Національна академія наук України

Национальний научний центр "Харковський физико-технический институт"

Институт физики високих энергий и ядерной физики

ОТДЕЛ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ ПО ФИЗИКЕ ЭЛЕМЕНТАРНЫХ ЧАСТИЦ И ЯДЕРНОЙ ФИЗИКЕ ВЫСОКИХ ЭНЕРГИЙ

ЗАВ. ОТДЕЛОМ – К. Ф.-М. Н. Л.Г. ЛЕВЧУК

Тел.: +38(057)3356742

E-mail: ihenp@kipt.kharkov.ua

  История отдела берет начало с середины 1960-х годов, когда в ФТИ АН УССР сооружался новый линейный ускоритель электронов с энергией пучка на выходе 2 ГэВ (ЛУЭ-2000). Основной задачей созданного коллектива стала разработка, а затем и выполнение масштабной программы экспериментальных ядерно-физических исследований на этой установке. С момента основания отдела, в течение многих лет научным руководителем этого подразделения института был Павел Владимирович Сорокин. По его инициативе был выполнен целый ряд методических разработок для исследования фото- и электроядерных реакций – получен и исследован пучок поляризованных фотонов, созданы поляризованные мишени ядер водорода и дейтерия с использованием сверхпроводящих магнитов, системы регистрации частиц. Это дало возможность институту занять достойное место в исследованиях электромагнитных процессов на нуклонах и ядрах. В частности, широкую известность получили полученные в отделе данные по фоторасщеплению легких ядер и фоторождению пионов на протонах в области дельта-резонанса, включая уникальные для того времени (1970-80 гг.) измерения двойных поляризационных наблюдаемых.

  Сорокин Павел Владимирович (1930 – 2017),доктор физ.-мат. наук, профессор заслуженный деятель науки и техники Украины, научный руководитель отдела (1965 – 2017).
  Одновременно в отделе выполнялся широкий спектр исследований взаимодействия электронов с протонами и ядрами (включая реакции электрорасщепления и электрообразования пионов) с использованием магнитных спектрометров, а также проводились интенсивные работы по изучению многочастичного фоторасщепления ядер с помощью камерных методик. При этом значительная часть измерений выполнялась также на ускорителе ЛУЭ-300 с энергией электронного пучка 300 МэВ.
  После завершения работы ЛУЭ-2000 в начале 1990-х годов важное место в научной деятельности отдела стали занимать исследования, выполняемые в рамках долгосрочного международного сотрудничества. В частности, в отделе был разработан проект меллеровского поляриметра для измерения поляризации электронного пучка в Зале А Лаборатории им. Т. Джефферсона (JLab, США). Это проект впоследствии был реализован, и с середины 90-х годов поляриметр успешно выполняет свои функции.
На данный момент можно выделить следующие:

Основные направления научной деятельности

1. Разработка мишеней поляризованных ядер; изучение спиновых явлений в ядерных реакциях.
2. Участие в эксперименте CMS на Большом адронном коллайдере (БАК).
3. Экспериментальное изучение реакций многочастичного фоторасщепления легких ядер при помощи камерных методик.

1. Разработка мишеней поляризованных ядер; изучение спиновых явлений в ядерных реакциях.

  Сотрудники отдела принимают участие в ядерно-физических экспериментах, выполняемых в различных лабораториях мира (JLab (США), ОИЯИ и ИФВЭ (Россия), Карлов университет (г. Прага, Чехия), Католический университет (г. Лёвен, Бельгия), целью которых является определение спиновых наблюдаемых с использованием мишеней поляризованных ядер. В отделе, в частности, созданы мишени поляризованных ядер водорода и дейтерия (с поляризацией 90% и 42%), криостаты мишеней и сверхпроводящие магнитные системы.
  Поляризованная водородно-дейтериевая мишень ННЦ ХФТИ со сверхпроводящей магнитной системой
Также разрабатываются новые мишени поляризованных ядер (в частности, ³Не), которые могут быть применены в исследованиях, выполняемых в ННЦ ХФТИ. В рамках создания мишени поляризованных ядер ³Не:
− разработана многоканальная автоматизированная система измерения температуры
− разработана и изготовлена магнитная система катушек Гельмгольца
− разработана автоматизированная система реверса поляризации

Планируется использование данной мишени в качестве спинового фильтра для создания в ННЦ ХФТИ пучка поляризованных нейтронов..

