Теоретическое и экспериментальное исследование переноса излучения в земных и астрофизических средахНИР

Theoretical and experimental study on radiative transfer in the earthly and astrophysical environment

Источник финансирования НИР

госбюджет, раздел 0110 (для тем по госзаданию)

Этапы НИР

# Сроки Название
1 1 января 2013 г.-31 декабря 2013 г. Теоретическое и экспериментальное исследование переноса излучения в земных и астрофизических средах
Результаты этапа:
2 1 января 2014 г.-31 декабря 2014 г. Теоретическое и экспериментальное исследование переноса излучения в земных и астрофизических средах
Результаты этапа: Продолжены исследования явления нейтринных осцилляций в рамках международного эксперимента OPERA . Этот эксперимент позволил выполнить анализ индивидуальных взаимодействий мюонных нейтрино и осуществить поиск таонных нейтрино, появляющихся в результате осцилляций. В эксперименте OPERA впервые для случая канала νμ → ντ была проведена индивидуальная классификация таонных нейтрино. Для наблюдения трека тау-лептона, возникающего при взаимодействии таонного нейтрино, потребовалось высокое (~1мкм) пространственное разрешение. Для регистрации достаточно большого (~10) числа событий, инициированных тау-нейтрино, масса детектора должна быть велика (~1 кт) . В настоящее время единственной методикой, способной обеспечить высокое пространственное разрешение, является методика ядерных фотоэмульсий. OPERA является крупнейшим эмульсионным экспериментом. Его постановка стала возможна благодаря разработке технологии массового производства ядерных эмульсий и прогрессу в развитии сканирующих комплексов. К настоящему времени в эксперименте OPERA найдены 4 кандидата на взаимодействие таонного нейтрино в эмульсии. В НИИЯФ МГУ успешно продолжается обработка эмульсионного материала с использованием комплекса по сканированию ядерных эмульсий, полученного в 2010 году в рамках ПНР-3. Для повышения эффективности поиска взаимодействий ντ рассмотрены основные параметры событий, зарегистрированных в эксперименте OPERA, чувствительные к типу первичного нейтрино, и проведена многомерная классификация событий-кандидатов на взаимодействие ντ в эмульсионном детекторе. Показано, что гипотеза об отсутствии осцилляций может быть отвергнута на уровне статистической значимости не менее 5.1σ. Создание в России сканирующих систем современного поколения с использованием прецизионных механических и оптических систем для анализа изображений эмульсии и современных математических методов распознавания образов позволило наметить пути использования в будущем имеющегося оборудования. Начата разработка метода мюонной радиографии, которая позволит впервые в России провести исследование внутренней структуры крупных природных и промышленных объектов. Проведены тестовые эксперименты по регистрации массивного стального объекта на шинном испытательном стенде индустриального объекта и эксперимент по регистрации пустот и вариаций плотностей грунта в шахте геофизического центра в г. Обнинске. Первые результаты доложены на международной конференции.
3 1 января 2015 г.-31 декабря 2015 г. Теоретическое и экспериментальное исследование переноса излучения в земных и астрофизических средах
Результаты этапа:
4 1 января 2016 г.-31 декабря 2016 г. Теоретическое и экспериментальное исследование переноса излучения в земных и астрофизических средах
Результаты этапа: 1. Продолжен физический анализ нейтринного эксперимента OPERA по поиску осцилляций νμ→ ντ. К настоящему времени в эксперименте OPERA коллаборацией найдено 5 событий-кандидатов с рождением тау-лептона, что доказывает существование осцилляций по каналу νμ→ ντ. На совещании коллаборации в ноябре 2016 года принято решение об организации доступа к базе данных нейтринных событий (т.е. к информации о всех характеристиках треков частиц, соответствующих ~ 6700 взаимодействиям нейтрино). 2. Проведен анализ экспериментальных данных и модельных расчетов по мюонной радиографии. 3. Разработка новых методов оценок энергии широких атмосферных ливней и проведение тестирования моделей взаимодействия адронов по спектрам атмосферных вертикальных мюонов. 4. В рамках работ по теме «Сфера» продолжена обработка данных. Для изучения спектра и состава ПКЛ в области 10**16 - 10**18 эВ применяется подход анализа характеристик индивидуальных событий с использованием экспериментальных данных установки СФЕРА‑2. Анализ проведен в режиме индивидуальных событий на основе сравнения образов зарегистрированных и модельных событий. 5. Получены указания на наблюдение каскадной компоненты в спектре экстремальных блазаров. Показано, что из пяти рассмотренных альтернативных моделей экстрагалактического распространения гамма-квантов, наилучшим образом описывает весь массив наблюдений гамма-телескопов электромагнитная каскадная модель в предположении сравнительно малой напряженности EGMF в пустотах крупномасштабной структуры распределения материи.
