Московский Государственный Университет

имени М.В. Ломоносова

НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ ЯДЕРНОЙ ФИЗИКИ

имени Д.В. СКОБЕЛЬЦЫНА (НИИЯФ МГУ)

УДК 539.1 № госрегистрации 01201152512 Инв. № 2011/

УТВЕРЖДАЮ Директор НИИЯФ МГУ профессор ______________ М.И. Панасюк «____» августа 2011 г.

ОТЧЕТ

О НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКОЙ РАБОТЕ

В рамках федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы

Шифр заявки «2009-1.1-125-055-007»

Государственный контракт от 7 июля 2009 г. № 02.740.11.0242

по теме

Исследование структуры атомных ядер, ядерных реакций, физики электронных ускорителей, детекторов, развитие новых методов исследования материалов с использованием пучков гамма квантов и заряженных частиц низких и средних энергий, совершенствование образования по фундаментальным и прикладным проблемам ядерной физики и физики ускорителей

(этап № 4, заключительный)

Наименование этапа: «Исследование структуры атомных ядер, ядерных реакций, физики электронных ускорителей, детекторов, развитие новых методов исследования материалов с использованием пучков гамма квантов и заряженных частиц низких и средних энергий, совершенствование образования по фундаментальным и прикладным проблемам ядерной физики и физики ускорителей

