Фізика високих густин енергії.
Інститут теоретичної фізики ім. М.М. Боголюбова НАН України є однією з небагатьох наукових установ в Україні, що проводять теоретичні дослідження в галузі фізики високих енергій та елементарних частинок. Між Інститутом та CERN було підписано меморандум про взаєморозуміння щодо майбутнього кругового колайдера (CERN FCC)
https://bitp.kiev.ua/files/doc/institute/agreements/Memorandum_CERN.pdf
Інститут також підтримує тісні контакти з колаборацією ALICE у CERN і має договір про співпрацю, який, зокрема, дозволяє співробітникам Інституту представляти Україну в колаборації. В галузі фізики високих енергій було одержано низку результатів світового рівня, серед яких можна навести такі.
Розвинуто модель фруассарона та максимального оддерона (ФМО) для описання процесів розсіяння протонів та антипротонів з малою передачею імпульсів ще у 2018 році. Ця модель була запропонована Євгеном Мартиновим та Басарабом Ніколеску і потім вдосконалена та застосована для опису експериментів ТОТЕМ та Tevatron при енергіях від 1 до 13 ТеВ. Було показано, що залежності диференціального перерізу розсіяння від переданого імпульсу та значення повного перерізу розсіяння, в тому числі в експериментах з поляризованими частинками, добре узгоджуються з моделлю ФМО, яка передбачає обмін оддероном у таких процесах
https://doi.org/10.1140/epja/s10050-021-00563-z
Існування оддерона, передбаченого цією моделлю, було експериментально підтверджено у 2021 році і стало одним із найбільших експериментальних досягнень після виявлення бозона Хігса. Великий внесок інституту до відкриття оддерона відмічений також у офіційному повідомленні CERN Courier у 2021
https://cerncourier.com/a/odderon-discovered
Це відкриття не лише має велике теоретичне значення, а й стало підтвердженням невідомих раніше механізмів сильної взаємодії. Крім того, воно сприяло розвитку плідної співпраці між Україною та CERN, що стало важливим кроком для подальшого розвитку науки. Завдяки цій співпраці були ініційовані нові експерименти з протон- протонних і протон-антипротонних розсіянь у США (Tevatron) і Європі (CERN). Ці експерименти стали основою для подальших теоретичних і експериментальних досліджень у фізиці високих енергій.
Теоретичні роботи вчених інституту щодо порушення ізоспінової симетрії мотивували проведення точніших експериментів, які згодом були проведені колаборацією NA61/SHINE в CERN. Приблизна ізоспінова симетрія між u та d кварками є частиною загальної ароматної симетрії у квантовій хромодинаміці (КХД). У випадку точної симетрії кількість заряджених (K⁺ і K⁻) та нейтральних (K⁰ і анти-K⁰) мезонів, що народжуються у ядро-ядерних зіткненнях, повинна бути однаковою. У роботі
https://doi.org/10.48550/arXiv.2312.07176
враховано всі відомі ефекти порушення цієї симетрії, і показано, що вони призводять до порушення цієї рівності на кілька відсотків. Однак попередні експериментальні результати вказують на значно більші відхилення, що свідчить про наявність інших, досі невідомих, ефектів порушення симетрії.
Проводилися дослідження еволюції адронної і кварк-глюонної матерії у релятивістських ядро-ядерних зіткненнях, яка включає декілька ключових етапів. Спочатку відбувається формування початкового надщільного стану матерії, після чого розгортається процес її термалізації. Далі система еволюціонує відповідно до рівнянь гідродинаміки, поступово переходячи у стадію розпаду на окремі частинки – адрони. Завершальний етап – це еволюція взаємодіючого адронного газу, яка приводить до формування фізичних спостережуваних величин. Всі ці процеси були враховані у інтегрованій гідро- кінетичній моделі, що розроблена в інституті, для процесів ядро-ядерних зіткнень від 1 Гев до 10 ТеВ. За допомогою цієї моделі вже було описано ряд найсучасніших експериментів за ультрарелятивистских енергій
https://doi.org/10.1140/epja/s10050-020-00266-x
Роботи з розвитку інтегрованої гідро-кінетичної моделі тісно пов’язані з експериментами на Великому адронному колайдері (LHC), Релятивістському колайдері важких іонів (RHIC) та майбутніми експериментами на прискорювачах у Німеччині (FAIR CBM). Ці дослідження є частиною міжнародного співробітництва України з науковими установами та організаціями Європи,зокрема з Ecole des Mines of Nantes (Франція), University of Nantes (Франція) та Warsaw University of technology (Польща).
