Регистрация / Вход
Прислать материал

Исследование электромагнитных взаимодействий ядер и динамики поля заряженных частиц

Стадии проекта
Предложение принято
Конкурс завершен
Проект закончен
Проект
02.740.11.0245
Организация
ФГАОУ ВО НИ ТПУ
Руководитель работ
Науменко Геннадий Андреевич

Информация отсутствует

Соисполнители

Организация
ИЯФ СО РАН

Участники проекта

Зам. руководителя работ
Кречетов Юрий Федорович

Этапы проекта

1
07.07.2009 - 15.12.2009
1. Результаты работы на 1-м этапе.

1.1 Выполнен теоретический анализ «эффекта тени» поля релятивистских электронов. Результаты анализа показали возможность дуального подхода к интерпретации этого явления и подтвердили возможность экспериментального разрешения проблемы его неоднозначной интерпретации. Результаты анализа представлены на международной конференции “Radiation from Relativistic Electrons in Periodic Structures” (“RREPS 2009”), сентябрь 2009, Звенигород, Россия и будут опубликованы в журнале “Journal of Physics”.
Создана экспериментальная установка на электронном пучке микротрона НИИ ЯФ ТПУ с энергией 6.2 МэВ, позволяющая проводить исследования с регистрацией когерентного излучения в миллиметровом диапазоне длин волн.
  
1.2. Изготовлен стенд для измерения электродинамических характеристик мишеней, на котором с точностью до 5 % измерены характеристики затухания электромагнитного поля реальных фотонов в зависимости от толщины поглотителя.

1.3. Проведены эксперименты по измерению отношений сечений упругого (е+p) и (е-p)-рассеяния в широком интервале переданных импульсов. Разработан и реализован метод прецизионного измерения отношения дифференциальных сечений (е+p) и (е-p)-рассеяния, полученных на внутренней сверхтонкой газовой мишени в накопителе. Проведены сеансы эксперимента по измерению отношений дифференциальных сечений упругого рассеяния электронов и позитронов на протонах для величин переданного импульса до 1,5 ГэВ2/с2. Уровень систематической ошибки измерения величины R не превышает 0,5 %.

1.4. Проведены расчеты и конструирование трех магнитов СМФ с помощью программы Mermaid. Определены и разработаны основные узлы экспериментального промежутка для СМФ. Рассмотрены варианты конструкции магнитов системы мечения. Выбран вариант системы мечения виртуальных фотонов с использованием «теплых» магнитов. Выполнены технические чертежи ряда узлов экспериментального промежутка и отдельные элементы уже сданы в производство, другие находятся на стадии детальной технологической проработки.

1.5. Изготовлены элементы параболической оптики, включающие одномерные и двумерные параболические зеркала с различным фокусным расстоянием при соблюдении параболичности с точностью 100 мкм, поляризаторы для тракта регистрации излучения в миллиметровом диапазоне длин волн и средства её настройки и управления для экспериментов на пучке микротрона и измерений электродинамических характеристик мишеней на стенде.

2. Новизна применяемых решений в сравнении с другими работами, родственными по тематике и целевому назначению и определяющими мировой уровень.
В ходе теоретического анализа «эффекта» тени в рамках классической электродинамики впервые использовался подход с точки зрения существования нестабильного состояния электрона с частичной потерей кулоновского поля. Впервые в мире выполнены прецизионные измерения отношения дифференциальных сечений (е+p)- и (е-p)- рассеяния на внутренней сверхтонкой газовой мишени в накопителе.

3. Особенности исследования, разработки, метода или методологии проведения работы на отчетном этапе.
В созданной экспериментальной установке для разрешения проблемы неоднозначной интерпретации «эффекта тени» используется недавно апробированная нами методика подавления эффекта «ближней зоны» при регистрации излучения (Письма в ЖЭТФ, т. 84, в. 3 (2006), с. 136)
Впервые в мире создаётся уникальная СМФ, адаптированная к внутренней тензорно-поляризованной дейтериевой мишени, и позволяющая определять поляризацию меченых фотонов.
Результаты работы опубликованы в журнале Известия высших учебных заведений в разделе "ФИЗИКА", том 52, №11/2 (2009).

