В рамках первой задачи — Радиодетектирование широких атмосферных ливней в высокогорной местности
Наклонные (с углом прихода более 60 градусов) широкие атмосферные ливни (ШАЛ), рождаемые первичными космическими лучами с энергиями свыше 100 ПэВ регистрируются на современных активных цифровых антенных решетках, таких как AERA [1,2]. Было экспериментально показано, что ливни, приходящие под большим углом имеют большой след на поверхности детектора, т.е. могут быть зарегистрированы большим количеством антенн. Более того, эти наблюдения доказывают, что данные ливни также видны с больших расстояний (десятки километров). Таким образом, было показано, что не существует никаких принципиальных ограничений для регистрации наклонных ливней. В 2018 г. были профинансированы проекты, которые подразумевают регистрацию наклонных ливней. Это большая решетка в обсерватории им. Пьера Оже [3] и наземная антенная решетка в месте расположения детектора IceCube [4]. Все вышеперечисленные эксперименты в данный момент работают в режиме единичной антенны, т.к. получают внешний триггер от детекторов космических лучей, расположенных рядом с антеннами. В то же самое время планируется разработка проекта GRAND, Giant Radio Array for Neutrino Detection [5], который предполагает использование единичных антенн, но работающих в автономном режиме и разнесенных на расстояния примерно в 1 км.
Научная новизна задачи заключается в проработке неочевидного с первого взгляда подхода в использовании кластерной топологии для будущих сверхкрупномасштабных установок для регистрации широких атмосферных ливней радиометодом вместо топологии с использованием единичных антенн [6-8].
Значимость проекта заключается в том, что результаты восстановления массового состава КЛ высоких энергий на современных экспериментах (LOFAR, Auger, Тунка-133) находятся в разногласии друг с другом и эти разногласия превышают погрешности измерений. Высокогорное расположение проектируемой установки позволяет повысить точность к восстановлению максимума ШАЛ, являющегося прямым указателем на массу первчиной частицы. По результатам предварительного моделирования для энергий 10^17 эВ, расстояние от установки до максимума ШАЛ будет составлять от 1 до 15 км в зависимости от зенитного угла (для сравнения, для установки Tunka-Rex — от 2 до 20).
Результатом данного проекта будет являться конечный аппаратный и программный продукт – кластер, который можно будет использовать для развертывания сверхкрупномасштабной решетки следующего поколения. Будет определена чувствительность данной конфигурации, а также стоимость развёртывания и обслуживания установки, основанной на данном кластере. Так как общая концепция сверхкрупномасштабной решетки подразумевает под собой несколько крупных экспериментов, размещенных в различных странах (примерно по 10 тысяч антенн в 20 различных точках планеты), имея аппаратную и программную базу, а также бесценный опыт, полученный в ходе выполнения проекта, Казахстан может стать перспективной площадкой для развертывания одной из таких международных установок.
Идея второй задачи — Создание телескопа заряженных космических частиц на основе straw-трекера с высоким пространственным разрешением
Детекторы на базе строу (straw) широко применяются в ведущих экспериментах в международных научных центрах в качестве трекера заряженных частиц. Созданный группой из ОИЯИ строу-спектрометр для эксперимента NA62 (ЦЕРН) [9] успел отлично зарекомендовать себя как трекер заряженных частиц на высокоинтенсивных пучках Супер-протонного синхротрона.
Международный опыт применения строу-спектрометра в ускорительной физике на выведенных пучках и коллайдерной физике дают отличную базу для применения строу для регистрации заряженных космических частиц. Трековые детекторы на базе строу используют в следующих экспериментах: ATLAS [11], NA64 (ЦЕРН) [12], Muon g-2 (Фермилаб) [13], а также планируют в HIKE (CERN) [14], SHiP (CERN), DUNE (Фермилаб) [15], SPD@NICA (ОИЯИ) [16], PANDA (FAIR) [10], COMET (J-PARC) [17].
