Ядерная физика

Традиционно к ядерной физике относят не только исследования, связанные со структурой атомного ядра и ядерными реакциями, но и всю физику элементарных частиц, а также отчасти некоторые разделы астрофизики и космологии. В настоящее время усилия нашей группы сосредоточены в области так называемых неускорительных экспериментов в физике элементарных частиц.


Международный эксперимент GERDA

Эксперимент GERDA (GERmanium Detector Array), реализуемый в Национальной Лаборатории Гран Сассо в Италии, создан для поиска двойного безнейтринного бета-распада Ge-76. В GERDA применяются детекторы из германия, обогащенного изотопом Ge-76. Детекторы погружены в жидкий аргон, который охлаждает их до рабочей температуры (87 К) и, одновременно, служит дополнительной защитой от фонового излучения. Эксперимент проводится в несколько этапов или фаз. На данный момент закончилась вторая фаза эксперимента и планируется третья.

GERDA

Однако с повышением точности эксперимента в следующих фазах одним из источников фоновых событий могут стать взаимодействие 76Ge с нейтрино от солнца. Члены группы занимаются этой проблемой в сотрудничестве со специалистами Курчатовского института. Это исследование отталкивается от предварительных расчетов руководителя группы Инжечика Льва Владиславовича (он является членом коллаборации GERDA).


Мюонный монитор для подземных низкофоновых экспериментов

Расположение: Испания, Канфранк-Эстасьон(Canfranc-Estación), подземная лаборатория в Канфранке(LSC Laboratorio Subterráneo de Canfranc)

map

Задача: регистрация групп космических мюонов высоких энергий в условиях подземной лаборатории LSC.

Схема установки: базовыми детектирующими элементами монитора являются сцинтилляционные детекторы мюонов SC16, каждый из которых в свою очередь состоит из 16 единичных сцинтилляционных детекторов SC1(«пикселей») и внутренней электроники.

В состав системы сбора данных(DAQ) входят блоки обработки сигналов о времени(TimeBoard) и координате(HodoscopeBoard) сработавших пикселей; блоки низковольтного питания для детекторов; VME units и компьютер для финального вывода исходных файлов; Trigger Unit для отбора мюонных событий в реальном времени.

DAQ system:

Electronics

  • Power supply for the sc16 detectors
  • Hodoscope board (pattern info)
  • Time master board (timing info)
  • 7 power supplies for these boards
  • VME modules
  • VME Pattern unit V1495
  • Computer with data acquisition program
  • Trigger Unit (real time selection)

Сцинтилляционные детекторы SC16 сцинтилляциой системы монитора сгруппированы в три слоя. Верхний и нижние слои состоят из 9 детекторов SC16 с общим количеством сцинтилляторов SC1 в каждом слое, равным 9*16 = 144. Средний слой состоит из 4 детекторов SC16 т.е 64 сцинтилляторов SC1.

Детекторы среднего и верхнего слоев покоятся на деревянной раме. Рама опирается на нижний слой. Сверху сборка из трех слоев накрыта свинцовым экраном.

setup

Схема сборки детекторов


Установка по поиску массы нейтрино Троицк ню-масс

spectrometer

Установка "Троицк ню-масс" является одним из немногих действующих в России экспериментов мирового уровня в области физики элементарных частиц. Цель эксперимента - поиск масс как активных, так и стерильных нейтрино. Результаты, полученные на установке, в настоящее время являются лучшими в мире.


Изучение TGE и TGF

На сегодня в физике атмосферного грозового разряда существует множество неразгаданных тайн. Ключевая из них - проблема инициализации молнии: несмотря на то, что динамика формирования молнии детально изучена, не известно, как начинается процесс развития молниевого разряда. Для начала формирования молнии необходим электрический пробой внутри грозового облака, однако наблюдаемые в атмосфере электрические поля на целый порядок меньше пробойных полей.

Ещё один необъяснённый феномен атмосферного электричества - гамма-всплески, наблюдаемые с 1994 года космическими гамма-обсерваториями (например, BATSE, Fermi), созданными для наблюдения гамма-излучения астрофизических источников. Загадочное природное гамма-излучение земной атмосферы получило название гамма-вспышек земного проихождения (Terrestrial Gamma-ray Flashes, TGFs). Оно примечательно своей короткой длительностью (порядка сотни микросекунд) и высокой интенсивностью гамма-излучения. Построение непротиворечивой модели TGF является одной из ключевых задач для современных учёных.

fermi
Рисунок 1. Гамма телескоп Fermi.
TGF-NASA
Рисунок 2. Terrestrial Gamma-ray Flashes согласно NASA.

