Регистрация / Вход
Прислать материал

Космические лучи сверхвысоких энергий и космология

Стадии проекта
Предложение принято
Конкурс завершен
Проект закончен
Проект
02.740.11.5092
Организация
ИЯИ РАН

Информация отсутствует

Участники проекта

Зам. руководителя работ
Григорьева Светлана Ивановна

Этапы проекта

1
05.10.2009 - 15.12.2009
Проведен детальный анализ теоретических моделей и экспериментальных данных по космическим лучам сверхвысоких энергий. Выделены классы фундаментальных процессов и перспективных подходов.

Разработан аналитический метод расчета спектров ядер космических лучей сверхвысоких энергий, взаимодействующих с фотонами микроволнового (реликтового), инфракрасного и оптического фоновых излучений. Разработана методика разделения групп ядер и численная схема расчета распространения ядер в магнитном поле Метагалактики.

Исследован новый механизм образования сверхмассивных черных дыр в ядрах галактик и черных дыр с промежуточной массой в модели возникновения их зародышей при фазовых переходах на инфляционной стадии расширения Вселенной. Разработан метод расчета спектров масс ПЧД, учитывающий явную зависимость гравитационного потенциала от времени. Рассчитан спектр индуцированных гравитационных волн и проведено сравнение ограничений на концентрацию ПЧД по данным нейтринных и гамма-экспериментов.

Решена задача определения классов потенциальных астрофизических ускорителей частиц до энергий свыше 10^20 эВ. Проведен теоретический анализ ограничений, которые накладывает на физические условия в астрономических объектах требование возможности ускорения заряженных частиц до большой энергии, и сравнение с этими ограничениями реальных данных о физических условиях в различных астрономических объектах.

Проведено детальное изучение двух процессов в детекторах: взаимодействия тау-нейтрино с веществом эмульсионного блока в международном эксперименте OPERA с рождением таона и процесса являющегося в ряде экспериментов фоновым - взаимодействия мюонного нейтрино с веществом с рождением чармированных адронов.
Развернуть
2
01.01.2010 - 25.04.2010
Разработан комплекс программ для вычисления спектров протонов КЛСВЭ в нашу эпоху. Модульная структура комплекса дает возможность адаптировать его к новым зада-чам. Так дальнейшее усовершенствование разработанных программ позволяет вычислять спектры протонов в любую космологическую эпоху, что дает возможность рассчитывать спектры нейтрино высоких энергий, образованных в распадах высокоэнергетических ме-зонов.

Согласно Техническому заданию и Календарному плану на данном этапе проводились многочисленные численные расчеты спектров первичных и вторичных ядер КЛСВЭ с использованием трех аналитических методов, предложенных на первом этапе проекта. Выбор модели происхождения КЛСВЭ, анализ полученных результатов и сравнение их с наблюдаемыми данными, полученными на гигантских установках по регистрации частиц КЛСВЭ, запланировано проводить на следующем этапе работ.

Исследовано образование и эволюция сверхплотных сгустков (субгало). Подобные сгустки темной материи (ТМ) могут рождаться по нескольким механизмам, наиболее ве-роятно - из пикообразных особенностей в спектре инфляционных возмущений. Поскольку такие сгустки рождаются очень рано в эпоху доминирования излучения, они эволюционируют как изолированные объекты. В течение долгого времени после своего рождения сгустки не входят в состав иерархических структур и поэтому не разрушаются приливными взаимодействиями во время формирования структур в больших масштабах. Сверхплотные сгустки не могут состоять из обычных (с массой порядка 100 ГэВ) нейтралино, поскольку в этом случае их аннигиляционный сигнал превышает наблюдаемый диффузный гамма-фон. Если сгустки состоят из сверхмассивных частиц и имеют достаточно большую центральную плотность, в центре сгустка может произойти двухчастичная релаксация и "гравитермическая катастрофа". В этом случае начальный профиль плотности в центральной части сгустка трансформируется в изотермический профиль ρ~r-2, и в центре сгустка возникает новое ядро очень малого размера. Сверхплотные сгустки могут наблюдаться по гамма-излучению от аннигиляции составляющих их частиц, а также по приливному воздействию на детекторы гравитационных волн. Образование сверхплотных сгустков имеет ограничение по первичным черным дырам и по каскадным процессам.

В рамках данного этапа показано, что ПЧД не только позволяют объяснить наличие темной материи во Вселенной, но и, возможно, появление аномально большого количества аннигилирующих позитронов в Галактическом Центре. Понятно, что имеющихся данных пока недостаточно, чтобы предпочесть такую модель другим возможностям. Для этого желательно было бы иметь еще какие-то свидетельства в пользу существования ПЧД, в идеале - независимый метод измерения их средней концентрации.

Построены модели популяции потенциальных астрофизических ускорителей частиц до сверхвысоких энергий. В рамках двух возможных сценариев ускорения изучена распространенность потенциальных источников во Вселенной. Максимальная возможная энергия варьировалась как от источника к источнику, так и в зависимости от типа ускоряемых частиц. В рамках данной работы были сформулированы основные принципы построения модели популяций сверхмассивных черных дыр. Также были проанализированы разные способы определения массы центральной черной дыры. Нами построены количественные модели ансамбля источников космических лучей сверхвысоких энергий, которые в дальнейших работах будут применяться для изучения энергетического спектра и состава первичных частиц.