Высокое пространственное и координатное разрешение строу позволит регистрировать заряженные космические частицы на новом уровне, что приведет к более точному анализу структуры широких атмосферных ливней (ШАЛ). Телескоп будет включен в общую систему из уже существующих на территории Тянь-Шаньской высокогорной научной станции детекторов, что позволит улучшить качество экспериментальных данных.
В рамках третьей задачи — Конституенты элементарных частиц в физике высоких энергий и гравитационные аспекты фундаментальных полей
В современной теоретической физике большое значение имеет поиск регулярных решений с фундаментальными полями (калибровочные, Прока, спинорные, гравитационные и так далее), имеющими конечную энергию, или плотность энергии. Научная новизна планируемых исследований состоит в том, что будут получены новые решения и исследованы свойства ранее полученных регулярных решений.
В рамках четвертой задачи — Исследование корреляции широких атмосферных ливней и разрядов молний с помощью детектора на высокогорной научной станции
Получить экспериментальное подтверждение, что причиной наблюдаемых в эксперименте ТУС гибридных событий действительно являются черенковское и флуоресцентное излучения восходящего ШАЛ, который затем инициировал разряд грозовой молнии. Измерить зависимость параметров гибридных событий от зенитного угла восходящего ШАЛ.
Актуальность задачи обусловлена научным интересом измерения потока космологических τ-нейтрино высоких энергий, изучаемых на нейтринных детекторах IceCube [18], Baikal-GVD [19] и ANTARES [20], с одной стороны, и наблюдаемых в космическом эксперименте ТУС гибридных событий от предполагаемых восходящих ШАЛ [21,22] с другой стороны. Изучение корреляции ШАЛ с молниевыми разрядами, основанной на регистрации световых вспышек с использованием фокусирующей оптики и фотодетектора на базе кремниевых ФЭУ и микросекундной электроники не имеет аналогов в Республике Казахстан и мире.
В рамках пятой задачи — Изучение внутренней структуры нуклона в экспериментах с поляризованными пучками
Исследования внутренней структуры нуклонов, составляющих основу всей видимой материи, представляют фундаментальную задачу современной ядерной физики. Вопрос каким образом возникает спин нуклонов остается одним из открытых вопросов до сих пор, несмотря на более чем 30-летнюю историю экспериментов и теоретических попыток описать возникновение спина у протонов и нейтронов. С эксперимента European Muon Collaboration (EMC), когда было впервые продемонстрировано, что вклад от спинов трех валентных кварков в общий спин протона составляет лишь около 0,2 от общего значения. Полученные результаты показывают, что в общий спин нуклонов вносят вклад также глюоны и, возможно, угловой момент количества движения партонов [23-26]. Основной вклад в эту программу по линии эксперимента внесли коллаборации HERMES (DESY) и COMPASS (CERN), а также эксперименты в SLAC, и коллаборации STAR и PHENIX [27-29] в BNL.
В настоящее время проектируются сразу несколько экспериментов на ускорительных комплексах нового поколения: EIC (BNL, США), cEIC (HIAF, Китай), NICA (ОИЯИ, Россия), нацеленных на изучения реакций рассеяния поляризованных частиц на поляризованных и неполяризованных мишенях в различной кинематике, которые предоставят огромную статистику для изучения внутренней структуры нуклонов.
Согласно долгосрочному плану министерства энергетики США (DoE Long Range Plan 2024-2034) эксперименты на коллайдере поляризованных электронов и ядер EIC являются первым приоритетом фундаментальной ядерной физики на следующее десятилетие.
В рамках шестой задачи — Исследование взаимодействия мюонов высоких энергий в широких атмосферных ливнях с помощью сцинтилляционных годоскопов
К настоящему времени в комплексных исследованиях свойств космических лучей с энергий (1-1000) ПэВ и их взаимодействий с веществом был обнаружен ряд аномальных эффектов, которые не согласуются с общепринятыми моделями взаимодействия элементарных частиц [30-32]. Решение этих фундаментальных вопросов и противоречий является актуальным для выяснения астрофизической природы источников ускорения космических лучей в области энергий (1-1000) ПэВ. В свою очередь, новая информация, полученная в ходе таких исследований, должна лечь в основу моделей, позволяющих объяснить как происхождение обнаруженных аномалий, так и особенности элементного состава космических лучей ПэВ-ных энергий, а также указать на возможные астрофизические источники их ускорения.