4. Области и масштабы использования полученных результатов

4.1. Области применения полученных результатов.
Полученные результаты могут быть использованы в области теоретической и экспериментальной физики элементарных частиц и полей при построении моделей их взаимодействия с веществом.
Результаты точного измерения отношения сечений упругого (е+p) и
(е-p)-рассеяния будут использованы для тестирования современных теоретических моделей физики адронов низких и средних энергий, разрабатываемых в научных центрах России, в частности, в Институте ядерной физики им. Г. И. Будкера СО РАН (г. Новосибирск), НИИ ЯФ МГУ (г. Москва), Объединенном институте ядерных исследований (г. Дубна), Санкт-Петербугском ИЯФ и во многих государственных университетах России, а также в зарубежных, в частности, MAMI (г. Майнц, Германия), BATES (г. Бостон, США), BNL (г. Аптон, США), TJNAF (г. Вильямсбург, США).
Результаты исследований по созданию уникальной СМФ будут использованы при проектировании, создании и эксплуатации аппаратных средств электронных накопителей в России, в частности, в Институте ядерной физики им. Г. И. Будкера СО РАН (г. Новосибирск), Объединенном Институте Ядерных Исследований (г. Дубна), в Российском Научном Центре «Курчатовский институт» (г. Москва), в Московском Государственном Институте Электронной Техники (г. Зеленоград) и в научных центрах DESY (г. Гамбург, Германия), COSY (г. Юлих, Германия), IUCF (г. Блумингтон, США), BATES (г. Бостон, США), BNL (г. Аптон, США).
Полученные результаты исследования (е+p)- и (е-p)- рассеяния и развития методики внутренней мишени в накопителе будут использованы в диссертациях аспирантов и магистрантов.
  
4.2. Ход практического внедрения полученных результатов.
Новое направление исследований в области динамики поля релятивистских заряженных частиц открыло дополнительные возможности для привлечения к исследованиям студентов и аспирантов физико-технического факультета Томского политехнического университета. Созданный стенд планируется взять за основу для проведения лабораторных работ по курсу электродинамики в разделе «Электромагнитные свойства материалов».
Полученные результаты исследований (е+p)- и (е-p)- рассеяния и развития методики внутренней мишени в накопителе используются в дипломных и курсовых проектах студентов, а также в диссертациях аспирантов и магистрантов.
Результаты исследований (е+p)- и (е-p)- рассеяния будут использованы при модернизации следующих учебных программ высшего и послевузовского профессионального образования:
1. Квантовая физика.
2. Компьютерное моделирование физических процессов и явлений.
3. Теоретическая физика
4. Физика ядра и элементарных частиц.
По результатам работы представлена диссертация на соискание ученой степени к.ф.-м.н Осиповым А.В

4.3. Оценка влияния полученных результатов, на подготовку и закрепление в сфере науки и образования научных и научно-педагогических кадров.
К выполнению НИР по указанной тематике на данном этапе привлечено 6 аспирантов и 5 студентов Физико-технического факультета ТПУ. По предварительным оценкам половина привлечённых аспирантов продолжат исследования по этой тематике после окончания аспирантуры.