Руководитель НИР, доктор физ.-мат. наук, профессор

_________________ подпись, дата

Б.С. Ишханов

Москва 2011

Список исполнителей

Руководитель темы, зав. каф. общей ядерной физики, зав. отд., д-р физ-мат. наук, профессор	_____________________ подпись, дата	Ишханов Б. С. (Введение, заключение)
Исполнители темы:
внс, кфмн	_____________________ подпись, дата	Алимов А. С. (раздел 1.13)
студент 3 к.	_____________________ подпись, дата	Андреев А. Б. (раздел 1.13)
снс, кфмн	_____________________ подпись, дата	Андрианов В.А. (раздел 1.6, 1.7)
аспирант	_____________________ подпись, дата	Афанасьев А.А. (раздел 1.9)
вед.спец.	_____________________ подпись, дата	Бабушкин Н.Б. (раздел 1.13)
спец.	_____________________ подпись, дата	Белышев С.С. (раздел 1.12)
снс, кфмн, снс	_____________________ подпись, дата	Беспалова О.В. (раздел 1.3, 1.11)
студент 2к	_____________________ подпись, дата	Бецис Д. С. (раздел 1.13)
гнс, дфмн, проф.	_____________________ подпись, дата	Блохинцев Л.Д. (раздел 1.2)
снс, дфмн	_____________________ подпись, дата	Бобошин И.Н. (раздел 1.3)
проф, дфмн, проф.	_____________________ подпись, дата	Борисов А.М. (раздел 1.11)
студент	_____________________ подпись, дата	Бычкова Е.А. (раздел 1.8)
зав. отд, дфмн, проф.	_____________________ подпись, дата	Варламов В.В. (раздел 1.4, 1.8)
студент 5к	_____________________ подпись, дата	Владимиров И. Ю. (раздел 1.13)
науч. сотр.	_____________________ подпись, дата	Востриков В.Г. (раздел 1.11)
спец.	_____________________ подпись, дата	Вязовский В.В. (раздел 1.8)
снс, кфмн	_____________________ подпись, дата	Галанина Л.И. (раздел 1.5)
внс, дфмн	_____________________ подпись, дата	Годовиков С.К. (раздел 1.6)
нс, кфмн	_____________________ подпись, дата	Головач Е.Н. (раздел 1.1)
доцент, дфмн, доцент	_____________________ подпись, дата	Гончаров С.А. (раздел 1.3)
доцент, дфмн, доцент	_____________________ подпись, дата	Гончарова Н.Г. (раздел 1.12)
студент	_____________________ подпись, дата	Грамматикати К.С. (раздел 1.9)
студент	_____________________ подпись, дата	Грачева Е.С. (раздел 1.9)
проф, дфмн, проф.	_____________________ подпись, дата	Гришин В.К. (раздел 1.4)
студент	_____________________ подпись, дата	Громов М.Б. (раздел 1.8)
зав.отд., дфмн	_____________________ подпись, дата	Грум-Гржимайло А.Н. (раздел 1.2)
ст. науч. сотр., кфмн	_____________________ подпись, дата	Грызлова Е.В. (раздел 1.6)
студент	_____________________ подпись, дата	Давыдова Е.С. (раздел 1.9)
студент 3к	_____________________ подпись, дата	Дерзский Георгий Эдуардович
мл. науч. сотр.	_____________________ подпись, дата	Джунь И.О. (раздел 1.11)
студент	_____________________ подпись, дата	Долгодворов А.П. (раздел 1.13)
студент	_____________________ подпись, дата	Душенко С.А. (раздел 1.11)
науч. сотр., кфмн	_____________________ подпись, дата	Еременко В.О. (раздел 1.2)
снс, кфмн	_____________________ подпись, дата	Ерзинкян А.Л. (раздел 1.6)
снс, кфмн	_____________________ подпись, дата	Ермаков А.Н. (раздел 1.13)
науч. сотр., кфмн	_____________________ подпись, дата	Ермакова Т.А. (раздел 1.3)
внс, дфмн	_____________________ подпись, дата	Замиралов В.С. (раздел 1.1)
зав.лаб, дфмн, проф.	_____________________ подпись, дата	Зеленская Н.С. (раздел 1.5)
студент	_____________________ подпись, дата	Илюхин К.С. (раздел 1.13)
науч. сотр, кфмн	_____________________ подпись, дата	Исупов Е.Л. (раздел 1.1)
студент 3к	_____________________ подпись, дата	Каверина С. В. (раздел 1.13)
студент	_____________________ подпись, дата	Кайнова А.П. (раздел 1.5)
вед.спец.	_____________________ подпись, дата	Каманин А.Н. (раздел 1.13)
проф, дфмн, проф.	_____________________ подпись, дата	Капитонов И.М. (раздел 1.4)
снс, дфмн	_____________________ подпись, дата	Кечкин О.В. (раздел 1.1)
мнс	_____________________ подпись, дата	Климочкина А.А. (раздел 1.3)
снс, кфмн	_____________________ подпись, дата	Козин М.Г. (раздел 1.6, 1.7)
спец., кфмн	_____________________ подпись, дата	Комаров С.Ю. (разделы 1.3)
мнс	_____________________ подпись, дата	Конюхова И.А. (раздел 1.5)
студент	_____________________ подпись, дата	Костюков А. А. (раздел 1.13)
студент	_____________________ подпись, дата	Критченкова А.М. (раздел 1.8)
студент	_____________________ подпись, дата	Кряжева Г.Г. (раздел 1.4)
мнс	_____________________ подпись, дата	Кузнецов А.А. (раздел 1.12)
студент	_____________________ подпись, дата	Кузьмич А.В. (раздел 1.5)
зав.лаб, кфмн, снс	_____________________ подпись, дата	Куликаускас В.В. (раздел 1.11)
мнс	_____________________ подпись, дата	Куликовский В.А. (раздел 1.9)
аспирант	_____________________ подпись, дата	Курбатов Е.О. (раздел 1.1)
мнс	_____________________ подпись, дата	Курилик А.С. (раздел 1.4)
доцент, кфмн	_____________________ подпись, дата	Кэбин Э.И. (раздел 1.12)
снс, дфмн, доцент	_____________________ подпись, дата	Ланской Д.Е. (раздел 1.1)
снс, кфмн, снс	_____________________ подпись, дата	Лебедев В.М. (разделы 1.5, 1.14)
студент	_____________________ подпись, дата	Лобанов С.Ю. (раздел 1.4)
студент	_____________________ подпись, дата	Лукьянченко Г.А. (раздел 1.9)
студент	_____________________ подпись, дата	Маевский А.С. (раздел 1.13)
студент 3к	_____________________ подпись, дата	Макаров М. А. (раздел 1.9)
студент	_____________________ подпись, дата	Мартынов А.А. (раздел 1.1)
снс, дфмн, снс	_____________________ подпись, дата	Мокеев В.И. (раздел 1.1)
аспирант	_____________________ подпись, дата	Наумкин А.А. (раздел 1.2)
аспирант	_____________________ подпись, дата	Никитин Д.П. (раздел 1.13)
нс, кфмн	_____________________ подпись, дата	Никитина Л.И. (раздел 1.13)
снс, кфмн, снс	_____________________ подпись, дата	Орлин В.Н. (раздел 1.4)
внс, дфмн, снс	_____________________ подпись, дата	Орлов Ю. В. (раздел 1.2)
внс,кфмн, снс	_____________________ подпись, дата	Парфенова В.П. (раздел 1.6)
снс, кфмн	_____________________ подпись, дата	Патракеев А.С. (разделы 1.11)
гл.инж.	_____________________ подпись, дата	Пахомов Н.И. (раздел 1.13)
вед. спец. ; кфмн	_____________________ подпись, дата	Песков Н.Н. (раздел 1.8)
студент	_____________________ подпись, дата	Петрунькин Г.В. (раздел 1.12)
внс,кфмн, снс	_____________________ подпись, дата	Пискарев И.М. (раздел 1.13)
студент	_____________________ подпись, дата	Полевич Т.С. (раздел 1.8)
внс, дфмн, снс	_____________________ подпись, дата	Похил Г.П. (раздел 1.11)
студент	_____________________ подпись, дата	Ретинская Е.М. (раздел 1.1)
зав. отд., дфмн, проф.	_____________________ подпись, дата	Романовский Е.А. (разделы 1.3, 1.11, 1.15)
снс, кфмн	_____________________ подпись, дата	Ромашкина И.Л. (раздел 1.6, 1.7)
снс, кфмн	_____________________ подпись, дата	Рясный Г.К. (раздел 1.6)
студент 3к	_____________________ подпись, дата	Сергеева С. И. (раздел 1.13)
мнс	_____________________ подпись, дата	Саяпин В..Г. (раздел 1.13)
студент	_____________________ подпись, дата	Скородумина Ю.А. (раздел 1.4)
зам.рук.отд.	_____________________ подпись, дата	Сопова Л.Ф. (раздел 1.13)
нс	_____________________ подпись, дата	Спасская Т.И. (раздел 1.3)
зав.лаб, кфмн, снс	_____________________ подпись, дата	Спасский А.В. (разделы 1.5)
доцент, кфмн	_____________________ подпись, дата	Степанов М.Е. (раздел 1.8)
спец.	_____________________ подпись, дата	Стопани К.А. (раздел 1.4, 1.12)
зав.отд., дфмн, проф.	_____________________ подпись, дата	Страхова С.И. (раздел 1.6)
мнс, кфмн	_____________________ подпись, дата	Сукачев А.И. (раздел 1.1)
зав.лаб., дфмн	____________________ подпись, дата	Ткаля Е.В. (раздел 1.10)
спец.	____________________ подпись, дата	Ткаченко Н.В. (раздел 1.11)
аспирант	____________________ подпись, дата	Тюрина С.В. (радел 1.13)
аспирант	_____________________ подпись, дата	Трощиев С.Ю. (раздел 1.4)
студент	_____________________ подпись, дата	Тютюнников А.А. (раздел 1.6)
спец.	_____________________ подпись, дата	Ушканов В.А. (раздел 1.13)
спец.	_____________________ подпись, дата	Хаердинов М.Н. (раздел 1.6)
спец.	_____________________ подпись, дата	Ханкин В.В. (раздел 1.13)
снс, кфмн	_____________________ подпись, дата	Чепурнов А.С. (раздел 1.9)
ст. науч. сотр; кфмн	_____________________ подпись, дата	Черных П.Н. (разделы 1.11)
зав. каф, дфмн, проф.	_____________________ подпись, дата	Черняев А.П. (раздел 1.13)
зав. отд., дфмн, снс	_____________________ подпись, дата	Чеченин Н.Г. (разделы 1.11)
зав. лаб., дфмн, проф.	_____________________ подпись, дата	Шведунов В.И. (раздел 1.13)
мнс	_____________________ подпись, дата	Шведунов Н.В. (раздел 1.13)
доцент, кфмн	_____________________ подпись, дата	Широков Е.В. (раздел 1.9)
студент	_____________________ подпись, дата	Шубина С.А. (раздел 1.4)
мнс	_____________________ подпись, дата	Юров Д.С. (раздел 1.13)
аспирант	_____________________ подпись, дата	Яковенко Я.В. (раздел 1.9)
нормоконтролер вед.спец.	_____________________ подпись, дата	Орлова Н.В.

