Наукові відділи
Найважливіші наукові результати
- Відділ Астрофізики та елементарних частинок
- Відділ Фізики високих густин енергії
- Відділ Теорії квантових процесів у наносистемах
- Відділ Математичних методів в теоретичній фізиці
- Відділ Теорії нелінійних процесів в конденсованих середовищах
- Відділ Синергетики
- Відділ Теорії ядра і квантової теорії поля
- Відділ Комп'ютерного забезпечення наукових досліджень і науково-технічної інформації
Відділ Астрофізики та елементарних частинок
- Досліджено властивості випромінювання в лінії Лайман-альфа водню в дев'яти близьких галактиках з найменшим відомим вмістом хімічних елементів, важчих за гелій за даними спостережень на Космічному телескопі Хаббла. Ці галактики вважаються найкращими локальними аналогами карликових галактик, які існували у ранньому Всесвіті в епоху вторинної іонізації, коли його вік становив менше 10 відсотків від теперішнього віку. У семи з дев'яти досліджуваних галактик спостерігається сильна і вузька емісійна лінія Лайман-альфа, що, ймовірно, свідчить про велику втрату іонізаційного випромінювання, яке виходить за межі цих галактик у міжгалактичнке середовище та спричиняє його іонізацію. Результати цього дослідження є вагомим аргументом на користь того, що карликові галактики з активним зореутворенням були головним джерелом вторинної іонізації Всесвіту.Ю.І. Ізотов, Н.Г. Гусева
- Показано, що великий клас модифікованих теорій гравітації із лагранжіаном f(R) відповідає моделям скалярного поля із потенціалами типу пагорба або плато в системі Ейнштейна. У таких моделях гравітація може асимптотично зникати за нескінченних або великих кінцевих значеннях скалярної кривини. Всесвіт, що розвивається в бік нульової кривини, є всесвітом, що відповідає спостережному. Всесвіт, що розвивається в бік асимптотично зникаючої гравітації, або зіткнеться з сингулярністю "Великого розриву", або перебуватиме вічно у режимі інфляції.Ю.В. Штанов
- Формалізм редукованої квантової електродинаміки узагальнено на випадок гетероструктур, що складаються з кількох атомних шарів і сформульовано відповідну ефективну (2+1)-вимірну калібрувальну теорію. Ця теорія описує динаміку заряджених ферміонів в N площинах і містить N векторних полів з дією Максвелла, модифікованою нелокальними формфакторами. З урахуванням поляризаційної функції отримані явні формули для екранованої електромагнітної взаємодії у випадку двох і трьох шарів. Для гетероструктури з двома шарами досліджено генерацію динамічної щілини екситонного типу в енергетичному спектрі квазічастинкових збуджень. Виявлено, що додаткове екранування за рахунок другого шару збільшує значення критичної константи зв'язку для генерації щілини порівняно з відповідною константою зв'язку в графені.В.П. Гусинін, Е.В. Горбар
- Ю.І.Ізотовим і Н.Г.Гусєвою у складі міжнародного колективу дослідників з України, Швейцарії, Франції, Данії та Сполучених Штатів Америки за даними перших спостережень галактик у ранньому Всесвіті на найбільшому 6-метровому космічному телескопі ім. Джеймса Вебба визначено хімічний склад галактик в епоху вторинної іонізації на великих червоних зміщеннях 6.7 - 8.4, коли вік Всесвіту становив менше 1 млрд. років. Знайдено, що досліджувані галактики мають хімічний склад, подібний до хімічного складу сучасних галактик. Це свідчить про швидку хімічну еволюцію молодих галактик на протязі короткого часу у декілька десятків мільйонів років, внаслідок чого галактики швидко "забували" про фізичні умови, які існували при їх утворенні.академік НАН України Ю.І. Ізотов, Н.Г. Гусєва
- Висвітлено питання про відповідність конформних систем Йордана та Ейнштейна у Стандартній Моделі, що взаємодіє з модифікованою гравітацією з дією f(R). Залежність від скалярона вакуумного середнього поля Хіггса та константи сильної взаємодії приводить до універсального перенормування мас усіх частинок в системі Ейнштейна. Проаналізовано можливі потенційно спостережні ефекти в такій теорії, де модифікована гравітація відіграє роль темної матерії.Ю.В. Штанов
