Электромагнитные взаимодействия

В Отделе электромагнитных процессов и взаимодействия атомных ядер в 2022 г. научно-исследовательские работы проводились по следующим основным направлениям: - физика электромагнитных взаимодействий, - физика нейтрино. 1. Физика электромагнитных взаимодействий 1.1. Исследование структуры атомных ядер и характеристик ядерных реакций. Развитие метода гамма-активационного анализа. Объектом исследования является экспериментальное и теоретическое изучение структуры атомных ядер и характеристик ядерных реакций. Исследования велись по следующим основным направлениям: - Экспериментальное и теоретическое исследование фотоядерных реакций, приводящих к образованию и распаду обойденных ядер 102Pd, 92Mo, 156,158Dy, экспериментальное и теоретическое исследование структуры нейтронодефицитных ядер, образующихся в результате многонуклонных фотоядерных реакций, экспериментальное исследование образования нейтроноизбыточных ядер в результате реакции фотоделения изотопов 238U и 232Th, исследование возможности наработки медицинских изотопов 67Cu, 198,199Au, 161Tb, 167Tm, 177Lu, 55Co на ускорителях электронов. - Теоретические исследования экзотических (нейтроноизбыточных и сверхтяжелых) ядер, нейтроноизбыточных гиперядер и гиперядер с двойной странностью, а также материи нейтронных звезд. Цель данного исследования: изучение влияния свойств барионных взаимодействий на характеристики таких экзотических систем. В подходе Хартри-Фока с силами Скирма проведены расчеты характеристик гиперядер с протонным избытком до Z=20. Получены зависимости массы от радиуса нейтронных звезд как в случае нуклонной материи, так и с добавлением Lambda-гиперонов. Ведутся работы по отработке методики предсказания энергий связи неизвестных атомных ядер в рамках феноменологического подхода с использованием массовых соотношений. - Изучение неупругого взаимодействия нейтронов с энергией 14.1 МэВ с атомными ядрами с использованием метода меченых нейтронов в составе международной коллаборации «TANGRA» (ОИЯИ, Дубна) Целью исследования является изучение реакций неупругого рассеяния нейтронов на широком диапазоне атомных ядер, а также развитие метода меченых нейтронов в приложении к практическому использованию. В 2022 году велась работа по изучению рассеяния нейтронов на углероде, а также разработка приложения данного метода к измерениям концентрации углерода в почве. 1.2. Развитие теории взаимодействия ВУФ и рентгеновского излучения с атомами. Объектом исследования являются недавно ставшие доступными для экспериментального наблюдения, преимущественно поляризационные, явления в диапазонах ВУФ и мягкого рентгена. Целью исследования является разработка последовательной теории атомно-молекулярных явлений в интенсивных полях ЛСЭ, возможно с дополнительным действием традиционных лазеров. Для описания фотопроцессов, индуцированных в атомах воздействием интенсивного ВУФ излучения, используется метод статистических тензоров углового момента в сочетании со спектроскопическими методами R-матрицы и/или многоконфигурационного Хартри-Фока. Эти методы успешно применяются в атомной и ядерной физике и позволяют универсально описать дифференциальные характеристики реакций. В 2022 г. изучены различные геометрические аспекты когерентного контроля фотоэмиссией электронов при бихроматической ионизации атомов. Обнаружено, что когерентное воздействие порождает ориентацию спина в направлениях, запрещенную в обычной однофотонной и двухфотонной ионизации. Изучен процесс фотоионизации низших возбужденных состояний атома неона, исследованы Куперовские минимумы и автоионизационные резонансы, проанализирована роль поляризации излучения в их обнаружении. Результаты могут быть полезны при интерпретации двухфотонной, возможно двухчастотной, ионизации. С помощью метода R-матрицы произведены моделирование и идентификация линий в спектре фотоэлектронов, образующихся при ионизации внутренней 3d-оболочки криптона с одновременной встряской электрона в более высоколежащее связанное состояние. Проанализированы угловые распределения сателлитных линий типа 3d-14p-1nl и 3d-14s-1nl. Результаты теоретических предсказаний оказались в отличном согласии с первым в мире экспериментом по изучению угловых распределений сателлитных линий, проведённым в данном энергетическом диапазоне на шведском синхротроне 4го поколения MAXIV (г. Лунд). 