Научно-исследовательский институт ядерной физики имени Д.В. Скобельцына
Московского государственного университета имени М.В. Ломоносова

Лаборатория теории электронно-фотонных ливней

Лаборатория теории электронно-фотонных ливней (ЛТЭФЛ), руководителем которой является доктор физико-математических наук Татьяна Михайловна Роганова, образована в 1971 году.

Основные направления научной работы ЛТЭФЛ в рамках темы «Теоретическое и экспериментальное исследование переноса излучения в земных и астрофизических средах»:

- участие с 2005 года в подготовке и проведении международного эксперимента OPERA по наблюдению осцилляций мюонного нейтрино в таонное в пучке нейтрино от ускорителя в ЦЕРН (Швейцария). Этот пучок проходит расстояние 730 км в земной коре по хорде до подземной лаборатории Гран Сассо (Италия), где предполагается прямая регистрация тау-лептонов в ядерной эмульсии, находящейся в детекторе. В обработке ядерных эмульсий непосредственно принимают участие сотрудники ЛТЭФЛ в НИИЯФ МГУ. Сканирование ядерных эмульсий проходит по стандартизованной программе эксперимента с использованием российского сканирующего комплекса НИИЯФ МГУ;

- анализ первичного космического излучения по данным стратосферного эксперимента RUNJOB по исследованию ядерного состава первичного космического излучения;

- моделирование оценок энергии гигантских атмосферных ливней на основе сигналов в наземных и подземных сцинтилляционных детекторах Якутской установки. Сопоставление величины сигналов значениям энергии первичной частицы с использованием многоуровневой численной схемы расчета ШАЛ в рамках стандартной модели взаимодействия адронов. Исследование возможных источников космических лучей в области сверхвысоких энергий;

- создание в НИИЯФ МГУ астрофизического комплекс СФЕРА для изучения космических лучей сверхвысоких и ультравысоких энергий (10¹⁶ - 10¹⁸ эВ). Уникальный метод, используемый в эксперименте СФЕРА, является развитием идеи советского академика Александра Евгеньевича Чудакова и ранее в мировой практике не использовался. Небольшая установка поднимается с помощью аэростата в ночное время над покрытой снегом поверхностью Земли и регистрирует отраженное от снежной поверхности излучение Вавилова-Черенкова (черенковский свет) от широких атмосферных ливней (ШАЛ). В функционирующей в настоящее время установке СФЕРА-2 изображение пятна черенковского света и трека ШАЛ проецируется на мозаику из 109-ти фотоумножителей с помощью сферического зеркала диаметром 1,5 метра. Метод позволяет анализировать структуру энергетического спектра, ядерный состав первичного космического излучения и обеспечивает большую эффективную площадь регистрации. В сравнении с другими установками СФЕРА-2 обеспечивает лучшую детализацию измеряемой пространственно-временной структуры вспышки черенковского света от ШАЛ;

- моделирование каскадов от энергичных гамма-квантов в веществе активного ядра галактики и исследование происхождения характерных резонансных особенностей в спектрах гамма-квантов в диапазоне 1МэВ – 1ГэВ;

- анализ анизотропии и выстроенности частиц в семействах космических лучей (КЛ), исследование величины поперечных импульсов (p_t), поиск и анализ механизмов ядерного взаимодействия, объясняющих эффект компланарного разлета частиц и аномально больших p_t сверхвысоких энергий.

Основные результаты ЛТЭФЛ:

- анализ новых явлений во фрагментационной области при энергиях 10¹⁴ - 10¹⁷ эВ. В рамках исследования феномена компланарного разлета вторичных частиц при адрон-ядерных взаимодействиях в космических лучах было исследовано уникальное стратосферное высокоэнергичное (>10¹⁶ эВ) семейство «СТРАНА», зарегистрированное в эмульсионном эксперименте на стратосферном баллоне-аэростате. Обнаружение эффекта выстроенности наиболее энергичных адронов в этом взаимодействии является важным свидетельством в пользу существования компланарного разлета частиц и правильности определения энергетического диапазона, в котором проявляется этот эффект. Выполнены оценки высоты взаимодействия над установкой и установлено наличие необычно больших поперечных импульсов вторичных частиц (средний p_t > 2.5 ГэВ/c);

- исследования аномального поглощения частиц КЛ в свинце, проведенные с эмульсионными камерами на Памире, показали, что некоторые аномалии каскадов от одиночных адронов могут быть объяснены методическими эффектами. Однако не удается объяснить очень медленное поглощение стволов широких атмосферных ливней (ШАЛ) при высоких энергиях в калориметре. В целом проблема требует дальнейших исследований;

- продолжено исследование ШАЛ сверхвысоких энергий с энергиями, существенно превышающими порог Грейзена- Зацепина-Кузьмина (~ 5•10¹⁹ эВ). Идея Колемана и Глэшоу о возможном нарушении лоренцевской инвариантности была тестирована по экспериментальным данным. В рамках этой гипотезы пионы при высоких энергиях не распадаются, что приводит к более быстрому развитию ливня, уменьшению глубины максимума и увеличению высоты генерации мюонов. Показано, что в случае нарушения лоренцевской инвариантности нейтральные и заряженные пионы могут быть в первичном космическом излучении при сверхвысоких энергиях. Получена верхняя оценка доли ~ 36% гамма-квантов в первичном космическом излучении при энергиях ≥ 10²⁰ эВ, что существенно ограничивает модели с топологическими дефектами и сверхтяжелыми частицами;

- предложена функция A exp (-(x-c)2/(a(x-c)+2b2), позволяющая аппроксимировать широкий класс распределений, возникающих в процессе развития каскадов, и описывать флуктуационные процессы с учетом ассиметрии; рассмотрены вопросы практического использования методов аппроксимации с учетом качества исходных данных;

- проведены исследования характеристик радиоизлучения каскадов в различных средах. Статистическое моделирование наклонных ливней сверхвысоких энергий, развивающихся в атмосфере, позволило провести расчеты пространственно-угловых распределений электронов и позитронов, необходимых для тестирования различных моделей радиоизлучения ШАЛ Для решения проблемы о генерации каскадом частиц радиоизлучения в лунном грунте и его выходе в вакуум созданы разностные схемы решения краевой задачи для волнового уравнения в 2-х и 3-х измерениях;

- построена каскадная теория развития электромагнитных каскадов высоких энергий в различных средах;

- проведен длительный международный эксперимент «Памир» по исследованию адрон-ядерных взаимодействий высоких энергий методом рентгенэмульсионных камер на горах. С важнейшими результатами эксперимента «Памир» связано открытие и анализ нового явления ― компланарного разлета частиц (выстроенности) в адрон-ядерных взаимодействиях КЛ при сверхвысокой энергии ( > 10¹⁶ эВ). Обнаружено также, что этот эффект сопровождается необычно большими значениями поперечных импульсов вторичных частиц;

- проведен международный стратосферный эксперимент RUNJOB по исследованию ядерного состава ПКИ;

- получены новые оценки энергии широких атмосферных ливней на основе сигналов в сцинтилляционных детекторах, которые позволили согласовать интенсивности ШАЛ в области сверхвысоких энергий, наблюдаемые на установках HiRes и Якутска.