2. Участие в эксперименте CMS на Большом адронном коллайдере (БАК).

  С начала 90-х годов в отделе также развернулись работы, связанные с подготовкой (а затем и осуществлением) эксперимента CMS на Большом адронном коллайдере (БАК) в ЦЕРН. Коллектив отдела принял участие в разработке и изготовлении торцевых адронных калориметров детектора CMS. На следующих рисунках представлены пластины сцинтиллятора SCSN-81 (Kuraray, Япония), составляющие активные элементы торцевых адронных калориметров детектора CMS.

  На рисунке представлены пластины сцинтиллятора SCSN-81 (Kuraray, Япония), составляющие активные элементы торцевых адронных калориметров детектора CMS; сотрудники отдела осуществляли контроль качества таких пластин (в общей сложности – 22 тыс. шт.) во время их массового изготовления (ИСМА НАНУ).

  После запуска БАК в конце 2009 г. отдел принимает активное участие в обработке данных, аккумулируемых в этом эксперименте. С этой целью в отделе создан вычислительный комплекс, ставший единственным на Украине (и одним из 50 подобных в мире) центром 2-го яруса информационно-вычислительной грид-инфраструктуры обработки данных CMS. На комплекс (именуемый в CMS как T2_UA_KIPT) практически непрерывно поступает экспериментальная информация с БАК. С момента начала работы коллайдера на него передано для обработки (по состоянию на середину 2019 г.) более 10 Петабайт информации, полученной в эксперименте CMS. В отделе также выполняются работы по физическому анализу данных (в частности, с целью поиска SUSY-частиц), а также по поиску направлений модернизации адронной калориметрии детектора CMS.

  Специализированный вычислительный комплекс ННЦ ХФТИ для обработки данных с Большого адронного коллайдера (центр 2-го яруса грид- инфраструктуры эксперимента CMS T2_UA_KIPT, фото 2015 г.) и хронология поступления на комплекс данных для обработки от указанных на диаграмме центров CMS по состоянию на середину 2019 г. (данные портала cmsweb.cern.ch/phedex).
  В 2012 году в экспериментах CMS и ATLAS был открыт бозон Хиггса, и сотрудники отдела являются соавторами этого выдающего открытия, а также более 900 публикаций коллаборации CMS с результатами измерений на БАК.

3.  Экспериментальное изучение реакций многочастичного фоторасщепления легких ядер при помощи камерных методик.

  На основе анализа данных, полученных с помощью стримерной и диффузионной камер в магнитном поле на пучках тормозных фотонов с энергией до 150 МэВ, за последние годы получены важные результаты по изучению реакций многочастичного фоторасщепления легких ядер. В частности, измерены импульсные распределения продуктов реакции γ+ ⁴He→p+n+d, а а также энергетические и угловые корреляции для четырех интервалов энергии фотонов. Выполнен анализ результатов по угловым и энергетическим корреляциям нуклонов и импульсному распределению дейтронов. Результаты интерпретировались в рамках полюсного и треугольного механизмов для квазидейтронной модели фотопоглощения; определен относительный вклад этих механизмов. Выполнен анализ реакций¹²C(γ,3α), ¹⁶O(γ,4α) и ¹⁶O(γ,n) ³He3α. Выделены парциальные каналы ¹⁶O(γ,αα) ⁸Ве і ¹⁶O(γ,n) ³He α ⁸Ве, и обнаружено, что для них происходит образование ядра ¹²С в около-пороговых α-частичных состояниях. Выполнен комплекс методических разработок для обеспечения дальнейших работ по экспериментальному изучению реакций многочастичного фоторасщепления методом диффузионной камеры в магнитном поле: создан цифровой банк кадров пленок с диффузионной камеры, и изучена возможность реализации метода автоматического съема координат треков на фотографиях событий.   Результаты измерений: полное сечение реакции ¹²С(γ,3α) (а), а также вклады парциальных каналов c образованием в промежуточном состоянии ядра ⁸Ве (реакция ¹²С(γ,α) ⁸Ве) в основном состоянии (б) и с возбуждением 1-го, 2-го и неразделенных 3-го и 4-го уровней (в); справа показан снимок данной реакции с диффузионной камеры

Основные публикации

1. D.Flay et al. (Jefferson Lab Hall A Collaboration), “Measurements of dn2 and An1: Probing the neutron spin structure” // Physical Review. - 2016. – V D94: 052003.- N. 5. - P. 1-51.