Виходячи з перших принципів була побудована фазова діаграма квантової хромодинаміки (КХД) за ненульової баріонної густини, що є однією з найважливіших проблем фізики високих енергій. Хромоелектричні екрануючі маси визначають важливу непертурбативну шкалу у фазі деконфайнменту КХД. Числові розрахунки цих мас за скінченної густини ускладнені проблемою знака, тому досі виконувалися з уявним хімічним потенціалом. Було використано дуальне формулювання ефективної моделі з полюсами Полякова в КХД і обчислені кореляційні функції полюсів Полякова
https://doi.org/10.1016/j.nuclphysb.2021.115332
Це дозволило чисельно оцінити екранувальні маси, а також аналітично обчислили їх у наближенні середнього поля та порівняти з числовими результатами. Роботи в цьому напрямі сприяють залученню України до Європейських досліджень у фізиці високих енергій.
Дослідження нової форми сильновзаємодійної матерії – кварк-глюонної плазми, що виникає внаслідок зіткнень високоенергетичних ядер, належить до ключових завдань сучасної фундаментальної фізики. У 2020–2024 рр. науковці інституту під керівництвом проф. М.І. Горенштейна отримали важливі результати, які істотно вплинули на подальший розвиток цього напряму. Зокрема, розроблено теорію флуктуацій баріонного числа, яку застосували для експериментального дослідження релятивістських ядро-ядерних зіткнень
https://surl.gd/vrqkli
Методи розвинутої теорії використовуються експериментальними колабораціями CBM FAIR на прискорювачі елементарних частинок в Дармштадті, Німеччина, а також в ЦЕРНі: колабораціях NA61/SHINE та ALICE, які працюють на прискорювачах SPS та LHC відповідно.
Астрофізика і космологія.
Роботи в області астрофізики і космології спрямовані на побудову цілісної картини еволюції раннього Всесвіту, глибшого розуміння Всесвіту, який нас оточує. В галузі астрофізики і космології одержано низку результатів світового рівня, серед яких можна навести такі.
На основі аналізу спостережень іонізаційного випромінювання галактик з активним зореутворенням і дослідження хімічного складу речовини в далеких галактиках, які проведено при виконанні чотирнадцяти спостережних програм на космічних телескопах Хаббла і Джеймса Вебба, доведено, що карликові галактики були головним джерелом реіонізації речовини у ранньому Всесвіті, коли розпочалось утворення перших галактик (цикл статей Ю. І. Ізотова та Н. Г. Гусєвої).
Визначено хімічний склад близьких і далеких компактних галактик за даними спостережень на космічних телескопах Хаббла і Джеймса Вебба та найбільших наземних телескопах. Доведено, що збагачення галактик важкими елементами (такими як вуглець, азот і кисень) в епоху реіонізації відбувалось дуже швидко. Результати досліджень Ю. І. Ізотова та Н. Г. Гусєвої, викладені в циклі статей, пов’язані з питанням, як близько від початку Всесвіту почали утворюватись перші зорі і галактики; коли і як швидко в зорях почали синтезуватись хімічні елементи, такі як вуглець, азот, кисень та інші, необхідні для утворення планет і біологічного життя на них; наскільки подібно до нашого локального оточення можуть розвиватися галактики на цих надзвичайно далеких відстанях. Їхні дослідження є піонерськими, широко цитуються і використовуються іншими дослідниками у світі. Кількість посилань на публікації за період 2020–2024 рр. становить понад 900
https://tinyurl.com/494k8y2y
Співробітники інституту працюють над проблемою темної матерії. Природа темної матерії досі не встановлена і лежить за межами Стандартної моделі елементарних частинок та взаємодій. В роботах Ю.В. Штанова розвинуто модель темної матерії на основі простої модифікації ейнштейнівської теорії гравітації
https://doi.org/10.1088/1475-7516/2024/12/028
Перевагою цієї моделі є те, що вона містить лише один додатковий вільний параметр – масу частинки темної матерії, і тому є найбільш передбачуваною. Показано, що така темна матерія може генеруватись у космологічну епоху електрослабкого переходу.