5 1 января 2017 г.-31 декабря 2017 г. Теоретическое и экспериментальное исследование переноса излучения в земных и астрофизических средах
Результаты этапа: В 2017 году выполнялись и обрабатывались на сканирующем комплексе НИИЯФ МГУ эмульсионные эксперименты: международный эксперимент OPERA по поиску осцилляций $ nu_mu -> nu_tau$ , тестовые эксперименты по мюонной радиографии. Полученные результаты и накопленный опыт работы позволили сотрудникам НИИЯФ МГУ включиться в два новых эксперимента, в которых будут использованы эмульсионные детекторы: NEWSdm (Nuclear Emulsion WIMPSearch dark matter) по поиску темной материи; SHiP (Search for Hidden Particles) по поиску очень слабо взаимодействующих нейтральных частиц за пределами Стандартной модели (тяжелых нейтральных лептонов, аксионов, «тёмных фотонов»). Результаты исследований метода мюонной радиографии, проведенных совместно с ФИАН им.П.Н.Лебедева, опубликованы в журнале УФН. Исследования первичного спектра космических лучей (ПКЛ) были продолжены в уникальном эксперименте СФЕРА. В результате анализа экспериментальных данных был получен энергетический спектр и массовый состав. При этом было выполнено Монте-Карло моделирование, которое позволило провести индивидуальный анализ событий и оценить погрешности результатов. Исследование характеристик взаимодействия космических лучей с ядрами атомов воздуха атмосферы остаётся актуальным и в настоящее время. Проверка современных моделей взаимодействия путем сопоставления результатов расчетов спектра мюонов космических лучей с данными экспериментов показала, что образование наиболее энергетических $ pi $ и K-мезонов примерно в два раза недооценивается рассмотренными моделями. С 2014 года в рамках темы началось исследование процессов внегалактического распространения гамма-квантов.За это время молодыми сотрудниками лаборатории получены интересные результаты, которые в 2017 году были опубликованы в журнале Astronomy and Astrophysics.
6 1 января 2018 г.-31 декабря 2018 г. Теоретическое и экспериментальное исследование переноса излучения в земных и астрофизических средах
Результаты этапа: В 2018 г. продолжено выполнение эмульсионных экспериментов, для обработки которых используется уникальный комплекс НИИЯФ МГУ по сканированию ядерных эмульсий. 1. Закончена обработка данных нейтринного эксперимента OPERA по поиску осцилляций νµ− > ντ . В 2018 году был завершен физический анализ экспериментальных данных международного эксперимента OPERA. Целью эксперимента OPERA являлось исследование осцилляций µ-нейтрино в τ - нейтрино, проявлявшихся при прохождении нейтринного пучка из CERN до подземной лаборатории Гран Сассо (CNGS, Италия). В работе [Final results of the OPERA experiment on nuτ appearance in the CNGS neutrino beam / N.Agafonova, A.Alexandrov, A. Anokhina et al. // Physical Review Letters. — 2018.— Vol. 120, no. 211801. — P. 1–7] приводятся результаты окончательного анализа всех данных, собранных за период с 2008 по 2012 годы, что соответствует 17.97×1019 соударениям протонов с мишенью в ЦЕРНе. При рассмотрении использовались менее строгие, чем в предыдущих сериях анализа, критерии отбора, которые дали 10 событий-кандидатов, уменьшив, таким образом. статистическую неопределенность в измерении параметров осцилляций и свойствах ντ . Для идентификации событий был применен многопараметрический метод и открытие появления ντ подтвердилось на уровне значимости 6.1σ. С точностью 20% было измерено ∆m223 = 2.7•10−3eV 2в случае полного смешивания (sin2(23) = 1). Проведена обработка эмульсионного материала на сканирующем комплексе НИИЯФ МГУ, обработаны 67 эмульсионных блоков, площадь эмульсии которых составила 37m2. 