- Розроблений підхід для розрахунку повздовжньої та холівської провідностей систем з довільним псевдоспіном і дисперсією квазічастинок. Провідності представлені через корелятори швидкостей квазічастинок, які також описують явище тремтячого руху. Цей метод застосований для обчислення оптичної провідності напівдіраківської моделі з анізотропною дисперсією квазічастинок, де виявлені анески сингулярностей ван Хова і діраківських конусів. Досліджено дайс-модель що має квазічастинки з псевдоспіном одиниця. Показано, що при наявності щілини в енергетичному спектрі оптичні переходи мають місце між дисперсійними і плоскою зоною, в той час як прямі переходи між дисперсійними зонами відсутні.член-кореспондент НАНУ В.П. Гусинін
- В дайс-моделі з локальною кулонівською взаємодією, яка має квазічастинкові збудження з псевдоспіном одиниця, досліджено генерацію щілини в енергетичному спектрі. Внаслідок наявності двох долин із виродженими електронними станами існує два основних типи щілин. Внутрішньодолинна і міждолинна щілина описує кореляції електронів і дірок в одній і різних долинах відповідно. Показано, що в той час як генерація внутрішньодолинної щілини відбувається лише в надкритичному режимі, міждолинна щілина генерується для як завгодно малої константи зв'язку. Фізичною причиною відсутності критичного значення константи зв'язку є каталіз генерації міждолинної щілини плоскою (бездисперсійною) енергетичною зоною в електронному спектрі дайс-моделі. Бездисперсійна зона має сингулярну густину станів, що значно підсилює генерацію щілини і призводить до великої міждолинної щілини, пропорційної до площі зони Бріллюена.чл.-кор. НАН України В.П. Гусинін, Е.В. Горбар
- Проведено аналіз власних спостережень на Космічному телескопі Хаббла дев'яти галактик із зореутворенням, котрі мають малі маси M★<108 мас Сонця. Згідно з теоретичними передбаченнями частка іонізівного проміння, що виходить за межі галактики, збільшується із зменшенням її маси. Водночас встановлено, що всупереч цим передбаченням частка іонізівного проміння, яке виходить за межі галактики та здатне іонізувати міжгалактичне середовище, не збільшується зі зменшенням маси галактики.акад. НАН України Ю.І. Ізотов, Н.Г. Гусєва
- Запропоновано новий космологічний сценарій, у якому скалярон моделі гравітації f (R) після електрослабкого переходу відіграє роль холодної темної матерії. Її поточна густина енергії в цьому сценарії збігається із спостережною величиною за значення маси скалярона m ≈ 4 меВ. При цьому в неоднорідному Всесвіті автоматично генеруються збурення темної матерії адіабатичного типу.Ю.В. Штанов
- Використовуючи ефективний низькоенергетичний гамільтоніан для ферміонів з псевдоспіном одиниця, розраховано взаємодію Рудермана-Кіттеля-Касуйя-Йосіди (РККЙ) для магнетних домішок, розміщених на одній і тій самій або різних підґратках пластинчастої ґратки. Показано, що існує три типи взаємодії, які залежать від параметру моделі, що визначає відносну силу стрибків електронів між підґратками: два з них можна звести до графенового типу, тоді як третій є новим ‒ він обумовлений наявністю бездисперсійної зони з нульовою енергією. Отримано загальні аналітичні вирази для взаємодії РККЙ в термінах інтегралів Мелліна‒Барнса. Показано, що взаємодія між домішками, розташованими у вузлах сотової ґратки, виявляє дуже сильну температурну залежність при малому допуванні, що є прямим наслідком наявності плоскої зони.чл.-кор. НАН України В.П. Гусинін
- Для одновимірної системи точкових бозонів показано, що при слабкому зв'язку «діркова» квазічастинка Ліба є певним набором взаємодійних фононів. Це означає, що діркові квазічастинки не утворюють незалежний тип квазічастинок, хоча в літературі довгий час вважалось протилежне.М.Д. Томченко