1.3. Анализ реакций эксклюзивного фото- и электророждения мезонов на нуклонах в Jefferson Lab (USA) на детекторе CLAS в целях определения электромагнитных формфакторов нуклонных резонансов. Объектом исследования является изучение нуклонных резонансов (N*) на детекторе CLAS и введенном в эксплуатацию детекторе CLAS12 (Лаборатория им. Джефферсона, США) в реакциях фото- и электророждения мезонов на нуклонах. Главными целями экспериментальной программы являются: - извлечение электромагнитных формфакторов нуклонных резонансов при виртуальностях фотона от 0 до 12 ГэВ2 для большинства возбуждённых протонных состояний. - исследования спектра N* в совместном анализе реакций эксклюзивного фото- и электророждения мезонов на нуклонах в целях поиска новых типов барионов, включая “missing” резонансы и гибридные барионы, содержащие наряду с тремя кварками одетые глюоны, как дополнительные компоненты структуры нуклона. Наличие таких состояний предсказывается в рамках, выполненных в последние годы реалистических расчетов спектра N* на решетках на основе КХД. Исследования структуры и спектра N* являются источником информации о многообразии сложных механизмов сильного взаимодействия в непертурбативном режиме, ответственных за формирование спектра возбужденных состояний нуклона с различными квантовыми числами и их эволюции с расстоянием при переходе из непертурбативной области к режиму пертурбативной КХД. Анализ данных по электромагнитным формфакторам резонансов, выполненный в рамках метода уравнений Дайсона-Швингера на основе КХД, впервые продемонстрировал возможность доступа к массовой функции одетого кварка из совместного анализа данных по упругим формфакторам нуклона и амплитудам электровозбуждения Delta(1232)3/2+ и N(1440)1/2+ резонансов. Описание переходных N→N* формфакторов с той же самой массовой функцией кварка, которая использовалась в описании упругих формфакторов, продемонстрировало надежность доступа к этой базисной компоненте непертурбативной КХД описывающей эволюцию массы одетого кварка с расстоянием и определяющей динамику формирования основного и возбужденных состояний нуклона. Детальная информация о массовой функции одетого кварка в области расстояний, отвечающих переходу к режиму пертурбативной КХД в экспериментах на детекторе CLAS12, позволит ответить на фундаментальные вопросы о природе >98% массы адронов, формируемой в режиме непертурбативной КХД, о возникновении и динамике кварк-глюонного конфайнмента. Эксперименты на детекторе CLAS12 по исследованию структуры и спектра N* дадут ответы на перечисленные выше проблемы Стандартной Модели. 1.4. Разработка линейных ускорителей электронов и разрезных микротронов для систем безопасности, дефектоскопии, промышленности, медицины и фундаментальных исследований. Объектом исследования является физика пучков заряженных частиц и ускорительная техника, цель работы – исследования в области линейных ускорителей электронов и разрезных микротронов, направленные на увеличение заряда ускоряемых сгустков, снижении эмиттанса ускоренного пучка, увеличение стабильности энергии, увеличение мощности ускоренного пучка и эффективности ускорения. При проведении работы использовались методы численного моделирования, машинного проектирования, холодных измерений, измерений на высоком уровне СВЧ мощности, измерений характеристик ускоренного пучка на специальных стендах. Исследуемые линейные ускорители электронов основаны на бипериодической ускоряющей структуре с внутренними ячейками связи, работающие в режиме стоячей волны. В разрезных микротронах используются магнитные системы, содержащие редкоземельный магнитный материал. Область энергий ускоренного пучка заряженных частиц для исследуемых ускорителей лежит в диапазоне от 1 до 100 МэВ, заряд одиночного сгустка до 1 нК, импульсный ток до 0,5 А, стабильность энергии до 0,1%. Результаты исследований используются при создании ускорителей электронов для систем безопасности, дефектоскопии, промышленности, медицины и фундаментальных исследований, что обуславливает их большую значимость. Возрастающие требования к характеристикам пучка и параметрам ускорителей гарантируют дальнейшее развитие исследований в указанной области. 