2. Продолжено освоение и развитие метода мюонной радиографии (МР),оптимизация автоматизированной обработки ядерных эмульсий, анализ экспериментальных данных и модельных расчетов по МР. В 2018 году совместно с ФИАН им. Лебедева проводился новый эксперимент по обследованию исторического архитектурного объекта в историческом заповеднике Нарын Кала в г. Дербенте. В подземном крестово-купольном каменном сооружении, которое может являться древнейшим христианским храмом (возраст 1.5) были установлены 5 эмульсионных детекторв с разными полями обзора, для исследования структуры окружающего грунта (возможные пустоты или уплотнения). В настоящее время проводится сканирование и обработка полученных экспериментальных данных для построения изображений, отражающих результаты «просвечивания» объекта мюонными потоками. Было проведено моделирование проводимого эксперимента с использованием GEANT4 для различных расположений детекторов. 3. Сотрудники лаборатории включились в два новых эксперимента, в которых будут использованы эмульсионные детекторы: NEWSdm SHiP. Участие в этих экспериментах потребует дальнейшего развития методов автоматизированной обработки ядерных эмульсий. Целью эксперимента SHiP (Search for Hidden Particles) является поиск очень слабо взаимодействующих нейтральных частиц за пределами Стандартной модели (тяжелых нейтральных лептонов, аксионов, «тёмных фотонов») и изучение скрытых порталов и расширений стандартной модели. Планируется использование в эксперименте ускорителя SPS 400 ГэВ (пучок и номинальная интенсивность выхода протонов 4•1013) , за 5 лет сбора данных будет набрано 2•1020 взаимодействий. Для проведения эксперимента необходимо максимально увеличить производство ускоренных частиц и уменьшить фон до минимальных значений. В рассматриваемой области энергий распады Ds-мезонов являются основным источником τ -нейтрино, распады очарованных адронов также являются источником электронных и мюонных нейтрино. Таким образом, хотя оптимизация объекта в соответствии с требованиями для поиска скрытых частиц делает его слабо пригодным для нейтринной осцилляционной физики, экспериментальная установка идеально подходит для изучения взаимодействия τ-нейтрино с помощью нейтрино и антинейтрино. Второй эксперимент NEWSdm (Nuclear Emulsion WIMPSearch dark matter) по поиску темной материи посвящен поиску частиц ”холодной”, ”тяжелой” темной материи ( WIMP) методом «прямого обнаружения», который состоит в наблюдении событий рассеяния WIMP на ядрах вещества мишени. Солнечная система движется относительно центра Галактики со скоростью ≈ 200 км/сек. Предполагается, что скорости WIMPов распределены изотропно, и при переходе в систему отсчета, связанную с Землей, соответствуют скоростям относительного движения Солнечной системы и Земли относительно Солнца. Частицы WIMP будут сталкиваться с ядрами вещества детектора, передавая им свою кинетическую энергию - будут образовываться ядра отдачи с энергиями в несколько десятков кэВ. Необходимо зарегистрировать ядра отдачи и определить их направление Предполагаемая длина трека ядра отдачи составит несколько сотен нм, для ядра кислорода - 100 нм. Веществом, способным визуализировать такой трек, в эксперименте NEWSdm служит так называемая «наноэмульсия» с необычайно маленьким размером зерен < 20 нм. Треки ядер отдачи в несколько сотен нм будут изучаться с помощью особой оптической системы с резонансным рассеянием. Такая система будет способна различить направление трека в 3-4 зерна, т.е. порядка 100 нм. В настоящее время в ГранСассо работает прототип установки NEWSdm, на котором отрабатываются методики сканирования наноэмульсий и проводятся оценки фона. Фундаментальным процессом, описывающим рассеяние WIMP на ядрах, является рассеяние слабо взаимодействующих WIMP-ов на кварках по каналу нейтрального тока. В настоящее время сотрудниками НИИЯФ МГУ проводятся расчеты. Предполагается получить распределения ядер отдачи по углу относительно cкоростей WIMP для конкретной наноэмульсии и использовать при моделировании треков в наноэмульсии с помощью комплекса GEANT4. Исследования спектра первичного космического излучения были продолжены в эксперименте СФЕРА, основанном на регистрации отраженного от снежной поверхности земли излучения Вавилова-Черенкова широких атмосферных ливней. В 2018 году продолжен анализ экспериментальных данных и моделирование эксперимента для уточнения полученных ранее результатов по энергетическому спектру и массовому составу ПКЛ. В качестве