5. Выводы.
Выполнение исследований по указанным направлениям фундаментальной науки в силу новизны и значимости этих направлений позволили привлечь студентов и выпускников Томского политехнического университета к проведению научных исследований в рамках НИРС и аспирантуры ТПУ. Результаты исследований вносят значительный вклад в накопление знаний по фундаментальным вопросам и планируются для включения их в курсы «теоретической физики» и «физика ядра и элементарных частиц» физико-технического факультета ТПУ.
Развернуть
2
01.01.2010 - 30.06.2010
1. Рассчитан и изготовлен спектрометр с плавающими стрипами в миллиметровом диапазоне длин волн с повышенной эффективностью регистрации для проведения экспериментальных исследований динамики поля релятивистских электронов. Среднее относительное спектральное разрешение спектрометра составляет 7%.
  2. Исследован экспериментально характер взаимодействия поля релятивистских электронов с поглощающим и проводящим экранами. Показано, что взаимодействие поля релятивистских электронов с поглощающим и проводящим экраном имеет тот же характер, что и взаимодействие реальных фотонов. А именно, псевдо-фотоны поля электрона отражаются от проводящего экрана, поглощаются в поглощающем экране и не отражаются от него.
  3. Проведен эксперимент по измерению выхода реакции 16O(g, p+p) в области больших импульсов, переданных остаточной ядерной системе. Выход реакции, а также ранее измеренный выход реакции 12C(g, p+p), анализировались в рамках разработанной нами и представленной в данном отчете модели, учитывающей Δ-изобарные конфигурации в основном состоянии ядер. Двумя методами получены оценки вероятности возбуждения Δ-изобар PΔ в расчете на один нуклон в ядрах кислорода и углерода. Первый метод чисто теоретический, который дает PΔTh = 0.015. Второй метод основан на анализе экспериментальных данных с помощью разработанной нами теории, который дает PΔTh = 0.018 ± 0.004. Аналогично получены оценки PΔTh = 0,013 и PΔex = 0.012 ± 0.005 для ядра 12С. Видно, что оценки отличаются в пределах одного стандартного отклонения.
  4. Получены экспериментальные данные о поведении - компоненты тензорной анализирующей способности в области энергий налетающего - кванта от 300 МэВ до 900 МэВ и для полярных углов вылета пи- - мезонов (0-180) градусов.
Получены теоретические предсказания поведения - компоненты для резонансной области энергий и углов вылета π--мезонов (0-180) градусов. Предсказания основаны на теоретических моделях, в которых используются лоренц-инвариантные выражения для операторов фоторождения пионов на нуклоне и диаграммное приближение для пион-нуклонного и нуклон-нуклонного рассеяний.
Обнаружены значительные рассогласования между экспериментальными и теоретическими данными как в относительно широких, так и в узких интервалах энергии фотонов, инвариантной массы масс ppp–системы, pp- и pp- подсистем.
Разработана методика определения компонент тензорной анализирующей способности эксклюзивной реакции , основанная на измерении выходов реакции для различных поляризационных состояниях дейтрона и направлений вектора индукции магнитного поля, задающего ось поляризации.
Исследовано методом 3D–моделирования поведение однородности магнитного поля СМФ на размере горизонтальной апертуры электронного пучка.
Разработана вакуумная и магнитные системы СМФ для накопителя ВЭПП-3.
  5. Разработаны и созданы поворотные электромагниты для СМФ.
Развернуть
3
01.07.2010 - 15.12.2010
Выполнена экспериментальная проверка эквивалентности интерпретаций динамики поля релятивистских заряженных частиц. Результаты экспериментов по регистрации поверхностных токов, индуцированных полем релятивистских электронов на поверхностях проводящей мишени, показали, что интерпретация, декларируемая в работе Б.М. Болотовского неприменима в подходе к рассматриваемой проблеме. Т.е. точка зрения о представлении результирующего поля как продукта деструктивной интерференции излучения от рассеивающего центра является ошибочной. В то же время, экспериментальные результаты полностью подтверждают подход к формированию поля после рассеяния электронов с точки зрения представления поля электронов псевдо-фотонами. Таким образом, экспериментально показано, что эти два подхода физически не эквивалентны.
  Выполнены исследования квазисвязанных изобар-ядерных состояний атомных ядер с оценкой массы и ширины состояний и проведён анализ первых экспериментальных результатов. Суммируя результаты анализа реакций и , полученные в настоящей работе, и реакции , полученные в других работах, можно сделать следующие выводы.
При взаимодействии фотонов резонансной энергии с атомным ядром образуются пион-нуклонные пары, которые отличаются следующими свойствами: импульс пион-нуклонной пары существенно меньше импульса фотона, инициирующего реакцию, и не превышает (преимущественно) характерной величины импульса связанных в ядре нуклонов; распределение угла разлета пиона и нуклона имеет высокую плотность вблизи 180°; энергетическое распределение пионов представляет собой несколько довольно узких пиков. Вся совокупность перечисленных признаков согласуется с представлением, что мы наблюдаем распад ядра, в состав которого в связанном состоянии входит изобара.
Наличие в энергетическом и угловом распределениях - и -пар явных признаков двухчастичного распада свидетельствует о слабой связи в ядре изобары в зарядовом состоянии +1. Значительно более широкие распределения импульса и угла разлета -пары указывают на более сильную связь в ядре в наблюдаемых изобар-ядерных состояниях изобары с зарядом 0.
  Выполнен теоретический анализ образования отрицательных пионов линейно поляризованными фотонами на тензорно поляризованных дейтронах.
Разработана методика моделирования реальных и мнимых частей коэффициентов корреляции спинов реакции фотообразования отрицательных пионов на дейтронах.
  Разработаны и созданы следующие детектирующие узлы для сооружаемой на накопителе ВЭПП-3 системы меченых квазиреальных фотонов (СМФ) с уникальными параметрами:
1. Система определения координат рассеянных электронов СМФ, состоящая из трех координатных детекторов на основе газовых электронных умножителей. Пространственное разрешение этих детекторов в горизонтальном направлении не хуже 73±4 мкм, разрешение в вертикальном направлении не хуже 219±8 мк. Эфективность регистрации электронов не менее 98%.
2. Триггерное устройство СМФ, состоящее из двух детекторов-сандвичей, выполненных на основе слоев пластмассового сцинтиллятора и вольфрамовых пластин. Энергетическое разрешение этих детекторов не хуже 10 % для электронов с энергией 500 МэВ.
  Разработан двухплечевой детектор нуклонов для исследования спиновых явлений в фотомезонных процессах на поляризованной внутренней мишени накопителе ВЭПП-3. Каждое плечо этого детектора состоит из многослойных дрейфовых камер и сцинтилляционных детекторов с большой апертурой.
Развернуть
4
01.01.2011 - 30.06.2011
1. Экспериментально исследовано поведение продольной компоненты поля релятивистских электронов в условиях эффекта тени поперечной компоненты поля.
2. Построена теоретическая модель процесса фотообразования пион-нуклонных пар на атомных ядрах.
3. Разработаны алгоритмы и программы вычисления дифференциального сечения фотообразования пион-нуклонных пар на ядрах с образованием дельта-ядер и фоновых механизмов реакции.
4. Определена кинематическая область, в которой проявления квазисвязанных изобар-ядерных состояний при фотообразовании пион-нуклонных пар наиболее вероятное.
5. Сделаны численные оценки вероятности фоновых механизмов реакции фотообразования пион-нуклонных пар.
6. Измеренны зависимости T20-, T21- и T22-компонент тензорной анализирующей способности реакции фотообразования -мезонов на тензорно поляризованных дейтронах для энергии фотонов (250 – 450) МэВ и угла вылета пи-мезона (90 – 145) градусов в СЦМ.
7. Результаты совместного теоретического анализ процессов фотообразования - и -мезонов на нуклонах и дейтроне и предсказания поведения обычных и поляризационных наблюдаемых этих процессов
8. Теоретически исследовано фоторождение - мезонов на протонах и дейтроне в области энергий 2-го и 3-го резонансов.
9. Разработан математический формализм для вычисления поляризационных наблюдаемых процессов фоторождения и -мезонов на нуклоне и теоретические предсказания поляризационных наблюдаемых этих процессов.
Развернуть
5
01.07.2011 - 30.09.2011
Выполнен анализ результатов экспериментов по исследованию динамики поля релятивистских заряженных частиц. Показано, что интерпретация переходного излучения в направлении движения электрона как излучение от задней поверхности проводящей мишени, противоречит физической реальности.
  Разработана теоретическая модель, описывающая восстановление поля релятивистских электронов после прохождения их через толстый проводящий экран, при котором возникает излучение в направлении движения электрона.
  Пересмотрена интерпретация механизмов макроскопических процессов при взаимодействии частиц с веществом, таких как переходное и дифракционное излучение от проводящих мишеней в направлении движения электронов.
  Выполнена модернизация и адаптация тензорно поляризованной газовой внутренней мишени для проведения физических экспериментов с использованием системы квазиреальных фотонов на ВЭПП-3.
  Проведены полномасштабные вакуумные испытания вакуумной камеры прямолинейного промежутка ВЭПП-3, созданной для физических экспериментов с применением СМФ.
  Собрана система координатных детекторов и триггерных сцинтилляционных калориметров СМФ и отлажена на космическом излучении и излучении р/а изотопов.
  Разработан алгоритм реконструкции всех компонент импульса электрона, зарегистрированного детектирующей системой СМФ.
Исследовано влияние физических процессов на результирующие точности определения энергии и углов вылета электрона, зарегистрированного СМФ.
  Разработана и отлажена программа сбора и накопления информации от детекторов СМФ и детектора «Дейтрон».
Создан детектор «Дейтрон» для тестового эксперимента на ВЭПП-3 с использованием СМФ.
  Получены теоретические энергетические и угловые зависимости тензорной анализирующей способности когерентного фотообразования -мезона на дейтроне.
  Разработана теоретическая модель для расчетов дифференциального сечения и поляризационных наблюдаемых процесса когерентного фотообразования нейтрального пиона на дейтроне в резонансной области энергий.
Развернуть