1.5. Получение новых данных о сечениях фотоядерных реакций. Развитие баз ядерных данных. Объекты изучения - сечения парциальных фотонейтронных реакций (gamma, 1n), (gamma, 2n) и (gamma, 3n), востребованные в широкой области фундаментальных исследований и разнообразных приложениях. Цель работы – оценка сечений фотонейтронных реакций, удовлетворяющих объективным физическим критериям достоверности данных. Такие данные получены в экспериментах, выполненных на пучках квазимоноэнергетических аннигиляционных фотонов с помощью методов разделения нейтронов по множественности, и на пучках тормозного gamma-излучения с помощью внесения специальных поправок в сечение выхода нейтронов sigma(gamma, xn) = sigma(gamma, 1n)+2sigma(gamma, 2n)+3sigma(gamma, 3n), рассчитанных по статистической теории. В Центре данных фотоядерных экспериментов (ЦДФЭ) НИИЯФ МГУ проводится анализ достоверности данных о сечениях фотоядерных реакций, получаемых в разных экспериментах, устанавливаются причины существенных расхождений результатов разных фотоядерных экспериментов, существенно превышающих статистические погрешности, разрабатываются методы их учета. В связи с тем, что, как правило, экспериментальные сечения парциальных фотонейтронных реакций, полученные как с помощью метода разделения нейтронов по множественности, так и с помощью специальных поправок, объективным физическим критериям не удовлетворяют, сечения реакций, удовлетворяющие критериям достоверности, оцениваются с помощью экспериментально-теоретического метода, разработанного в ЦДФЭ НИИЯФ МГУ. Новые оцененные достоверные сечения парциальных и полных фотонейтронных реакций включаются в международную электронную базу данных по ядерным реакциям системы EXFOR и используются для обновления и пополнения международной электронной библиотеки оцененных фотоядерных данных МАГАТЭ. 2. Физика нейтрино. 2.1. Уточнение данных по спектроскопии солнечных нейтрино pp-цикла. Объектами исследований являются нейтрино, возникающие в результате термоядерных реакций внутри Солнца (солнечные нейтрино). Целями работы являются: измерение с большей точностью потоков солнечных нейтрино от pp- и CNO-циклов, в частности, потоков pp-, 7Be- и CNO-нейтрино, уточнение пределов на эффективный магнитный момент нейтрино и на время жизни электрона при гипотетическом распаде на электронное нейтрино и гамма-квант. Поставленные цели достигаются путём регистрации нейтрино с помощью ультранизкофонового жидкосцинтиляционного детектора Borexino с большой мишенью, имеющей массу ~300 г, и последующего многостадийного комплексного анализа данных. Солнечные нейтрино регистрируются при рассеянии на электронах среды. В текущем году продолжен начатый ранее совместный анализ измерений, выполненных в ходе фаз 1 и 2 эксперимента Borexino, с целью уточнения потоков pp- и 7Be-нейтрино, пределов на эффективный магнитный момент нейтрино и время жизни электрона. Приложенные усилия сводились к завершению модернизации программы подгонки, которая потребовалась для обеспечения возможности одновременного фитирования данных двух фаз. Предпринимаются попытки добавить данные фазы 3 к совместному анализу для повышения статистики. Последнее возможно за счёт уточнения энергетического отклика детектора. В 2022 году планировалось завершить перечисленные работы, но из-за блокировки доступа к данным и вычислительным ресурсам по политическим причинам исследования практически остановились. Благодаря переносу данных и программного обеспечения на вычислительный кластер в ОИЯИ, анализ будет завершен в 2023 году. В прошедшем году закончена обработка полного набора данных третьей фазы эксперимента с целью измерения потока CNO-нейтрино. Зарегистрирована скорость счёта нейтринных событий RCNO = 6.7+2.0−0.8 соб./ (день × 100 т), которая с учётом