Многолетнее наблюдение TGF позволило установить, что, по-видимому, в основе этого природного явления лежит ускорение релятивистских электронов в электрических полях грозовых облаков. Оказывается, в грозовых облаках возможно формирование такого крупномасштабного электрического поля, которое способно ускорять электроны сильнее, чем они тормозятся при взаимодействии с атмосферным воздухом. Это явление было предсказано российским учёным А.В. Гуревичем в 1992 году. Релятивистские электроны, ускоряемые электрическим полем, называются убегающими, а минимальное электрическое поле, при котором убегание электронов возможно, называется критическим. Убегающие электроны, взаимодействуя с молекулами воздуха, выбивают новые электроны, которые также могут стать убегающими. Этот процесс приводит к формированию лавины убегающих электронов (Рисунок 3). Затравочные частицы для таких лавин рождаются вторичными космическими лучами. Лавины убегающих электронов при взаимодействии с воздухом создают тормозное гамма-излучение. Спектральный анализ TGF показал, что именно явление убегания релятивистских электронов в грозовых облаках является наиболее вероятным источником земных гамма-вспышек. Тем не менее, построение модели TGF требует более глубокого изучения физики лавин убегающих электронов.

runway
Рисунок 3. Моделирование лавин убегающих электронов на Geant4. Красные треки частиц - электроны, зелёные - гамма-излучение, синие - позитроны.

Гамма-излучение грозовых облаков наблюдается не только из космоса. Существует множество наземных обсерваторий, изучающих это природное явление. Одна из них - станция Арагатц на одноимённой горе в Армении. Исследования на станции проводятся Отделом космических лучей (Cosmic Ray Division) Ереванского Физического института, под руководством А. Чилингаряна. Высокогорное расположение экспериментального комплекса удобно для исследования грозовых облаков, так как они проходят на высоте в сто и менее метров над экспериментальными установками. Важной для грозовой физики особенностью этого экспериментального комплекса является его расположение всего в ста метрах от высоты грозовых облаков. Это позволяет получать важные экспериментальные данные по атмосферному гамма-излучению. Явление, наблюдаемое на горе Арагатц, получило название Thunderstorm Gamma Enhancement (TGE). Его длительность, по сравнению с TGF, большая, порядка 30 минут. Анализ данных по наблюдению TGE показал, что он, в основном, состоит из гамма-изучения распада дочерних ядер радона, поднимающихся вместе с аэрозолями за счёт электрического поля между поверхностью земли и грозой. Это мягкая компонента TGE, энергия гамма квантов мягкой компоненты не превышает 3 МэВ. Однако периодически в TGE возникают мощные потоки жёсткой компоненты гамма-излучения, энергия которого достигает 100 МэВ. Длительность таких вспышек составляет порядка 100 милисекунд, как правило, они прерываются разрядом молнии. Надёжно установлено, что источником жёсткой компоненты TGE являются лавины убегающих электронов, ускоряемых грозовыми электрическими полями.

aragats
Рисунок 4. Экспериментальный комплекс на горе Арагатц.
tge
Рисунок 5. High Energy Atmospheric Physics согласно Cosmic Ray Division. В основе гамма-излучения, наблюдаемого во время грозы, лежит ускорение релятивистских электронов в грозовых облаках (жёсткая компонента), а также радиоактивный распад дочерних ядер радона (мягкая компонента).

Изучение динамики лавин убегающих электронов не ограничивается исследованием их гамма-излучения. Потоки релятивистских электронов также вызывают повышеный уровень ионизации внутри грозового облака. Повышенная ионизация может оказать значительный вклад в процессы формирования стримеров и лидеров, лежащие в основе инициации молнии. Кроме того, грозовые облака являются источником УКВ излучения. Для регистрации ультракоротких волн станция Арагатц оснащена интерферометром. Предполагается, что релятивистские частицы также способны вызвать процессы, приводящие к УКВ излучению. Изучение плазменных процессов, связанных с ионизацией убегающих электронов, в совокупности с анализом данных УКВ интерферометров позволит пролить свет на неизведанные явления атмосферной физики.

uhf
Рисунок 6. Антенны УКВ интерферометра, расположенного на горе Арагатц.

Спутниковый детектор солнечного излучения

Сотрудники лаборатории методов ядерно-физических разработали прототип детектора для спектроскопии солнечных космических лучей. Заказчиком работы выступил Институт Космических Исследований РАН. Прототип детектора был собран и протестирован в Институте Ядерных Исследований РАН. Результаты исследования опубликованы в JINST.

Конструктивно детектор представляет собой сцинтилляционный цилиндр, сегментированный на несколько шайб. С каждой шайбы энерговыделение проходящей через детектор частицы снимается отдельно. Такая конструкция позволяет восстанавливать кривую потерь регистрируемых частиц, что увеличивает энергетическое разрешение детектора по сравнению с классическими калориметрами. Более того, за счёт сегментации детектор способен работать в так называемом интегральном режиме. В таком режиме работы детектор за время экспозиции регистрирует суммарную кривую потерь от нескольких попадающих частиц. Сотрудниками лаборатории было показано, что используя метод регуляризации Турчина получается восстановить с хорошей точностью спектр зарегистрированных прибором частиц по их суммарной кривой потерь. Интегральный режим позволяет детектору работать в том случае, если частота попадания частиц на детектор превышает скорость считывания электроники. Это даёт прибору преимущество перед существующими спектрометрами солнечных космических лучей.

detector
Рисунок 1. Прототип прибора. 1 — тело детектора, состоящее из сцинтилляционных шайб, 2 — оптоволокно в защитной оболочке, 3 — платы управления напряжением смещения и сбором данных, разработанные в ОИЯИ, 4 — корпус и стойка прототипа (для наземных исследований).
reconstruction
Рисунок 2. Пример реконструкции спектра протонов детектором в интегральном режиме работы. Использованы данные симуляции Geant4.