- Проведено спостереження емісійної лінії Lyman α на космічному телескопі Хаббла у восьми близьких компактних галактик із зореутворенням, низьким вмістом кисню з метою пошуку непрямих індикаторів для визначення частки іонізівного випромінювання і емісії Lyman α, що виходить за межі галактики. У п'яти галактик знайдено сильну емісійну лінію Lyman α з двома максимумами в розподілі інтенсивності. В інших трьох галактиках слабка лінія Lyman α накладається на широку лінію поглинання Lyman α. Знайдено антикореляцію між часткою випромінювання в лінії Lyman α, що виходить за межі галактики, і відстанню між максимумами в лінії Lyman α, але вона не така тісна як антикореляція між часткою іонізівного випромінювання, що виходить за межі галактики, і відстанню між максимумами в лінії Lyman α. Зроблено висновок, що відстань між максимумами в лінії Lyman α можна розглядати як надійний непрямий індикатор виходу Lyman α та іонізівного випромінювання за межі галактики.акад. НАН України Ю.І. Ізотов, Н.Г. Гусєва
- Побудовано пертурбативну хіральну теорію квантової ґравітації у формалізмі першого порядку на основі двокомпонентних спінорів. На відміну від інших формалізмів цього роду, фіксацію калібровки вдалося вибрати таким чином, щоб занулити пропагатор спінової зв'язності. Це значно спрощує обчислення діаграм Фейнмана. Новий формалізм в теорії ґравітації є аналогом відомого і потужного хірального формалізму в теорії калібрувальних векторних полів Янга-Міллза.Ю.В. Штанов
- Вивчено електронні стани масивних ферміонів із псевдоспіном одиниця на гексогональній ґратці з додатковим атомом в центрі шестикутника (дайсґратка) в присутності зарядженої домішки. Знайдено зв'язані електронні стани у випадках радіально симетричної потенціальної ями та регуляризованого кулонівського потенціалу. Показано, що при більшанні заряду домішки енергетичні рівні зв'язаних станів виходять з верхнього і центрального континуумів і занурюються за деяких критичних значень заряду в центральний і нижній континууми, відповідно, реалізуючи так зване явище атомного колапсу для ферміонів із псевдоспіном одиниця. В дайс-моделі знайдено, що існує бездисперсна зона у випадку потенціальної ями, однак вона відсутня для кулонівського потенціалу. Аналітичні результати отримано для енергетичних рівнів ферміонів у потенціальній ямі поблизу границь континуумів. У випадку кулонівського потенціалу показано, що аналітичні розв'язки існують для зліченно нескінченої множини значень заряду домішки при фіксованих значеннях зв'язків атомів.чл.-кор. НАН України В.П. Гусинін, E.В. Горбар
- Побудовано метод описання електричного поля в спонтанно поляризованому ізотропному неполярному діелектрику. Узагальнено формулу Гельмгольця для електричної сили, яка діє на елемент об'єму діелектрика, з урахуванням внеску спонтанної поляризації.М.Д. Томченко
- За допомогою космічного телескопа Хабла проведено спостереження восьми компактних галактик із зіркоутворенням, спрямовані на вивчення властивостей Лайман-альфа емісії за таких умов. Досліджено взаємозв'язок між внесками емісії Лайман-альфа та Лайманового континууму, що виходить за межі галактики. Знайдено, що форма профілю лінії Лайман-альфа дає змогу надійно визначити частку емісії такого Лайманового континууму і може бути використана для великої кількості галактик з метою розв'язання проблеми вторинної іонізації Всесвіту.акад. НАН України Ю.І. Ізотов, Н.Г. Гусєва
- Запропоновано простий сценарій інфляційного магнетогенезу, оснований на спіральному зв'язку з електромагнетизмом. Спіральний зв'язок в даному сценарії еволюціонує лінійно з конформним часом, інтерполюючи між двома сталими значеннями. Це дає уникнути проблеми сильного калібрувального зв'язку та генерувати гелікальні магнeтні поля з напруженістю до 10-7 Гс за екстраполяції на сучасну епоху у вузькій спектральній смузі, центрованій на довільному фізичному хвильовому числі, через налаштування параметрів моделі. Додаткові обмеження на магнетне поле виникають із міркувань теорії баріогенезу та, ймовірно, з ефекту Швінгера народження заряджених пар частинок-античастинок.Ю.В. Штанов