РЕФЕРАТ

Отчет 125 с., 1 раздел, 58 подразделов, 58 рис., 7 табл.

Ключевые слова: ускорители, ядерные реакции, структура атомных ядер, ионно-пучковые методы анализа материалов, детекторы, базы данных, сайты, образование.

Объект исследования – структура атомных ядер, ядерные реакции, физика электронных ускорителей, детекторов, методы исследования материалов с использованием пучков гамма квантов и заряженных частиц низких и средних энергий, совершенствование образования по фундаментальным и прикладным проблемам ядерной физики и физики ускорителей.

Цель работы.

1. Исследование структуры атомных ядер методами ядерной спектроскопии и ядерных реакций под действием -квантов и заряженных частиц низких и средних энергий.
2. Экспериментальные и теоретические исследования в области физики электронных ускорителей и пучков.
3. Разработка новых детекторов для регистрации частиц и рентгеновского и гамма-излучения.
4. Развитие новых методов исследования материалов с использованием пучков -квантов и заряженных частиц низких и средних энергий.
5. Обеспечение достижения научных результатов мирового уровня, подготовки и закрепления в сфере науки и образования научных и научно-педагогических кадров, формирования эффективных и жизнеспособных научных коллективов.

Методология проведения работы – применение ядерно-физических методов и ядерно-физических установок для исследования структуры атомных ядер, ядерных реакций, физики электронных ускорителей, детекторов, разработки новых методов исследования материалов с использованием пучков ускорителей, совершенствование образования по фундаментальным и прикладным проблемам ядерной физики и физики ускорителей.

Результаты работы.

1) Разработан метод связанных каналов для описания реакции рождения двух заряженных пионов во всей кинематической области.

2) Разработаны новые теоретические методы определения характеристик резонансных ядерных состояний и способов нормировки волновых функций этих состояний.

3) Определены параметры среднего поля дисперсионного подхода для изотопов Se. Определены параметры одночастичной структуры неклассических магических ядер.

4) Определены выходы наблюдаемых многочастичных фотоядерных реакций, определены и сопоставлены с данными теоретических расчетов интегральные сечения.

5) Рассчитаны структуры нейтронной периферии цепочек изотопов 6Не-8Не, 7Li-9Li-11Li.

6) Проведен теоретический анализ характеристик и конструкций туннельных детекторов.

7) Подготовлен комплекс криогенной и электронной аппаратуры, изготовлены и испытаны детекторы с поглотителями, изготовленными из кристаллов изоляторов или полуметаллов, имеющих малую теплоемкость при низких температурах.

8) Разработано необходимое программное обеспечение для функционирования электронной карты вместе с созданной ранее в ЦДФЭ Универсальной электронной системой информации по атомным ядрам и ядерным реакциям.

9) Разработано программное обеспечение для системы сбора данных детектора антинейтрино.

10) Рассчитаны сечения и скорости процессов возбуждения ядер в плазме.

11) Исследованы структура и состав тонкослойных систем спиновых диодов на основе {FeMn;IrMn}/{Co;Fe;NiFe}. Исследованы эпитаксиальные ультратонкослойные системы подзатворного диэлектрика. Исследованы защитные покрытия на поверхности материалов методом ЯОР.

12) Создана система виртуального лабораторного практикума по ядерной физике.

13) Создан на базе электронного ускорителя с энергией 600 кэВ источник рентгеновского излучения с использованием внутренней тормозной мишени, обеспечивающий мощность экспозиционной дозы до 200 кР/мин.

Все перечисленные выше результаты работ сопоставимы с аналогичными работами, определяющими мировой уровень исследований.