2. D.S.Parnoa et al. (Jefferson Lab Hall A Collaboration), “Precision measurements of An1 in the deep inelastic regime” // Physics Letters. – 2015.- V. B744. - P. 309–314.

3. W.R.Armstrong, S.Choi, E.Kaczanowicz, A.Lukhanin, Z.-E.Meziani, B.Sawatzky, “A threshold gas Cherenkov detector for the Spin Asymmetries of the Nucleon Experiment” // Nuclear Instruments. and Methods A - 2015. - V 804.- P. 118–126.

4. V.V.Abramov et al., “Analyzing Power in the Reaction p + p→π⁰+ X in the polarized- target fragmentation region at an energy of 50 GeV” // Physics of Atomic Nuclei. - 2014. -V 77. –N. 5. - P. 595–601.

5. Е.С.Горбенко, Р.Т.Муртазин, А.Ф.Ходячих, “Исследование реакции ⁴He(γ,pn)d при энергиях до порога рождения мезонов” // Ядерная физика. – 2016.- Т. 80. – N. 1.- C. 26-32.

А также более 900 публикаций в составе коллаборации CMS, в том числе:

6. S.Chatrchyan et al (CMS Collaboration), “Observation of a new boson at a mass of 125 GeV with the CMS experiment at the LHC” // Physics Letters. – 2012.- V. B716. No 1.- P. 30–61.

7. G.Aad et al. (CMS and ATLAS Collaborations), “Combined Measurement of the Higgs Boson Mass in pp Collisions at s =7 and 8 TeV with the ATLAS and CMS Experiments” // Physical Review Letters. – 2015. – V. 114: 191803. – N. 19. – P. 1-33.

8. G.Aad et al. (CMS and ATLAS Collaborations), “Measurements of the Higgs boson production and decay rates and constraints on its couplings from a combined ATLAS and CMS analysis of the LHC pp collision data at √s = 7 and 8 TeV” // Journal of High-Energy Physics. – 2016. – V. 2016: 045. – N. 08. – P. 0-112.

9. V.Khachatryan et al (CMS Collaboration), “Precise determination of the mass of the Higgs boson and tests of compatibility of its couplings with the standard model predictions using proton collisions at 7 and 8 TeV” // European Physical Journal C. – 2015. – V. C75: 212. – N. 5. – P. 1-50.

10. S.Chatrchyan et al (CMS Collaboration), “Measurement of the properties of a Higgs boson in the four-lepton final state” // Physical Review. – 2014. – V. D89: 092007. – N. 9. – P. 1-45.

Международное сотрудничество

1. Европейская организация ядерных исследований [ЦЕРН]. Направление сотрудничества – участие в эксперименте CMS на Большом адронном коллайдере: поддержка и развитие центра 2-го яруса вычислительной грид- инфраструктуры обработки данных (T2_UA_KIPT); физический анализ данных эксперимента с целью поиска сигналов «новой физики»; работы в рамках модернизации адронной калориметрии детектора CMS

Thomas Jefferson National Accelerator Facility [TJNAF, Jefferson Lab, JLab] (США), Объединенный институт ядерных исследований [ОИЯИ], Институт физики высоких энергий [ИФВЭ] (Россия), Карлов университет (г. Прага, Чехия), Католический университет (г. Лёвен, Бельгия) Направление сотрудничества – участие в экспериментах по определению поляризационных наблюдаемых с использованием мишеней поляризованных ядер

3. Image Access Inc., Digital Library Systems Group, Roca Raton, FL, USA Направление сотрудничества – тестирование программного обеспечения в рамках соглашения «Research collaboration agreement between National Science Center "Kharkiv Institute of Physics and Technology", Kharkiv, Ukraine and Image Access Inc., Digital Library Systems Group, Roca Raton, FL, USA»