Следует особо отметить недоступную ранее возможность детального исследования интенсивных потоков частиц, как адронов, так и электронов, непосредственно в области ливневого ствола — пространственной области с поперечным размером ~(5-10) м вокруг оси ШАЛ, в которой концентрируются наиболее энергичные компоненты ливня, сохраняющие направление движения первичной частицы космических лучей.
В рамках седьмой задачи — Создание прототипа установки для исследования пространственно-временных характеристик стволов широких атмосферных ливней на основе ионизационных камер
Данная задача — создание прототипа установки «Толчковой Установки» (далее ТУ) для регистрации стволов ШАЛ заключается в исследовании пространственных характеристик стволов широких атмосферных ливней. Проведение совместного анализа и сравнение с результатами, полученными на других установках комплексной системы ТШВНС.
Проект создания прототипа ТУ, для исследования структуры спектра первичных КЛ в области “колена”, предполагает увеличение площади экспериментальной установки и подключение к общей триггерной системе различных экспериментальных установок ШАЛ. В рамках увеличения площади установки количество ионизационных камер (каналов) будет увеличено до 72, что в свою очередь позволит значительно улучшить статистику для исследования пространственно-временных характеристик стволов ШАЛ.
В результате сравнения моделирования с предварительными экспериментальными данными будет получена новая информация о первичном составе космических лучей.
Создание прототипа установки базируется на заделе более раннего проекта [33].
В рамках восьмой задачи — Исследование адронов и их взаимодействие в стволах широких атмосферных ливней с использованием нейтронных детекторов. Модернизация нейтронных мониторов для вхождения в мировую сеть нейтронных мониторов и исследование модуляционных эффектов по их экспериментальным данным
Подключение дополнительного канала регистрации из нейтроночувствительных сцинтилляционных детекторов с активированным изотопом бор-10 с полимерным сцинтиллятором в нейтронном мониторе позволит регистрировать испарительные нейтроны, которые образуются адронами ШАЛ при их взаимодействии с веществом окружающей среды. Экспериментальные данные от дополнительного канала регистрации позволят получить функции пространственного распределения и оценки интегрального потока тепловых нейтронов, образующихся в результате взаимодействия частиц адронной компоненты ШАЛ.
Нейтронный монитор 6NM64 на высоте 900 м н.у.м. является стандартизированным устройством и был включен в международную базу данных нейтронных мониторов NMDB в рамках проекта [33]. С развитием техники и технологии система Windows XP и программы, написанные на языке Borland Delphi 7, которые используются при обработке данных нейтронного монитора 6NM64, является устаревшими и сложными в поддержке. Модернизация путем перехода на систему LINUX и использование пакетов на Python3 является передовым решением в научной среде, что открывает новые возможности в обработке и анализе экспериментальных данных. В свою очередь система на базе LINUX является не ресурсоемкой и легкой в поддержке.
Нейтронный монитор IGY-57 будет перемещен с высоты 900 м н.у.м на базу ТШВНС на высоте 3340 м н.у.м. Модернизация высоковольтной части нейтронного монитора IGY-57 будет реализована на базе современных высоковольтных источников напряжения фирмы CAEN, используемых в экспериментальных установках CERN и других международных научных центров. Планируемая локация нейтронного монитора также открывает возможность работы монитора наряду с установками для изучения пространственно-временных детекторов, детекторов радиоизлучения, что дает разносторонний и комплексный метод изучения ШАЛ и вариаций космических лучей.