По результатам проведенных исследований в 2011г. защищены 1 докторская и готовится к защите 1 кандидатская диссертации. Опубликовано 4 учебные пособия, разработан 1 новый учебный курс. В работах по 4-му этапу контракта участвовало 36 студентов и аспирантов. В конце декабря 2010г. – январе 2011г. студентами защищено 15 дипломных работ (список работ приведен в разделе 1.14). Полученные результаты являются также составной частью готовящихся 8 дипломных работ. Опубликовано 24 и подготовлено к печати 7 статей в высокорейтинговых журналах. На 7 всероссийских и международных конференциях, школах и семинарах сделано 22 доклада.

СОДЕРЖАНИЕ

ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ			14
ВВЕДЕНИЕ			16
1 Содержание выполненных работ			18
		1.1 Разработка метода связанных каналов для описания реакции рождения двух заряженных пионов во всей кинематической области	18
		1.1.1 Введение	18
		1.1.2 Полученные результаты и выводы	19
		1.2 Разработка новых теоретических методов определения характеристик резонансных ядерных состояний и способов нормировки волновых функций этих состояний	28
		1.2.1 Постановка задачи	28
		1.2.2 Методы решения задачи	28
		1.2.3 Полученные результаты и выводы	29
		1.3 Определение параметров среднего поля дисперсионного подхода для изотопов Se. Определение параметров одночастичной структуры неклассических магических ядер	31
		1.3.1 Введение	31
		1.3.2 Полученные результаты	31
		1.3.3 Заключение	36
		1.4 Определение выходов наблюдаемых многочастичных фотоядерных реакций, определение интегральных сечений и их сопоставление с данными теоретических расчетов	37
		1.4.1 Постановка задачи	37
		1.4.2 Методика исследований	38
		1.4.3 Основные полученные результаты	38
		1.4.4 Выводы	39
		1.5 Расчет структуры нейтронной периферии цепочек изотопов 6Не-8Не, 7Li-9Li-11Li	40
		1.5.1 Введение	40
		1.5.2 Формализм расчета амплитуды одно- и двухступенчатых механизмов для различных реакций	41
		1.5.3 Нейтронная периферия нейтронно-избыточных изотопов Не	41
		1. 5.4 Нейтронная периферия нейтронно-избыточных изотопов Li в основных и возбужденных состояниях	43
		1.5.5 Заключение	46
		1.6 Проведение теоретического анализа характеристик и конструкций туннельных детекторов	47
		1.6.1 Введение	47
		1.6.2. Электронные шумы и неоднородное уширение линии	47
		1.6.3. Заключение	511
		1.7 Подготовка комплекса криогенной и электронной аппаратуры, изготовление и испытание детекторов с поглотителями, изготовленными из кристаллов изоляторов или полуметаллов, имеющих малую теплоемкость при низких температурах	52
		1.7.1. Введение. Принцип действия калориметрического детектора	52
		1.7.2. Конструкция калориметрического детектора альфа-частиц. Программа работ	53
		1.7.3. Сапфировый поглотитель с Al-термометром	54
		1.7.4. Электронное оборудование	54
		1.7.5. Испытания детекторов	55
		1.7.6. Заключение	55
		1.8 Разработка необходимого программного обеспечения для функционирования электронной карты вместе с созданной ранее в ЦДФЭ Универсальной электронной системой информации по атомным ядрам и ядерным реакциям	56
		1.8.1 Постановка задачи	56
		1.8.2 Основные полученные результаты	56
		1.8.3 Выводы	57
		1.9 Разработка программного обеспечения для системы сбора данных детектора антинейтрино	59
		1.9.1 Введение	59
		1.9.2 Полученные результаты	59
		1.9.3 Заключение	60
		1.10 Расчет сечений и скоростей процессов возбуждения ядер в плазме	61
		1.10.1 Введение	61
		1.10.2 Фотопоглощение	62
		1.10.3 Обратный электронный мостик	63
		1.10.4 Сравнение эффективности возбуждения ядер при фотопоглощении и обратном электронном мостике	65
		1.10.5 Обратная внутренняя электронная конверсия (IEC)	67
		1.10.6 Сравнение эффективности возбуждения ядер при фотопоглощении и обратной внутренней электронной конверсии	68
		1.10.7 Заключение	71
		1.10.8 Численный пример. Возбуждение ядер на сильноточных электронных ускорителях и установках типа «Ангара»	72
		1.11 Исследование структуры и состава тонкослойных систем спиновых диодов на основе {FeMn;IrMn}/{Co;Fe;NiFe}. Исследование эпитаксиальных ультратонкослойных систем подзатворного диэлектрика. Исследование защитных покрытий на поверхности материалов методом ЯОР	76
		1.11.1 Изготовление образцов и методика измерений	76
		1.11.2 Исследование обменного смещения в спин-диодных структурах	78
		1.11.3 Исследование эпитаксиальных ультратонкослойных систем подзатворного диэлектрика	81
		1.11.3.1 Объект исследования. Постановка задачи	81
		1.11.3.2 Исследуемый образец	85
		1.11.4 Исследование защитных покрытий на поверхности материалов методом ЯОР	88
		1.11.4.1 Введение	88
		1.11.4.2 Полученные результаты	89
		1.11.4.3 Заключение	100
		1.12 Создание системы виртуального лабораторного практикума по ядерной физике	101
		1.12.1 Введение	101
		1.12.2 Полученные результаты	101
		1.12.3 Публикация учебных материалов	102
		1.12.4 Заключение	104
		1. 13 Создание на базе электронного ускорителя с энергией 600 кэВ источника рентгеновского излучения с использованием внутренней тормозной мишени, обеспечивающего мощность экспозиционной дозы до 200 кР/мин	106
		1.13.1 Постановка задачи	16
		1.13.2 Экспериментальная установка	16
		1.13.3 Измерение радиационной стойкости оптических материалов	107
		1.13.4 Выводы	111
		1.14 Статистические сведения о результатах выполнения государственного контракта на 4-ом этапе	112
		1.15 Технико-экономическая оценка рыночного потенциала результатов, полученных при выполнении НИР на 4-ом этапе	122
	ЗАКЛЮЧЕНИЕ		122
	Список использованных источников		123