- Виконано пошук можливого сигналу темної матерії за допомогою астрофізичних спостережень в рентґенівському діапазоні. Для лінії на енергії 3.5 кеВ, що може бути сигналом темної матерії, визначено розподіл світності в межах гало нашої Галактики, звідки отримано нові передбачення чутливості для майбутньої спеціалізованої місії Micro-X. За допомогою космологічних гідродинамічних моделювань отримано передбачення ширини лінії розпаду темної матерії при спостереженні скупчення галактик Персей майбутньою місією XRISM.Д.А. Якубовський
- З комбінованого аналізу останніх спостережних даних про кінематику класичних сферичних карликових галактик отримано нове обмеження знизу на масу частинки ферміонної темної матерії ~200еВ. Безпосередньо показано неможливість достовірно обмежити параметри частинок темної матерії з космологічного поглинання на частотах 75-80 МГц, про що було заявлено колаборацією EDGES, ("провалу від 21-см лінії надтонкого розщеплення водню").Д.О. Савченко, A.B. Рудаковський, Д.A. Якубовський
- На основі спостережень на космічному телескопі Хаббла зареєстровано проміння, здатне іонізувати водень міжгалактичного середовища - найбільш розповсюджений елемент у Всесвіті. Виток такого проміння знайдено в п'яти унікальних карликових галактиках з активним зореутворенням та екстремально високим ступенем іонізації міжзоряного середовища в них, відібраних авторами з найбільшого огляду неба Слоан. Вперше отримано, що частка цього випромінювання становить у межах 2-72 % від породженого в цих галактиках проміння, і її достатньо для пояснення вторинної іонізації Всесвіту, яка відбувалась в ранню епоху Всесвіту, коли його вік становив всього 200-800 мільйонів років. З використанням даних для всіх 11 галактик Локального Всесвіту, спостережених на телескопі Хаббла, запропоновано непрямий метод визначення частки іонізівного проміння, що втрачається галактикою, з форми профілів яскравої емісійної лінії Лайман-альфа водню. Цю лінію легко спостерігати на великих відстанях. Запропонований метод може бути застосований для галактик на будь-яких відстанях, для яких безпосередні спостереження іонізівного проміння складні або неможливі, в тому числі на великих відстанях.акад. НАН України Ю.І. Ізотов, Н.Г. Гусєва
- Зроблено припущення про необхідність урахування додаткових парних та аксіальних квантових поправок до ефективної дії, які пов'язують тензор кривини простору-часу та тензор напруги електромагнетного поля, разом з квадратичним за кривиною доданком до ґравітаційної дії в моделі Старобінського (яку може розглядати як провідну квантову поправку). Показано, що за такого припущення у Ейнштейновій системі полів виникає нетривіальна взаємодія між скалярним інфлятоном та електромагнетним полем, яку до цього вводили в теорію штучно. Аналіз інфляційного магнетогенезису у даній моделі показує, що підсилення вакуумних електромагнетних полів можливе лише на п'ять порядків величини, що недостатньо для пояснення великомасштабного магнетного поля у Всесвіті.Ю.В. Штанов, О.С. Савченко
- Запропоновано метод дослідження зонної структури нових матеріалів, який дає змогу встановлювати наявність топологічних фазових переходів. Показано, що резонансна особливість ентропії на один електрон у залежності від хімічної потенціалу може розглядатися як ознака переходу між топологічною та звичайною фазами ізолятора. Ентропію на електрон у двомірному кристалі германену в зовнішньому електричному полі отримано із розрахунку густини електронних станів за допомогою функціоналу густини і співвідношення Максвелла. Особливості ван Хова в електронній густині станів проявляються як нулі в залежності ентропії на частинку від хімічного потенціалу.чл.-кор. НАН України В.П. Гусинін, С.Г. Шарапов
