодов известных зарубежных фирм Hamamatsu (Япония), Advanced Photonics (США) и др.
МРП фотодиоды могут быть использованы при создании многоэлементных высокочувствительных фотоприемников для фундаментальных и прикладных исследований, в частности позитрон - эмиссионных томографов нового поколения. (ИЯИ РАН, ОИЯИ)
Подготовлен проект комплекса на основе линейного ускорителя электронов для стерилизации медицинских препаратов и радиационной обработки промышленных изделий и материалов. Создана автоматизириванная система транспортировки облучаемых изделий. (ИЯИ РАН)