Обозначения и сокращения

ЯОР – ядерное обратное рассеяние

СТП – сверхпроводящий туннельный переход

JM – Jefferson-Moscow

МДО – микродуговое оксидирование.

ДОП - дисперсионный оптический потенциал

ОЭПВАЯ отдел электромагнитных процессов и взаимодействий атомных ядер

БД – база данных

ГДР – гигантский дипольный резонанс

NSR – база ядерных данных (Nuclear Science References)

ФЭУ – фотоэлектронный умножитель

АЦП – амплитудно-цифровой преобразователь

HMS – Hybrid Monte Carlo Simulation – Гибридная Монте-Карло симуляция.

ДОМ- дисперсионная оптическая модель

ЦАП- цифро-аналоговый преобразователь

ОВЭК- Обратная внутренняя электронная конверсия

IEC internal electron conversion (внутренняя электронная конверсия)

РОР – резерфордовское обратное рассеяние

УФ – ультрафиолет

ЛТС – лазерный термоядерный синтез

OD- оптическая плотность

ПО – программное обеспечение

КХД квантовая хромодинамика

FSI Final State Interaction (взаимодействие в конечном состоянии)

CEBAF Continuous Electron Beam Accelerator Facility

CLAS Jefferson Lab's CEBAF Large Acceptance Spectrometer

EBAC Excited Baryon Analysis Center (Центр анализа возбужденных барионов)

DCC Dynamical Coupled-Channels Analysis (динамическая модель связанных каналов)

JLAB Jefferson Laboratory (лаборатория Джефферсона)

БД ЦДФЭ База данных Центра данных фотоядерных экспериментов

ПЛИС Программируемые логические интегральные схемы

OPC Object Linking and Embedding for Process Control

ФМР ферромагнитный резонанс

ОЛН оси лёгкого намагничивания

ОТН оси трудного намагничивания

Ф ферромагнетик

АФ антиферромагнетик

СРИСЭ Спектрометрия рассеяния ионов средних энергий

ИЛО импульсное лазерное осаждение

FPGA Field Programmable Gate Arrays (программируемая вентильная матрица)

ВВЕДЕНИЕ

В настоящем отчете за 4-й (заключительный) этап работы по теме «Исследование структуры атомных ядер, ядерных реакций, физики электронных ускорителей, детекторов, развитие новых методов исследования материалов с использованием пучков гамма квантов и заряженных частиц низких и средних энергий, совершенствование образования по фундаментальным и прикладным проблемам ядерной физики и физики ускорителей» представлены результаты исследований, выполненных по шести взаимосвязанным направлениям.

Основная часть отчета делится на разделы, названия которых находятся в полном соответствии с названиями содержания работ, сформулированных в КП технического задания. Некоторые разделы делятся на подразделы и пункты. Шесть направлений сгруппированы из следующих разделов:

Разделы 1.1 – 1.5, 1.8 посвящены анализу результатов, полученных при исследовании структуры атомных ядер методами ядерной спектроскопии и ядерных реакций под действием -квантов, электронов высокой энергии и заряженных частиц низких и средних энергий.

Разделы 1.6, 1.7, 1.9 посвящены описанию исследований, проведенных с целью разработки новых детекторов – нейтринного и криогенного.

В разделе 1.10 приведены результаты расчета сечений и скоростей процессов возбуждения ядер в плазме.

В разделе 1.11 анализируются итоги работы по созданию новых методов исследования состава материалов с использованием пучков -квантов и заряженных частиц.

В разделе 1.12 представлены сведения по совершенствованию образования по фундаментальным и прикладным проблемам ядерной физики и физики ускорителей.

В разделе 1.13 представлены сведения об экспериментальных и теоретических исследованиях по физике электронных ускорителей и пучков.

В разделе 1.14 приведены статистические сведения о проделанной на 4-ом этапе работе.

Обобщение результатов работы по разделам календарного плана дано в разделе “Заключение”.

Перечень наименований всех промежуточных отчетов по этапам и их инвентарные номера:

№ этапа	Наименование отчета	№ госрегистрации ЦИТиС	№ инвертарный ЦИТиС
1	1 этап. Исследование структуры атомных ядер, ядерных реакций, физики электронных ускорителей, детекторов, развитие новых методов исследования материалов с использованием пучков гамма квантов и заряженных частиц низких и средних энергий, совершенствование образования по фундаментальным и прикладным проблемам ядерной физики и физики ускорителей	01200960045	02201050218
2	2 этап. Исследование структуры атомных ядер, ядерных реакций, физики электронных ускорителей, детекторов, развитие новых методов исследования материалов с использованием пучков гамма квантов и заряженных частиц низких и средних энергий, совершенствование образования по фундаментальным и прикладным проблемам ядерной физики и физики ускорителей	01201051954	02201056139
3	3 этап. Исследование структуры атомных ядер, ядерных реакций, физики электронных ускорителей, детекторов, развитие новых методов исследования материалов с использованием пучков гамма квантов и заряженных частиц низких и средних энергий, совершенствование образования по фундаментальным и прикладным проблемам ядерной физики и физики ускорителей	01201062287	02201150604
4	4 этап. Исследование структуры атомных ядер, ядерных реакций, физики электронных ускорителей, детекторов, развитие новых методов исследования материалов с использованием пучков гамма квантов и заряженных частиц низких и средних энергий, совершенствование образования по фундаментальным и прикладным проблемам ядерной физики и физики ускорителей	01201152512	__