В рамках девятой задачи — Экспериментальное и теоретическое исследование ядерных реакций для астрофизических приложений
Особый интерес к изучению упругих и квазиупругих процессов на ядрах 10,11В связан с наличием в этих ядрах «α-α-d» и «α-α-t» кластерных структур [34-36]. Например, исследование состояний ядра 11B, где одновременно могут сосуществовать как кластерная конфигурация (2α+t), так и структуры оболочечной модели полезно для определения характеристик возбужденных нейтронных гало состояний данного ядра [37]. Кроме того, в последних экспериментах по резонансному рассеянию на ядрах 7Li [38] была подтверждена новая полоса отрицательной четности, включающая следующие возбужденные состояния: 8,56 МэВ (3/2—), 10,34 МэВ (5/2—), 11,59 (7/2—) и 13,03 МэВ (9/2—). Поскольку эти состояния имеют большие ширины по альфа-распаду, то эта полоса может быть сформирована на основе кластерных структур. Следовательно, по аналогии с ядром 11В из анализа дифференциальных сечений процессов рассеяния и реакций передач, сопровождающих взаимодействия дейтронов с ядрами 10В, можно извлечь информацию о структурных характеристиках изотопов бора и бериллия, необходимых при модельных расчетах описывающих энергетический баланс перспективных ядерно-энергетических установок, а также нуклеосинтеза в звездах. В рамках данной программы запланировано проведение экспериментальных и теоретических исследований следующих реакций 10B(d,d)10B, 10B(d,t)9B и 10B(d,3Не)9Bе.
В рамках десятой задачи — Исследование квазипериодические осцилляций (КПО) рентгеновского излучения и светимости аккреционных дисков вокруг компактных объектов и сверхмассивных чёрных дыр
В подпрограмме будет рассмотрена одна из ключевых задач ОТО — проверка предсказаний ОТО для сильных полей. Как раз с помощью КПО можно протестировать предсказаний ОТО и получить достоверные сведения о параметрах компактных объектов [39-43].
Новизна работы заключается в том, что в рамках подпрограммы впервые будут исследованы КПО рентгеновского излучения аккреционного диска в ОТО и в различных теориях гравитации.
В рамках одиннадцатой задачи — Вычисление высших порядков антипротонного гелия с рекордной точностью
В ЦЕРНе проводятся эксперименты по изучению атомов антипротонного гелия. Результаты прецизионных измерений энергий переходов показывают, что полученные данные чувствительны к значениям масс протона и электрона. Дальнейшие исследования позволят определить массу антипротона с точностью лучшей, чем это известно для реальной частицы протона. Также в ЦЕРНе на установке AD собираются проводить сверхточные измерения спектра антиводорода и сравнивать их со спектром водорода. Малейшее отклонение в уровнях энергии антиводорода и водорода будут считаться серьезными свидетельствами проявления новой физики за пределами Стандартной модели [44, 45]. Значимый вклад в развитие теоретических методов для описания экзотических атомов и молекул, динамика которых определяется в основном кулоновским взаимодействием, внесен участниками данного проекта [46,47]. Новизной, в сравнении с проведенными ранее исследованиями, является то, что в рамках данной Программы впервые с очень высокой точностью будут вычислены радиационные и релятивистские поправки порядка mα7 к уровням энергии атома антипротонного гелия. Дополнительно будет вычислен эффект воздействия внешних электрических полей [48, 49] на спектр системы. Благодаря нашим исследованиям и полученными экспериментальными результатами будут улучшены точность значений фундаментальных физических констант [50]. Эта работа будет способствовать дальнейшему прогрессу в астрофизике, фундаментальной метрологии, космической индустрии.
В рамках двенадцатой задачи — Теоретические исследования взаимодействия адронов
Эксперименты на пучках дают уникальную возможность для изучения взаимодействия и структур систем. Известно, что полученные данные при высоких энергиях успешно описываются в рамках пертурбативной квантовой хромодинамики благодаря асимптотической свободе. В промежуточных и низких энергиях приходится пользоваться приближенными феноменологическими методами квантовой теорий сильных взаимодействии. Важность теоретических описании сильных взаимодействии систем важны ввиду проведения экспериментов на коллайдерах KEKB [51], PEP II [52], ВЭПП-2000 [53] и др.