Густина числа малих гало темної матерії, що містять слабкі галактики з великим червоним зміщенням, чутлива до власних (теплових) рухів частинок темної матерії. А. В. Рудаковський і Д. О. Савченко із співавторами на основі аналізу ультрафіолетових функцій світності оцінили співвідношення «теплої» і «холодної» компонент темної матерії
https://doi.org/10.1093/mnras/stab2333
Фізика конденсованого стану речовини.
Вагомі результати були отримані при вивченні фізичних властивостей новітніх функціональних матеріалів на основі низьковимірних полімерів, біологічних макромолекул, графену, одно- та багатошарових діраківських і надпровідних матеріалів та інших систем, ролі неупорядкованостей в них та впливу на них зовнішніх полів, неоднорідностей структури та керованих просторово-неоднорідних деформацій. Ці матеріали широко застосовуються у сучасних технологіях, таких як наноелектроніка, спінтроніка, технології на основі біомімікрії, у пристроях альтернативних джерел енергії (сонячні панелі, батареї та ін.). Наші дослідження демонструють можливість керування цими процесами за допомогою зовнішніх постійних та змінних у часі електромагнітних полів. В галузі фізики конденсованого стану речовини було одержано низку результатів світового рівня, серед яких можна навести такі.
Досліджено фізичні механізми взаємодії протийонів та активних молекул з ДНК. Встановлено, що суттєву роль у взаємодії молекулярних іонів з ДНК відіграє їх конформаційна гнучкість
https://doi.org/10.1016/j.molliq.2023.122828
Показано, що ефекти гідратації при взаємодії іонів металів з ДНК, є важливими у випадку появи в середовищі активних молекули пероксиду водню. Дослідження взаємодії молекул пероксиду водню з ДНК в присутності молекул води та іонів металів дозволили авторам запропонувати механізм іонної терапії дії для лікування ракових захворювань. За ці роботи С.Н. Волков та С.М. Перепелиця отримали премію імені О.С. Давидова НАНУ у 2022 р.
Працівниками інституту (Л.С. Брижик, О.О. Єремко, В.М. Локтєв) знайдено новий інваріант для рівняння Дірака з потенціалом Кулона, за допомогою якого отримано розв’язок цього рівняння. Розраховано загальний оператор спін- орбітальної взаємодії, визначено розподіл середнього значення напрямку спіна у зв'язаних електронних станах і показано, що він може бути виявлений експериментально
https://doi.org/10.1016/j.aop.2022.168786
У 2022 році цей результат було відзначено Боголюбовською премією.
Досліджувались фізичні властивості графену і діраківських матеріалів, які представляють значний інтерес для побудови новітніх технологій. Зокрема, в роботах В.П. Гусиніна
https://doi.org/10.1103/PhysRevB.103.195104
https://doi.org/10.1103/PhysRevB.106.115143
вивчено електронні стани, електричну та оптичну провідності, магнітну сприйнятливість, генерацію щілини в енергетичному спектрі квазічастинкових збуджень, а отже, можливість переходу метал-діелектрик. Також було досліджено вплив зовнішніх факторів, таких як температура, легування, деформація та електромагнітні поля, на ці властивості.