меры массы космических частиц в данном эксперименте используется параметр наклона функции пространственного распределения черенковского света регистрируемого широкого атмосферного ливня. Проведено изучение влияние модели оптических свойств отражающей поверхности (снега) на результаты эксперимента. Ранее при рассмотрении отражения от снега применялась упрощенная модель диффузного отражения Ламберта. Для более точного расчета отражения света от снега применена двухлучевая функция отражательной способности. Проведенное моделирование показало, что учет современного понимания оптических свойств снега улучшает восстановление распределения параметра наклона ШАЛ на 1-2%. Проведены расчеты общей погрешности определения спектра легких ядер. Общая относительная погрешность определения спектра легких оценена на уровне 9%. При этом наибольший вес вносит погрешность, связанная с ограниченностью количества экспериментальных данных. Проведено исследование влияния экспериментальных шумов, проанализированы и смоделированы пьедесталы в экспериментальных событиях. Установлено, что шум в экспериментальных событиях много меньше сигнала от ШАЛ и не вносит дополнительных систематических погрешностей в результаты. Продолжено исследование каскадных моделей внегалактического распространения гамма-квантов. Впервые в рамках одной работы проведен детальный обзор режимов развития межгалактических электромагнитных каскадов. Получена новая аппроксимация для средней длины свободного пробега гамма-квантов. Проведена оценка фона от электромагнитных каскадов, инициированных первичными гамма-квантами очень высоких энергий (>100 ГэВ) или ядрами предельно высоких энергий (>1 ЭэВ), в задаче поиска аксионоподобных частиц по данным гамма-телескопов (в том числе с использованием общедоступного кода CRPropa3). Исследована чувствительность гамма-телескопов Fermi LAT и CTA к параметрам внегалактического магнитного поля (Extragalactic Magnetic Field, EGMF) для случая стабильных источников. Показано, что методика, использующая форму углового распределения каскадных гамма-квантов, позволяет получить более надежные ограничения на параметры EGMF, чем возможно при использовании только спектральной информации. В 2018 году была продолжена разработка методов оценивания энергии ШАЛ по сигналам всех сработавших наземных цинтилляционных детекторов Якутской установки. Результаты опубликованы в [ Л. Г. Деденко, А. В.Лукьяшин, Т. М. Роганова, Г. Ф. Федорова // Письма в ”Журнал экспериментальной и теоретической физики”. — 2018. — Т. 108, № 2. — С. 130–134.]. В этой работе предложен новый метод оценивания энергии наклонных широких атмосферных ливней по сигналам в наземных сцинтилляционных детекторах, расположенных на расстоянии 600 м от оси ливня в плоскости установки, и результатам расчета этих сигналов в рамках двух моделей взаимодействия адронов (QGSJETII-04, EPOS LHC). Получены новые оценки энергии для 116 ливней, зарегистрированных в разные годы. Впервые показано, что энергетические спектры частиц первичного космического излучения,измеренные на Якутской установке, согласуются с мировыми данными, наблюденными на всех лучших мировых установках (TA, P. Auger Observatory).Проведены обширные вычисления по калибровке 8 наиболее часто используемых моделей (EPOS LHC, QGSJET-01, QGSJETII-03, QGSJETII-04, DPMJET 2.55, VENUS 4.12, SIBYLL 2.1 и SIBYLL 2.3.) на основе экспериментального спектра атмосферных мюонов. Результаты расчетов были сопоставлены со спектрами мюонов, полученными в работах L3 + Cosmic, LVD и MACRO.Анализ показал, что все модели прогнозируют примерно в полтора - два раза меньшую интенсивность энергетических спектров мюонов. Поскольку эти мюоны являются продуктами распадов наиболее энергетических pi и K-мезонов в атмосфере, можно заключить, что образование этих pi и Kмезонов примерно в полтора - два раза недооценивается рассмотренными моделями. Этот анализ экспериментальных и расчетных данных по спектрам космических мюонов показал, что необходимо создание новых моделей взаимодействия частиц космических лучей с ядрами атомов воздуха.