- Показано, що характерною рисою двовимірних систем, які проходять N послідовних топологічних переходів Ліфшиця, є поява піків ентропії на частинку з квантованою амплітудою при низьких температурах. Отримано загальний вираз для ентропії як функції хімічного потенціалу, температури та амплітуди щілин у діраківських матеріалах. Всередині меншої зі щілин, залежність від хімічного потенціалу містить мінімум та пік поблизу точки Дірака. Запропоновано експериментальне вимірювання всіх цих особливостей в експериментах з модуляцією температури зразків.С.Г. Шарапов, чл.-кор. НАН України В.П. Гусинін
- Досліджено частоти колективних мод у вейлівських матеріалах в цих полях. Встановлено, що хоча частота повздовжньої колективної моди співпадає з ленгмюрівською частотою, ця мода є незвичайною тому, що характеризується осциляцією не тільки густини електричного струму, а також густини хірального струму. Осциляції густини хірального струму виникають внаслідок хірального ефекту розділення. Знайдено, що частоти поперечних мод розщеплюються в магнетному полі, і це дає можливість експериментального вимірювання частот плазмових коливань у вейлівських матеріалах.Е.В. Горбар
- Показано, що неекспоненціальна форма дифракційного конуса, спостережена в пружному розсіянні протонів на прискорювачі LHC, є підтвердженням наявності у протонів піонної "шуби", пов'язаної з аналітичними властивостями амплітуди розсіювання.Л.Л. Єнковський
- Для з'ясування природи лінії на енергії 3.5 кеВ опрацьовано всі публічно доступні спостереження обсерваторії XMM-Newton 19 скупчень галактик з найбільшим очікуваним потоком від розпаду темної матерії. Відбір об'єктів ґрунтувався на відомих профілях гало темної матерії. Комбіновані спектри об'єктів, моделювались як сума неперервного спектру плазми і відомих астрофізичних ліній. Вклади від слабких астрофізичних ліній обмежувались зверху, виходячи зі значень потоків достовірно зареєстрованих астрофізичних ліній. В 6 спектрах зареєстровано перевищення зі статистичною значущістю на рівні >2σ і положенням лінії 3.56 ± 0.02 кеВ. Детальні симуляції показують оцінку комбінованої значущості сигналу, що дорівнює якнайменше 2.6σ. Оцінка зростає до 3.1σ при врахуванні розкиду центроїдів за енергіями. Моделювання залежності положення лінії в системі випромінювача від червоного зміщення об'єкту показує, що астрофізична природа сигналу краще узгоджується з даними, аніж інструментальна природа. Інтерпретація сигналу як лінії розпаду темної матерії дає час життя частинки темної матерії τ ≈ ( 3.2 - 5.3 )×1027 сек, що цілком узгоджується з попередніми спостереженнями лінії.Д.А. Якубовський, Д.О. Савченко
- Досліджено електронні стани в полі зарядженої домішки в графені у зовнішньому магнітному полі. Показано, що заряджена домішка знімає виродження рівнів Ландау, перетворюючи їх в зонно-подібні структури, івстановлено, що заповненням рівнів Ландау, екранованим зарядом домішки можуть керувати за допомогою напруги на затворі. Якщо хімічний потенціал лежить між рівнями Ландау, то екранування є мінімальним, і заряджена домішка сильно впливає на електронний спектр.Е.В. Горбар, В.П. Гусинін
- Стерильні нейтрино з масою біля 7 кеВ здатні пояснити властивості лінії випромінювання на енергії ~3.5 кеВ в спектрах декількох космічних об'єктів, домінованих темною матерією. Досліджено вплив темної матерії з таких стерильних нейтрино на перебіг реіонізації Всесвіту і показано, що вона викликає набагато швидшу реіонізацію, неможливу для пояснення в "стандартному" сценарії за будь-якого реалістичного вибору параметрів моделі.А.В. Рудаковський, Д.А. Якубовський
- Аналітично досліджено процес генерації і подальшої вільної еволюції лептонної хіральної асиметрії і спірального магнітного поля в ранньому гарячому Всесвіті. Показано, що за космологічно доречних початкових умов хіральна асиметрія і густина енергії спірального магнітного поля розвиваються за скейлінговим законом. Отримано вираз для температури, за якої цей режим раптово завершується, як функції від хіральної асиметрії і густини енергії магнітного поля.М.Є. Сидоренко, Ю.В. Штанов