осцилляций соответствует потоку CNO-нейтрино 6.6+2.0-0.9 × 108 см-2 с-1. Гипотеза отсутствия нейтринного CNO-сигнала исключена с доверительной вероятностью 7σ. Измеренный поток позволил впервые с помощью нейтрино оценить распространённость углерода и азота в Солнце по отношению к распространённости водорода. Отношение равно NCN = 5.78+1.86-1.00 × 10-4, и не согласуется на уровне ~2sigma с результатами спектроскопических фотосферных измерений, указывающих на низкую металличность Солнца. Более того, если использовать вместе потоки 7Be-, 8B- и CNO-нейтрино, измеренные на детекторе Borexino, то с доверительной вероятностью 3.1sigma можно исключить Стандартную модель Солнца с низкой металличностью версии B16-AGSS09met как альтернативу модели с высокой металличностью версии B16-GS98. 2.2. Проведение демонстрационного эксперимента на Калининской атомной станции по мониторингу работы ядерного реактора нейтринным методом. Установка iDREAM является жидким сцинтилляционным детектором нейтрино с небольшой мишенью, объём которой составляет ~1 м3. Цель его создания состоит в обеспечении таких организаций, как Росатом и МАГАТЭ, дополнительным способом независимого контроля за работой ядерных реакторов и за нераспространением делящихся материалов. Детектор iDREAM регистрирует антинейтрино, от которых невозможно экранироваться, а значит, крайне сложно фальсифицировать данные. Детектор спроектирован максимально просто, чтобы обеспечить возможность промышленного производства его копий. Все части установки адаптированы к размещению на АЭС в условиях ограниченного пространства и сложности доступа к нему (требование соответствия различным стандартам и небольшие размеры проходов и лифтов на станции). В течение отчётного периода возобновлена работа детектора iDREAM на Калининской АЭС в подреакторном помещении третьего энергоблока. Установка работает стабильно. С середины июля по конец декабря выполнены измерения в двух режимах: с включённым и выключенным реактором. Ведётся активная обработка данных, набранных в текущем и прошлом годах. Достоверно регистрируется наличие или отсутствие антинейтринного излучения, факт выгорания топлива, и показана взаимосвязь изменения потока антинейтрино при изменении режима работы реактора. Изучается возможность использования детектора в качестве нейтринного спектрометра. 2.3. Создание светодиодной калибровочной системы для детектора реакторных антинейтрино TAO. Детектор TAO является вспомогательной экспериментальной установкой крупного нейтринного детектора JUNO, расположенного в провинции Гуандун на юге Китая. Весь детекторный комплекс находится на стадии разработки. Детектор JUNO нацелен на определение иерархии путём регистрации реакторных антинейтрино на средней базе пролёта (53 км). Установка TAO будет размещена в 30 м от одного из реакторов АЭС Тайшань для того, чтобы обеспечить основной детектор опорным и модельно-независимым спектром реакторных антинейтрино. Также прецизионный экспериментальный спектр планируется сравнивать с результатами теоретических расчётов, позволяя таким образом улучшать существующие процедуры вычислений и модели. Детектор TAO проектируется как очень стабильный детектор с крайне высоким энергетическим разрешением (потенциально до 1% при энергии 1 МэВ). Поэтому установка будет оснащена сложной калибровочной системой, включающей как радиоактивные, так и световые источники. За разработку последних вместе с системой их ввода в детектор отвечает НИИЯФ МГУ. В основу калибровочной системы положен опыт создания подобных систем для детекторов Borexino и iDREAM. За отчётный период завершена разработка, изготовление и локальное тестирование блока управления системой ввода диффузора в детектор. Модель источника добавлена в официальный программный пакет для Монте-Карло моделирования. Вся система прошла комплексное тестирование, в том числе при температуре функционирования детектора TAO-50. По итогам тестирования в калибровочную систему внесены небольшие изменения. Оборудование подготовлено для отправки в Пекин, где будет тестироваться уже в составе прототипа центральной части детектора TAO.