Дослідження електронних систем з повністю або майже бездисперсійними енергетичними зонами, в яких енергія слабко залежить від імпульсу, є одним з актуальних напрямів в сучасній фізиці конденсованих середовищ. У роботах В.П. Гусиніна і Е.В. Горбара вивчено генерацію щілини в енергетичному спектрі квазічастинкових збуджень у т. зв. дайс моделі з локальною кулонівською взаємодією і показано, що внаслідок присутності повністю плоскої енергетичної зони щілина генерується для будь якої завгодно малої константи зв’язку.
Отримано спектри квазічастинкових збуджень, розрахована густина станів тетраграфену, встановлено існування сингулярностей ван Хова високого порядку в спектрі квазічастинкових збуджень та виділені їх внески в густину станів і орбітальну намагніченість. Розраховано повздовжню та холівську провідності залежні від частоти для систем з псевдоспіном одиниця і анізотропною дисперсією квазічастинок. Виявлено особливості оптичних переходів між дисперсійними або плоскою та дисперсійною зонами.
Для графена та силіцена виходячи з першооснов знайдено роботу виходу та її залежность від однорідної деформації, обчислені коефіцієнти Пуассона, пов'язані із деформаціями в кріслоподібному та зигзагоподібному напрямках. Отримано деформаційний потенціал як функцію прикладеної деформації, а знайдену залежність підтверджено експериментально.
Запропоновано експеримент, який дозволить спостерігати колапс рівнів Ландау у матеріалах, подібних до графену
https://doi.org/10.1103/PhysRevB.101.245115
Знайдено електронні спектри олігомерів, що є базовими одиницями для побудови нанострічок.
Розраховано параметри Давидовського солітона у зовнішньому змінному у часі магнітному полі та розвинуто механізм нетеплової дії полів на носії заряду та терапевтичної дії таких полів на біологічні системи.
Пoказано вплив дискретності на процес зчитування стану кубіта, змодельованого просторовою неоднорідністю змінної полярності в довгій джозефсонівській лінії передачі. Знайдено різницю часів проходження флюксоном цієї лінії з кубітом в різних станах
https://doi.org/10.1088/1751- 8121/abd156
Нанофізика і мікроелектроніка.
У кремнієвій, молекулярній електроніці та оптоелектроніці енергія і інформація переносяться зарядами, електронами та дірками. Робота відповідних електронних пристроїв керується головним чином зміною напруги зміщення та затвора. Якщо в структурі пристрою присутні парамагнітні іони, то наявність спінів дозволяє додатково керувати перенесенням заряду за допомогою магнітного поля. Цей додатковий контроль використовується в спінтроніці, де, як і в електроніці, заряджені частинки діють як носії енергії та інформації. Однак через джоулеву теплоту, що випромінюється пристроєм під час транспортування заряду, заряди погано підходять для передачі інформації на нанорозмірні відстані. Тому для такої передачі найбільш придатні незаряджені носії, для чого пропонується використовувати спінові збудження впорядкованих парамагнітних іонів, так звані спінові хвилі. Експеримент показує, що в магнітоупорядкованих діелектриках кванти спінової хвилі, магнони, можуть поширюватися на досить великі відстані. Наприклад, у кристалах ітрієвого гранату ці відстані становлять близько кількох сантиметрів. Це робить магнони придатними для використання в квантових комунікаціях. Помічено також, що магнони досить добре взаємодіють з фононами і фотонами - відповідно квантами коливань атомних ядер відносно їхніх рівноважних положень і квантами електромагнітного поля. На основі цього вдалося створити гібридні пристрої, які являють собою мікропорожнини з введеними в них наномагнітами. У таких фотон-магнонних резонаторах виникають електромагнітні коливання з частотами порядку гіга- і терагерц, що також відповідає частотам збудження статичних магнонів. Тому завдяки сильному фотон-магнонному зв’язку кванти фотонів здатні генерувати магнонні кванти. Це відкриває широкі можливості ефективного перетворення одних квантів збудження в інші з метою використання гібридних фотон- магнонних резонаторів у квантовій технології. Ми запропонували фізичний механізм, згідно з яким магнони, що генеруються в одному з резонаторів, можуть бути передані в інший резонатор через феромагнітні нанорозмірні ланцюжки. Таку передачу можна здійснити за допомогою магнонного тунелювання, що вказує на новий спосіб реалізації квантової комунікації. Співробітниками інституту одержано низку вагомих фундаментальних результатів в цьому напрямі.