1. Содержание выполненных работ

1.1 Разработка метода связанных каналов для описания реакции рождения двух заряженных пионов во всей кинематической области

1.1.1 Введение

Группа ОЭПВАЯ НИИЯФ МГУ выполняет обширный и долговременный комплекс исследований структуры возбужденных состояний нуклона (N*) в составе международной коллаборации CLAS (CEBAF Large Acceptance Spectrometer Спектрометр широкой апертуры на ускорителе JLAB; JLAB Jefferson Laboratory Лаборатория им. Джефферсона) и в рамках совместных научных исследований с JLAB. Сочетание непрерывного пучка электронов ускорителя CEBAF с рекордными энергией, током, поляризацией и 4-детектором CLAS обеспечили уникальные научные результаты, полученные на этой установке за более чем 10 лет ее работы. Детектор CLAS – единственная в мире установка, на которой возможно в каждом индивидуальном событии определить все типы конечных частиц и их 4-импульсы. Группой ОЭПВАЯ внесен лидирующий вклад в исследования структуры N* в реакциях фото- и электророждения пар заряженных пионов на протонах. За отчетный период была завершена работа, в которой впервые в мире определены электромагнитные формфакторы P11(1440) и D13(1520) резонансов из реакций электророждения пар заряженных пионов на протонах. Результаты, полученные группой ОЭПВАЯ, в значительной степени стимулировали дальнейшее развитие исследований структуры N*. Решением Департамента Энергетики США (DOE Office of Science) в структуре JLAB был создан специальный центр – Excited Baryon Analysis Center (EBAC) под руководством одного из ведущих в мире экспертов в области динамики реакций под действием пучков фотонов и адронов – Dr. T-S.H.Lee. Главной задачей EBAC является определение электромагнитных формфакторов и адронных параметров N* из глобального анализа данных по всей совокупности эксклюзивных каналов электророждения мезонов на нуклонах в рамках метода связанных каналов. Формализм связанных каналов позволяет строго учесть адронные взаимодействия в начальных и конечных состояниях, а также последовательно обеспечить выполнение всех требований, налагаемых на амплитуды реакций общим условием унитарности S-матрицы.

Для использования метода связанных каналов особое значение имеет надежная информация о механизмах реакций, вносящих вклад в амплитуды индивидуальных эксклюзивных каналов. Каналы рождения одиночных (N) и пар пионов (N) описывают более 90% полного сечения электророждения мезонов в резонансной области. Поэтому данные о механизмах этих каналов необходимы в первую очередь для глобального анализа всех эксклюзивных реакций в целях определения электромагнитных формфакторов N*. Единственные в мире экспериментальные данные по реакциям электророждения пар заряженных пионов на протонах, полученные группой ОЭПВАЯ на детекторе CLAS, позволили определить все механизмы, вносящие значимый вклад в сечения этого одного из наиболее сложных эксклюзивных каналов. Сечения и амплитуды механизмов, вносящих вклад в реакцию epep+-, были определены из совместного описания всех измеренных наблюдаемых в рамках феноменологической модели этой реакции JM, развитой в сотрудничестве между НИИЯФ МГУ и JLAB. Сечения и амплитуды установленных нами механизмов будут использованы EBAC в глобальном анализе эксклюзивных каналов электророждения мезонов в целях определения электромагнитных формфакторов N*. Полученная нами информация о канале epep+- критически важна для использования в методе связанных каналов EBAC-DCC (DCC dynamical coupled-channels динамическая модель связанных каналов), поскольку доминирующие эксклюзивные каналы электророждения мезонов сильно связаны взаимодействиями в конечном состоянии с каналом epep+-.

Наличие данных по электромагнитным формфакторам N* полученных:

а) из независимого анализа различных эксклюзивных каналов, в первую очередь

основных эксклюзивных каналов N и N,

б) в глобальном анализе EBAC-DCC полной совокупности эксклюзивных каналов

имеет большое значение для их надежного определения. Полученные перечисленными выше методами результаты по электромагнитным формфакторам N* (совпадающие в пределах неопределенностей) свидетельствуют о надежном извлечении из данных этих фундаментальных физических величин. Сравнение результатов перечисленных подходов даст оценку неопределенностей извлекаемых электромагнитных формфакторов N*, связанных с модельными приближениями в описании эксклюзивных каналов электророждения мезонов.

1.1.2 Полученные результаты и выводы

Определение электромагнитных формфакторов N* из анализа данных эксклюзивных каналов электророждения мезонов включает в себя два основных шага: а) разделение резонансных и нерезонансных вкладов в амплитуды канала; б) извлечение электромагнитных формфакторов и адронных параметров N* из резонансных амплитуд. В моделях, развитых группой ОЭПВАЯ для анализа реакции epep+, и моделях описания однопионного электророждения используется брейт-вигнеровская параметризация резонансных амплитуд. Электромагнитные формфакторы, массы и ширины адронных распадов N* являются параметрами брейт-вигнеровской резонансной амплитуды и определяются из условия наилучшего воспроизведения всей совокупности измеренных наблюдаемых. За отчетный период группой ОЭПВАЯ сделан новый шаг в описании резонансных частей амплитуд реакции ep ep+-. Параметры N* были определены с использованием унитаризованной брейт-вигнеровской параметризации резонансной амплитуды. Ее использование позволяет учесть переходы между различными N* в одетом пропагаторе возбуждаемых в s-канале резонансов.