7 1 января 2019 г.-31 декабря 2019 г. Теоретическое и экспериментальное исследование переноса излучения в земных и астрофизических средах
Результаты этапа: В 2019 г. продолжено участие в международных экспериментах OPERA, NEWsdm, SHiP по исследованию осцилляций нейтрино и поиску темной материи. В рамках эксперимента OPERA в журнале Physical Review D опубликована статья с итоговыми результатами анализа параметров осцилляций мюонного нейтрино в таонное в нейтринном пучке CNGS. Показано, что наблюдение тау-нейтрино в мюонном пучке CNGS происходит с вероятностью 6,1 σ. Полученные результаты согласуются трехкомпонентной моделью нейтрино. Впервые каналы появления электронных и тау нейтрино были использованы для ограничения параметров модели стерильного смешивания 3 + 1. Кроме того, опубликована статья по исследованию сезонных вариаций мюонов, создаваемых космическими лучами в атмосфере. Детектор (электронные детекторы эксперимента OPERA) расположен в подземной лаборатории Гран-Сассо на глубине 3800 метров водного эквивалента и может быть использован для регистрации ТэВ-ных мюонов. В работе измерены модуляции потока одиночных мюонов и их корреляции с сезонным температурным циклом. В рамках темы продолжалась подготовка эмульсионного эксперимента NEWSdm по исследованию темной материи. На основании астрофизических и космологических измерений в настоящее время делается вывод о том, что обычная материя составляет менее 5% энергетического содержания Вселенной, тогда как природа оставшихся 95% (темной материи и темной энергии) остается неизвестной. Таким образом, определение свойств темной материи (ТМ) является одной из основных проблем современной физики [В. А. Рябов, и др. УФН, 178, 1129 (2008)]. Наиболее популярными кандидатами на роль частиц ТМ являются WIMP (Weakly Interacting Massive Particles ). Диапазон масс WIMP составляет 10 - 1000 ГэВ. Эксперимент NEWSdm предполагает использовать прямой метод поиска частиц темной материи. Идея прямого детектирования WIMP основана на предположении о том, что Галактика заполнена WIMP, поэтому при движении Земли многие WIMP проходят через Землю. Для оценки характеристик сигнала при прямой регистрации WIMP ключевыми параметрами являются: плотность распределения WIMP в Галактике, распределение их по скоростям в Солнечной системе, сечение рассеяния WIMP на нуклонах. В эксперименте NEWSdm предполагается прямое обнаружение WIMP путем измерения направлений и длин треков ядер отдачи, полученных в чувствительном объеме детектора ― ядерной эмульсии — при рассеянии WIMP [Agafonova N, et al. EPJ C, 78, 7 (2018)]. Детектор планируется закрепить на телескопе с вращающейся платформой, чтобы постоянно сохранять ориентацию детектора на созвездие Лебедь. Для обнаружения WIMP в детекторе используются ядерные эмульсии нового поколения с нанометровыми зернами “Nano Imaging Tracking” и “ Ultra-Nano Imaging Tracking”. При ожидаемых массах WIMP в диапазоне от 10 ГэВ до 10 ТэВ типичные энергии ядер отдачи составляют порядка 1 – 100 кэВ. Длины треков ядер отдачи составляют порядка 100 нм. В 2019 году с целью получения характеристик треков ядер отдачи в рамках темы была поставлена задача проведения полного моделирования процессов образования треков ядер отдачи в ядерной эмульсии, начиная от расчета кинематических характеристик ядер отдачи и заканчивая моделированием прохождения этих ядер через эмульсию с помощью GEANT4. Такое моделирование было выполнено впервые. Смоделированы треки ядер отдачи, составляющих эмульсию (H, C, N, O, Ag, Br), образованные при взаимодействиях с WIMP MWIMP=60 ГэВ, V=220 км/с, σv≈150км/c. Для сравнения с экспериментальными данными (треками в эмульсии ядер углерода определенной энергии, полученными на ускорителе) были смоделированы треки ядер углерода с энергиями 10, 30, 60, 100 кэВ. Кроме того, было выполнено моделирование фона — ядер отдачи от упругого взаимодействия нейтрино, которые являются основными фоновыми событиями в эксперименте NEWSdm. Результаты работы обсуждались на совещаниях коллаборации в июне и ноябре 2019 года и вошли в дипломную работу бакалавра Курочкина Е.В. Халиков Э.