Досліджено електронні властивості графенових квантових точок. Були отримані енергетичні спектри, хвильові функції та щільність електронних станів, які спостерігаються за допомогою скануючої тунельної спектроскопії в цих квантових точках. На основі проведених розрахунків запропоновано моделі наносенсорів
https//doi.org/10.1103/PhysRevB.103.235102
З’ясовано механізми формування електронного струму, знайдено потужність випромінювання молекули флуорофора. Розглянуто електролюмінесценцію в молекулярному з'єднанні на основі флуорофору ZnPc. Отримано аналітичні вирази для швидкостей, що визначають характерні часи встановлення рівноважного струму та потужності світловипромінювання. Оцінки показують, що в транзисторі на основі ZnPc характерний час переходу становить 10-100 пс, якщо струм знаходиться в діапазоні 0,1-10 нА
https://doi.org/10.1063/5.0119257
Проведено теоретичне дослідження механізму перенесення магнонів через феромагнітний наноланцюг між магнітоупорядкованими контактами. Розглянуто режим передачі спінових збуджень, коли містком для передачі магнонів є внутрішня ділянка ланцюга з однаковими парамагнітними ланками. Таким чином, ланцюг слабо заселений магнонами, що забезпечує когерентний транспорт безструмових збуджень на великі, в атомних масштабах, відстані. Показано, що перенесення магнона може здійснюватися шляхом послідовного стрибка локалізованого магнона через усі ланки ланцюга або шляхом тунелювання локалізованого магнона між кінцевими ланками ланцюга за механізмом «суперобміну». Виявлено аналітичну залежність відповідних швидкостей передачі від кількості парамагнітних місткових ланок. Наведено магнонний аналог ефектів Зеєбека і Пельтьє, які характеризують ефективність перенесення магнонних квантів
https://doi.org/10.1063/5.0189726
Результати розрахунків на основі теорії функціоналу густини у поєднанні з даними скануючої туненельної спектроскопії експериментів щодо структури самоорганізованих моношарів сегнетоелектричних нематичних рідкокристалічних молекул адсорбованих на атомно-гладкій поверхні золота застосовано до побудови феноменологічної моделі упаковки молекул у моношарі. Результати поглиблюють фундаментальні знання про процеси та механізми впорядкування молекул у сегнетоелектричних нематичних рідких кристалах
https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.132.098101
Досліджено випадкові блукання ланцюжками з ресетингом за довільних граничних умов. Обчислено всі основні спостережні (розподіли ймовірностей, часи першого досягнення, парціальні ймовірності "успіху-невдачі", коефіцієнти варіації) та ефекти оптимізації пошуку цілі. Результати застосовано для пояснення контр-інтуїтивного ефекту прискорення ензиматичної реакції зі збільшенням швидкості непродуктивного розпаду фермент-субстратного комплексу
https://doi.org/10.1088/1751-8121/ac5a21
Теорія ядра і квантова теорія поля.
Актуальною для суспільства залишається проблема безпеки об’єкту «Укриття-2» на ЧАЕС, особливо після ворожої атаки на цей об’єкт і часткового руйнування його покрівлі. Дослідження, проведені в роботі В.А. Бабенка зі співавтором
https://doi.org/10.15407/jnpae2023.03.239
дозволяють передбачати з позиції ядерної безпеки можливі наслідки робіт по видаленню води з матеріалів, які містять залишки ядерного палива під «саркофагом». Показано, що під час такої роботи може виникнути нейтронний спалах. Встановлено, що потік нейтронів може становити небезпеку для персоналу. Проте такі інциденти не позначатимуться на навколишньому середовищі. Знайдено залежність амплітуди нейтронного спалаху від швидкості видалення води і дано рекомендації, як зменшити інтенсивність нейтронних спалахів, що впливатиме на подальше планування робіт на об’єкті.