Одной из основных проблем в извлечении электромагнитных формфакторов N* из анализа индивидуальных каналов электророждения мезонов на нуклонах является надежное разделение вкладов резонансных и нерезонансных амплитуд. Современный статус теории сильного взаимодействия не позволяет и в обозримой перспективе не позволит описать нерезонансные процессы на основе квантовой хромодинамики (КХД). Поэтому разделение резонансных и нерезонансных механизмов выполняется в рамках феноменологических моделей реакций. Эти модели проверяются сравнением их результатов с имеющимися данными. Тем не менее, поскольку модели имеют значительное количество подстраиваемых к данным параметров, возникает вопрос о надежности разделения резонансных и нерезонансных процессов и надежности определения параметров N*.

Исследования различных эксклюзивных каналов электророждения мезонов дают возможность проверить надежность разделения резонансных и нерезонансных механизмов и надежность определения параметров N*. Нуклонные резонансы распадаются на различные конечные состояния, поэтому их параметры могут извлекаться из анализа различных эксклюзивных каналов электророждения мезонов. Электромагнитные формфакторы N* должны быть одинаковыми во всех эксклюзивных каналах. Нерезонансные же механизмы в различных эксклюзивных каналах полностью отличаются друг от друга. Таким образом, совместное описание всех наблюдаемых в основных каналах электророждения мезонов N и N с одинаковыми в пределах ошибок величинами электромагнитных формфакторов будет свидетельствовать о надежном разделении резонансных и нерезонансных механизмов и надежном определении параметров N*.

Анализ полученных группой ОЭПВАЯ экспериментальных данных по сечениям реакции epep+- в рамках последней версии модели JM10 с использованием унитаризованной брейт-вигнеровской параметризации резонансной амплитуды позволил впервые в мире получить электромагнитные A1/2, A3/2 и S1/2 формфакторы состояний P11(1440) и D13(1520) из данных этого эксклюзивного канала при виртуальностях фотонов Q2<0.6 ГэВ2. Эта работа завершена в отчетный период и готовится публикации в Phys. Rev. C, как статья международной коллаборации CLAS. Предварительные результаты доложены на многих Международных конференциях и опубликованы. В качестве примера на рис. 1.1.2.1 показаны Q2-зависимости электромагнитных формфакторов A1/2 для резонанса P11 (1440) и A3/2 для резонанса D13(1520) в сравнении с результатами анализа реакций однопионного электророждения. Все формфакторы P11(1440) и D13 (1520) резонансов, извлеченные из данных реакций однопионного и двухпионного электророждения, полученных на установке CLAS, находятся в хорошем согласии друг с другом. Достигнуто хорошее описание большого числа наблюдаемых, впервые измеренных на установке CLAS для двух доминирующих каналов электророждения мезонов. Нерезонансные механизмы этих каналов полностью отличаются друг от друга. Анализ каналов выполнен в независимых моделях реакций. Хорошее совпадение результатов по электромагнитным формфакторам P11(1440) и D13(1520) состояний, извлеченных из двух основных эксклюзивных каналов электророждения мезонов, впервые в мире продемонстрировало возможность надежного определения электромагнитных формфакторов N* из независимого анализа основных эксклюзивных каналов электророждения мезонов.

Рисунок 1.1.2.1 Электромагнитные формфакторы A1/2 резонанса P11 (1440), определенные из данных канала N (треугольники) и реакциям однопионного электророждения (кружки).

Полученные результаты сыграли ключевую роль в дальнейшем развитии методов извлечения электромагнитных формфакторов N* из глобального анализа всех эксклюзивных реакций в формализме связанных каналов.

Конечные адронные состояния мезонов и барионов, образующиеся в различных эксклюзивных каналах электророждения мезонов на протонах, оказываются связанными между собой. Между всеми этими конечными состояниями происходят взаимные переходы, обусловленные сильными взаимодействиями. Имеющиеся экспериментальные данные по рождению мезонов на нуклонах в N взаимодействиях показывают, что сечения реакции NN являются вторым по величине после упругого рассеяния вкладом в полное сечение N взаимодействий. Таким образом, два доминирующих канала электророждения мезонов на протонах N и N оказываются сильно связанными адронными взаимодействиями в конечных состояниях (FSI - Final State Interaction). Наличие FSI также приводит к тому, что доминирующие каналы электророждения мезонов могут оказывать существенное влияние на амплитуды каналов с меньшими сечениями: N, N, K, K и др. В моделях для независимого анализа индивидуальных каналов электророждения мезонов учет FSI осуществляется введением феноменологических членов в амплитуды реакций, которые определяются из описания всей совокупности экспериментальных данных. Такие подходы ограничены чисто феноменологическим учетом FSI.