Разработан код, предназначенный для многомерной байесовой классификации в пространстве большой размерности, который может быть применен к широкому классу задач астрофизики высоких энергий. Этот код был использован в работе [38], в которой впервые была проведена классификация в пространстве параметров большой размерности (m>4) пяти групп ядер ПКЛ. В качестве полезного сигнала в этой работе выступало пространственно-угловое распределение излучения Вавилова-Черенкова ШАЛ с энергией 1 и 10 ПэВ. Разработан код, предназначенный для экспресс-обработки данных черенковского эксперимента "СФЕРА-2", регистрирующего отраженное от снежной поверхности о. Байкал излучение Вавилова-Черенкова. Продолжена разработка численной схемы распространения космических лучей предельно высоких энергий через Метагалактику.

С помощью пакета NEUGEN3, OpNegn и GEANT4 было проведено моделирование глубоконеупругих взаимодействий нейтрино двух типов - мюонного и таонного - с различными ядрами, что позволило получить базы данных для разработки критериев отбора осцилляционных событий. Получены угловые и энергетические характеристики частиц, возникающих в процессе взаимодействия.
Разработана база переменных для последующей многомерной байесовой классификации. Набрана значительная статистика событий трех типов: 104 событий от таонного нейтрино и мюонного нейтрино с образованием чармированных частиц и 5×105 событий от мюонного нейтрино без их образования. Разработаны критерии отбора. Предварительные результаты отбора событий по разработанным критериям выделения фоновых и осцилляционных событий демонстрируют возможность идентификации осцилляционных событий с учетом фона, что в дальнейшем позволит внедрить разработанные алгоритмы в обработку реальных экспериментальных данных эксперимента OPERA.

Исследована гипотеза о внутреннем чарме и инклюзивные спектры чармированных мезонов. В работе показано, что вклад компоненты внутреннего чарма, если она присутствует в нуклоне, может доминировать в инклюзивном спектре чармированных частиц, образованных в протон-ядерных взаимодействиях при высоких энергиях, и давать существенный вклад в атмосферные потоки прямых мюонов и нейтрино.
Результаты НИР активно внедрялись в учебный процесс. Они использовались как на лекционных и семинарских занятиях, так и в научной работе студентов и аспирантов – участников данного проекта.
Развернуть
3
26.04.2010 - 05.09.2010
Проблема генерации и распространения космических лучей сверхвысоких энергий, механизмы формирования их спектра и химического состава, экспериментальные методики регистрации широких атмосферных ливней (ШАЛ). Формулировка и решение уравнений распространения космических лучей сверхвысоких энергий с учетом их взаимодействий с фоновыми излучениями и межгалактическими магнитными полями. Построение критериев разделения групп ядер первичных космических лучей сверхвысоких энергий, индивидуальная классификация потока ядер. Исследование пространственно-углового распределения черенковского света в детекторах. Возможность раннего образования во Вселенной сгустков темной материи и первичных черных дыр и генерация этими объектами гамма-излучения. Получение ограничений на возможные параметры спектров первичных возмущений кривизны, а также изучение спектров индуцированных гравитационных волн. Наблюдение осцилляций нейтрино в эмульсионном эксперименте OPERA. Разработка модели отклика базового элемента детектора – эмульсионного кирпича, а также методики многомерной классификации событий.
Развернуть

Программа

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

Программное мероприятие

1.5 Проведение научных исследований коллективами под руководством приглашенных исследователей
Продолжительность работ
2009 - 2011, 26 мес.
Бюджетные средства
14,1 млн
Организация
ИКФИА СО РАН
профинансировано
Продолжительность работ
2012 - 2013, 14 мес.
Бюджетные средства
3,11 млн
Организация
ИЯИ РАН
профинансировано
Тема
Исследование первичного космического излучения в области энергий 1014 - 1017 эВ на установке ШАЛ МГУ на установке: "Комплексная установка МГУ для исследования космических лучей сверхвысоких энергий методом широких атмосферных ливней (Установка ШАЛ МГУ) (рег. № 01-87)"
Продолжительность работ
2005 - 2006, 23 мес.
Бюджетные средства
1,2 млн
Количество заявок
1
Тема
Разработка метода и макета лечебного комплекса для контактного термического разрушения злокачественных опухолей с помощью электромагнитной энергии сверхвысоких частот.
Продолжительность работ
2008 - 2009, 16 мес.
Бюджетные средства
15 млн
Количество заявок
1
Тема
«Организационно-техническое обеспечение проведения международной молодежной научной школы «Физика нейтрино, астрофизика элементарных частиц и смежные области физики высоких энергий, гравитации и космологии»».
Продолжительность работ
2012, 6 мес.
Бюджетные средства
1,2 млн
Количество заявок
2
Тема
Проведение научных исследований целевыми аспирантами по следующим областям: - радиофизика, акустика и электроника; - физика плазмы; - ядерная физика; физика элементарных частиц и полей; космология; физика ускорителей и детекторов; - астрономия, астрофизика и исследования космического пространства
Продолжительность работ
2010 - 2011, 14 мес.
Бюджетные средства
0 млн
Количество заявок
27
Тема
Поддержка научных исследований, проводимых целевыми аспирантами по научному направлению «Физика, астрономия» в следующих областях: • Ядерная физика. Физика элементарных частиц и полей. Космология • Физика ускорителей и детекторов • Астрономия, астрофизика и исследования космического пространства
Продолжительность работ
2012 - 2013, 13 мес.
Бюджетные средства
10,4 млн
Количество заявок
12