Розроблено нові підходи до вирішення «космологічної проблеми літію», які пояснюють нестачу ⁷Li у старих зорях через додаткові ядерні реакції руйнування ⁷Be у ранньому Всесвіті
https://doi.org/10.1103/PhysRevC.109.045803
https://doi.org/10.1103/PhysRevC.110.035806
https://doi.org/10.1007/s00601-024-01881-w
Розроблено модель, що враховує багаторівневі ядерні процеси, зокрема ефекти кластерної поляризації, які суттєво впливають на енергію та ширину резонансних станів у легких ядрах і гіперядрах
https://doi.org/10.1016/j.nuclphysa.2021.122325
Досліджено збуджені стани ізотопів літію, берилію, бору та карбону. Отримано ротаційні спектри і хвильові функції кластерних систем. Визначено вплив кулонівської взаємодії на резонансні стани дзеркальних ядер. Проаналізовано порогові ядерні реакції із виходом нейтрино та антинейтрино
https://doi.org/10.1016/j.nuclphysa.2020.121692
https://doi.org/10.1007/978-3-030-32357-8_28
Пояснено структурні функції основного і першого збудженого стану дзеркальних ядер 14С і 14О в рамках п’ятикластерної моделі
https://doi.org/10.1016/j.nuclphysa.2022.122588
Розроблено трикластерний підхід для дослідження легких гіперядер. Вперше розраховано спектр зв’язаних і резонансних станів Λ9Be і фази пружного та непружного розсіяння Λ-гіперона на ядрі ⁸Be
https://doi.org/10.1016/j.nuclphysa.2021.122325
Розроблено теорію поляризації вакууму квантованого ферміонного поля космічною струною із врахуванням її поперечних розмірів
https://doi.org/10.1103/PhysRevD.106.105010
Досліджено термодинамічні властивості системи взаємодіючих скалярних бозонів за скінчених температур. Показано, що при збереженні ізотопічного спіну (заряду) в релятивістській системі частинок-античастинок, починаючи з нульових температур, існує бозе-конденсат. Дано класифікацію фазових переходів в такій системі
https://doi.org/10.3390/universe9090411
https://doi.org/10.15407/ujpe69.8.560
Встановлено достатню умову для просторового колапсу в нескінченній системі взаємодіючих бозе-частинок і показано, що вона не пов’язана з довжиною розсіяння. (Б.Є.Гринюк)
https://doi.org/10.15407/ujpe66.12.1024
https://doi.org/10.15407/ujpe67.1.17
Пояснено множинності легких анти- та гіпер-ядер, виміряних у зіткненнях ядер на детекторі АLICE LHC за енергій 2.76 ТеВ, і колаборацією STAR BNL при 200 ГеВ. (К.О.Бугаєв, Б.Є.Гринюк)
https://doi.org/10.1142/S0218301320400091
https://doi.org/10.1140/epja/s10050-020- 00296-5
Математичні методи в теоретичній фізиці.
На основі аналізу даних з бази SPARC спіральних та нерегулярних галактик виявлено нелінійний характер самодії і передбачено нові ефекти в темній матерії. Результати будуть корисними для пояснення спостережуваних даних.
Запропонований асимптотичний метод стискання багатошарової системи до нульових розмірів дозволяє ефективно аналізувати зв’язані стани в системах із сингулярними потенціалами, що є важливим для застосувань у квантовій електроніці та нанотехнологіях.
Розроблений метод ефективних форм-факторів є корисним для дослідження кореляційних властивостей квантових багаточастинкових систем на одновимірних ґратках. Він відкриває нові шляхи для вивчення квантових ефектів у низьковимірних системах, зокрема у конденсованих середовищах.