В. принимал участие в проведении тестового эксперимента с нано эмульсиями в Гран-Сассо и Неаполе. Во время своей командировки в Гран Сассо и Неаполь было проведено моделирование фона от электронов для эксперимента NEWSdm, а также сканирование эмульсионных пластин на новых сканирующих оптических микроскопах. Моделирование и оценка фона, который создают электроны, теряющие энергию в эмульсионной пластине, было сделано с использованием GEANT4.10.03. Проведено сравнение результатов с данными облучения электронами эмульсионной пластины формата NIT с размером кристалла 70 нм. SHiP — многоплановый международный ускорительный эксперимент, направленный, в частности, на поиск частиц вне Стандартной Модели (СМ) [Anelli V/ et al , Ar-Xiv e-prints150404956S (2015)]. Цель эксперимента SHiP (Search for Hidden Particles) ― поиск очень слабо взаимодействующих нейтральных частиц за пределами СМ (тяжелых нейтральных лептонов, аксионов, «тёмных фотонов») и изучение скрытых порталов и расширений СМ. Планируется использование в эксперименте ускорителя SPS 400 ГэВ (пучок и номинальная интенсивность выхода протонов 4*10^13 , за 5 лет сбора данных ― 2*10^20 взаимодействий). Эмульсионный детектор в SHiP представляет собой кирпичи из свинцовых пластин толщиной около 1 мм, прослоенные эмульсионными пленками. Такой детектор позволяет с большой точностью воспроизводить кинематику взаимодействия. Предполагается, что частицы легкой темной материи (LDM) будут рождаться при взаимодействии протонного пучка с энергией 400 ГэВ с вольфрамово-молибденовой мишенью детектора SHiP. При распаде pi_0 или eta_0 мезонов рождаются два гамма-кванта, один из которых может конвертироваться в медиатор, который, в свою очередь, может образовать частицу и античастицу темной материи (LDM). Другими сценариями рождения LDM могут быть тормозное излучение ускоренных протонов при прохождении ими мишени, или прямое рождение медиатора при протонно-нуклонном взаимодействии. В 2019 году поставлена задача моделирования взаимодействия LDM с эмульсионным детектором эксперимента SHiP. Сценарии взаимодействия — упругое рассеяние на электронах и ядрах, неупругое рассеяние на ядрах, глубоко-неупругое рассеяние. Кроме того, необходимо выполнить моделирование регистрации фоновых событий — взаимодействий нейтрино с эмульсионными блоками. Рождение легкой темной материи предполагается моделировать с использованием генератора BdNMC [de Niverville P. et al. arXiv:1609.01770v3 (2016)]. Параметрами, от которых зависят энергии частиц LDM и канала, в котором они преимущественно рождаются, являются масса частицы LDM и масса частицы медиатора. По тематике эксперимента SHiP в журнале JHEP опубликована статья о чувствительности эксперимента SHiP к тяжелым нейтральным лептонам. Тяжелые нейтральные лептоны (HNL) ― гипотетические частицы, предсказанные многими расширениями Стандартной Модели. Эти частицы могут, помимо прочего, объяснить возникновение масс нейтрино, генерацию наблюдаемой асимметрии вещества и антивещества во Вселенной и быть кандидатами на роль темной материи. Эксперимент SHiP позволит искать HNL, возникающие при распадах тяжелых мезонов и распространяющихся на расстояния от 50 м до десятков километров до распада. В 2019 году сотрудники лаборатории получили доступ к программному обеспечению, которое используется коллаборацией SHiP для выполнения моделирования эксперимента. Э.В.Халиков принял участие в учебной программе SHiP Starter Kit III, в которой изучил базовые навыки таких программных пакетов и онлайн-сервисов, таких как Python, Git, Bash, Root, PyRoot, GENIE, HTCondor и Fairship. Кроме того, во время своей командировки в ЦЕРН он принимал участие в подготовке «бриков» (детекторов, состоящих из эмульсионных пластин производства «Славич», прослоенных пластинами свинца или вольфрама) для эксперимента SHiP, а также их распаковке и подготовке к транспортировке в Неаполь для проявки. В 2019 г. продолжались работы по развитию неинвазивного метода мюонной радиографии. В 2019 г. опубликована статья о первом проведенном эксперименте по изучению методом мюонной радиографии археологического подземного объекта в крепости Нарын-Кала в г. Дербенте, одного из памятников Всемирного наследия ЮНЕСКО. (Abiev et al. APPL. SC/-BASEL. 