Современный статус теории адронных реакций открывает возможности установить фактические механизмы мезон барионных взаимодействий, описываемых феноменологической параметризацией FSI. За последние годы достигнут значительный прогресс в развитии методов извлечения электромагнитных формфакторов и адронных параметров N* в глобальном анализе данных по всем эксклюзивным каналам электророждения мезонов на нуклонах в формализме связанных каналов. В этих подходах выполняется глобальный анализ всех данных как по эксклюзивным каналам электророждения мезонов на нуклонах, так и по образованию этих конечных состояний в N и KN взаимодействиях. Амплитуды FSI определяются вкладами диаграмм, описывающих образование конечных мезон-барионных состояний в реакциях под действием пучков адронов. В наиболее развитых моделях связанных каналов учитывается возможность нахождения частиц вне массовой поверхности в промежуточных мезон-барионных состояниях. Тем самым, в методах связанных каналов выполняется последовательный учет адронных взаимодействий в конечных состояниях для всех эксклюзивных каналов электророждения мезонов. Последовательный учет FSI является необходимым для построения амплитуд реакций, удовлетворяющих ограничениям, налагаемым общим требованием унитарности S-матрицы.

Экспериментальные данные по сечениям реакций epep+-, впервые в мире полученные группой ОЭПВАЯ, в значительной мере стимулировали дальнейшее развитие методов связанных каналов, т.к. детальная информация по сечениям реакции epep+- впервые открыла возможность для совместного анализа основных эксклюзивных каналов электророждения мезонов в формализме связанных каналов.

Хорошее описание всех измеренных дифференциальных сечений в рамках развитой в ОЭПВАЯ модели JM позволило установить, что в амплитуды реакции epep+- вносят вклад следующие изобарные каналы с образованием нестабильных адронов в промежуточных состояниях:, p, -D13+(1520), -F15+(1685), -P++33(1600) и их последующие распады на конечное состояние p+-. Совместный вклад этих каналов отвечает >70% полностью проинтегрированного сечения реакции. Оставшаяся часть сечения формируется вкладами прямых механизмов рождения пар заряженных пионов на протонах, когда конечное состояние p+ образуется без формирования нестабильных адронов в промежуточных состояниях. Наличие амплитуд прямого рождения пар пионов обусловлено требованием унитарности. Вклады прямых процессов были впервые обнаружены при анализе данных CLAS в рамках развитой в ОЭПВАЯ модели JM.

Амплитуды и дифференциальные сечения для вкладов всех перечисленных выше процессов в электророждение пар заряженных пионов на протонах были получены из условия наилучшего воспроизведения всех измеренных дифференциальных сечений в рамках модели JM. Параметры N* и амплитуд нерезонансных механизмов модели JM варьировались совместно. Пример извлеченных сечений для механизмов реакции epep+- показан на рис. 1.1.2.2. Полученная группой ОЭПВАЯ информация о механизмах этого эксклюзивного канала является критически важной для надежного определения параметров N* в методах связанных каналов.

Рисунок 1.1.2.2 Дифференциальные сечения и их неопределенности для суперпозиции вкладов изобарных каналов, извлеченные из N+- данных CLAS (точки с ошибками) в рамках модели JM. Линии соответствуют дифференциальным сечениям с минимальным 2.

Анализ в моделях связанных каналов полученных группой ОЭПВАЯ данных по Q2-зависимости электромагнитных формфакторов N* открыл новые возможности в изучении структуры N*. Как следствие требования унитарности полной амплитуды, нерезонансные механизмы должны давать вклады в процессы мезон-барионного одевания резонансной электромагнитной вершины, показанные на рис 1.1.2.3. В результате электромагнитные формфакторы N* определяются суперпозицией двух амплитуд - голой электромагнитной вершины (левая часть рис. 1.1.2.3) и мезон-барионным одеванием (правая часть рис. 1.1.2.3).

Рисунок 1.1.2.3. Процессы электровозбуждения N*: а) в фотон-протонном взаимодействии, описываемом голой вершиной, вычисляемой в кварковых моделях; б) в мезон-барионном одевании, определяемом вкладами нерезонансных механизмов в резонансную вершину, как следстие условия унитарности

Амплитуда мезон-барионного одевания состоит из нерезонансных амплитуд, отвечающих формированию всех возможных промежуточных мезон-барионных состояний, их последующего перерассеяния и формирования N*. Таким образом, структура N* должна определяться как вкладом кваркового кора, электровозбуждение которого описывается голой вершиной, так и эффектами мезон-барионного одевания. Подобную композицию структуры N* предсказывают все модели связанных каналов, так как это предсказание базируется на общем требовании унитарности.

Анализ экспериментальных данных по электромагнитным формфакторам низколежащих резонансов (M < 1.6 ГэВ), полученных группой ОЭПВАЯ из реакций epep+ совместно с анализом формфакторов этих резонансов из реакций электророждения одиночных пионов, позволил впервые получить подтверждение этих предсказаний, обнаружив из данных эксперимента совместный вклад от кваркового кора и мезон-барионного одевания в структуру низколежащих N*. На рис. 1.1.2.4 показаны экспериментальные данные по электромагнитному формфакторy A1/2 резонанса P11(1440) в сравнениями с предсказаниями кварковых моделей.

Рисунок 1.1.2.4 Данные по электромагнитному формфактору A1/2 P11(1440) резонанса извлеченные группой ОЭПВАЯ из канала N (треугольники) и результаты анализа N канала (точки). Расчеты кварковых моделей на световом фронте показаны сплошной и пунктирной линиями. Результаты ковариантной кварк-дикварковой модели показаны штрих-пунктирной линией. Толстая сплошная линия отвечает расчетам абсолютной величины амплитуды мезон-барионного одевания.