Программа

Программа "Научные и научно-педагогические кадры инновационной России" на 2009 - 2013 годы

Программное мероприятие

1.1 Проведение научных исследований коллективами научно-образовательных центров
Продолжительность работ
2009 - 2011, 24 мес.
Бюджетные средства
12 млн
Организация
ИПФ РАН
профинансировано
Тема
Развитие новых методов исследования материалов, в том числе наноструктурированных, с использованием пучков гамма-квантов и заряженных частиц низких и средних энергий.
Продолжительность работ
2008, 3 мес.
Бюджетные средства
1,2 млн
Количество заявок
1
Тема
Исследование в области создания методологии расчета средствами приборно-технологического моделирования основных эффектов, возникающих в интегральных элементах ИС при попадании в них тяжелой заряженной частицы.
Продолжительность работ
2011 - 2012, 13 мес.
Бюджетные средства
15 млн
Количество заявок
1
Тема
Организационно-техническое обеспечение проведения 17-й Ломоносовской конференции по физике элементарных частиц
Продолжительность работ
2015, 2 мес.
Бюджетные средства
3 млн
Количество заявок
3
Тема
Анализ уровня достижения целевых показателей реализации государственной программы «Развитие науки и технологий» на 2013-2020 годы с учетом динамики и структуры ее финансирования и подготовка предложений по повышению ее эффективности
Продолжительность работ
2014, 3 мес.
Бюджетные средства
15 млн
Количество заявок
2
Тема
Разработка методов невозмущающей диагностики поверхностных наноструктур с помощью рассеяния электромагнитных полей.
Продолжительность работ
2008, 3 мес.
Бюджетные средства
1,2 млн
Количество заявок
1