9, 10, 2040,(2019)). Ответ на вопрос, что представляет собой исследуемый объект, является ли он ранней христианской церковью, может быть получен на основе исследований методом мюонной радиографии. Выполненный тестовый эксперимент позволил в первом приближении сделать выводы о применимости метода мюонной радиографии для исследования структуры данного археологического объекта. Проведены модельные расчеты для различных материалов, размеров и формы структурных образований по анализу чувствительности ядерно-эмульсионных детекторов к особенностям структуры объектов, исследуемых методом мюонной радиографии. Полученные результаты могут быть применены при продолжении экспериментов на археологическом объекте в исторической крепости Дербента и в других новых экспериментах. Проведена проверка возможности технических изменений толщины эмульсионных пластин используемого трекового детектора для улучшения процедуры автоматического сканирования. По эксперименту СФЕРА в 2019 году продолжен анализ полученных экспериментальных данных и публикация результатов этого анализа. В этой связи разработан унифицированный формат представления банка данных экспериментальных данных, который позволяет однозначно сопоставить каждому триггерному событию параметры установки. С использованием модельных данных проведён анализ геометрических искажений изображения ливня при повороте детектора. Учёт поправок позволил кратно повысить точность восстановления зенитного угла направления прихода ШАЛ (погрешность восстановления зенитного угла ШАЛ менее 1 градуса). Результаты работы представлены в 2-х публикациях в журнале Astroparticle Physics и Известия РАН, серия физическая. Отправлена заявка на грант РФФИ "Развитие методов определения химического состава первичного космического излучения в области энергий 10^16–10^18 эВ на основе современных подходов к распознаванию образов" и заявка в РНФ по теме: "Компактный черенковский детектор для исследования состава космических лучей сверхвысоких энергий". В 2019 году была продолжена разработка методов оценивания энергии ШАЛ. Выполнен анализ результатов, полученных на установках Telescope Array, Pierre Auger Observatory и ЯкуШАЛ (в рамках новой методики), по энергетическому спектру частиц первичного космического излучения. Анализ показал, что энергетический спектр ЯкуШАЛ в пределах погрешности измерений согласуется с данными Telescope Array и Pierre Auger Observatory. Сравнение результатов калибровки 9 моделей взаимодействия адронов QGSJET-01, QGSJETII-03, QGSJETII-04, SIBYLL 2.1, SIBYLL 2.3, EPOS LHC, DPMJET, VENUS 4.12, DPMJET 2.55 по энергетическим спектрам атмосферных вертикальных мюонов с данными экспериментов показало почти двойной недостаток генерации π и K мезонов в области самых высоких псевдобыстрот для всех моделей. По этим результатам был сделан доклад на Международной конференции “ISCRA 2019” и подготовлена и принята в печать статья в журнал «Ядерная физика». Продолжено исследование процессов внегалактического распространения гамма-квантов. В 2019 году эти работы поддерживались грантом РНФ 18-72-00083 и получили новый грант 20-32-70169 «Стабильность». С использованием открытого кода [Fitoussi et al., MNRAS, 466, 3472 (2017)], а также кода ECS [DzhatdoevT.A., astro-ph/1705.05360 (2017)] проведены расчеты наблюдаемых спектров и угловых распределений гамма-квантов межгалактических электромагнитных каскадов для случая близких (L<20 Мпк) внегалактических источников. При этом учитывались следующие процессы: 1) образование электронно-позитронных пар (pair production, PP) на фотонах реликтового излучения (cosmic microwave background, CMB) и внегалактического фонового излучения (extragalactic background light, EBL), 2) обратное комптоновское рассеяние (inverse Compton, IC) на CMB/EBL, 3) отклонение вторичных (каскадных) электронов в межгалактическом магнитном поле (extragalactic magnetic field, EGMF). Была использована упрощенная модель EGMF в виде одинаковых ячеек размером 1 Мпк, в которых магнитное поле ориентировано случайно и изотропно, но имеет постоянный модуль напряженности 1 нГс. Было выделено три основных режима развития межгалактического каскада в зависимости от энергии первичного гамма-кванта: 1) “режим близких источников”, в котором характерная средняя длина свободного пробега первичных гамма-квантов меньше расстояния от источника до наблюдателя, 2) “режим одного поколения”, 3) “универсальный режим”, в котором наблюдаемый спектр практически не зависит от спектра первичных гамма-квантов. Был детально рассмотрен случай L= 16.8 Mpc, что соответствует расстоянию до центра кластера галактик Virgo. В этом случае границы между режимами соответствуют энергиям 100 ТэВ и 220 ТэВ. Полученные результаты могут быть полезны для постановки ограничений на свойства тяжелой темной материи, сконцентрированной внутри кластера Virgo. В результате аннигиляции или распада частиц темной материи могут образовываться первичные гамма-кванты, энергетические и угловые распределения которых трансформируются в процессе их распространения в межгалактическом пространстве. В рамках подготовки публикации о чувствительности гамма-телескопов к параметрам внегалактического магнитного поля (ВМП): напряжённости B, длины когерентности λ -- с помощью открытого кода (Fitoussi et al., MNRAS, 466, 3472 (2017)) было проведено моделирование распространения высокоэнергичных гамма-квантов от блазара Markarian-421 во время предполагаемой кратковременной гамма-вспышки. По наблюдению разницы во времени между приходом к Земле первичных непоглощённых высокоэнергичных гамма-квантов от блазара и вторичных гамма-квантов, рождённых в результате развития электромагнитного каскада в фотонном внегалактическом поле, можно поставить ограничения на величину напряжённости B магнитного поля. Проектируемый массив черенковских телескопов Cherenkov Telescope Array (CTA) с его высокой дифференциальной чувствительностью, предположительно, сможет поставить ограничения на параметры ВМП по наблюдению задержки прихода каскадных гамма-квантов во время вспышечных явлений в блазарах. Была рассчитана зависимость тестовой статистики гипотезы о предполагаемом значении напряжённости ВМП от этого значения для наблюдения CTA кратковременной вспышки от блазара Markarian-421. Показано, что в том случае, если ВМП имеет напряжённость B = 10^14 Гс, удастся исключить с очень высокой статистической значимостью более низкие значения напряжённости ВМП. В случае реализации во Вселенной сценария, напротив, с очень слабым ВМП по наблюдениям CTA по-прежнему можно будет с высокой значимостью исключить большие значения напряжённости ВМП. В работе [A. Archer et al. (The VERITAS Collaboration), astro-ph/1806.04144 (2018)] коллаборацией VERITAS был измерен спектр необычного источника HESS J1943+213, который является экстремальным блазаром [T.A. Dzhatdoev et al., A&A, 603, A59 (2017)], но расположен вблизи плоскости Галактики. Мы провели расчет спектра этого источника в рамках популярной “адронной каскадной модели”, в которой предполагается, что все наблюдаемые гамма-кванты высокой (high energy, HE, E>100 MeV) и очень высокой (very high energy, VHE, E>100 GeV) энергии образованы в результате развития межгалактических электромагнитных каскадов, инициированных первичными протонами или ядрами предельно высоких энергий (E>1 EeV). В процессе расчета были учтены, в том числе, следующие эффекты: 1) отклонение первичных протонов при прохождении через филаменты и кластеры крупномасштабной структуры распределения материи (large scale structure, LSS), 2) отклонение электронов каскада в пустотах LSS. В результате этих эффектов, часть наблюдаемых гамма-квантов приходит с направлений, существенно отличных от направления на источник; в том случае, если соответствующий угол превосходит характерную ширину функции рассеяния точки (point spread function, PSF) наблюдающего инструмента, эти гамма-кванты не регистрируются как принадлежащие источнику. Было показано, что форма спектра источника HESS J1943+213 хорошо описывается в рамках “промежуточной адронной каскадной модели” (“intermediate hadronic cascade model”) [Dzhatdoev T.A. et al., A&A, 603, A59 (2017)].
8 1 января 2020 г.-31 декабря 2020 г. Теоретическое и экспериментальное исследование переноса излучения в земных и астрофизических средах
Результаты этапа:
9 1 января 2021 г.-31 декабря 2021 г. Теоретическое и экспериментальное исследование переноса излучения в земных и астрофизических средах
Результаты этапа:
10 1 января 2022 г.-31 декабря 2022 г. Теоретическое и экспериментальное исследование переноса излучения в земных и астрофизических средах
Результаты этапа:

Прикрепленные к НИР результаты

Для прикрепления результата сначала выберете тип результата (статьи, книги, ...). После чего введите несколько символов в поле поиска прикрепляемого результата, затем выберете один из предложенных и нажмите кнопку "Добавить".