Та у ранньому всесвіті бугрій анатолій Іванович



Скачати 301.61 Kb.
Дата конвертації20.03.2017
Розмір301.61 Kb.
Національна академія наук України
ІНСТИТУТ ТЕОРЕТИЧНОЇ ФІЗИКИ імені М.М. БОГОЛЮБОВА

ФУНДАМЕНТАЛЬНІ ВЛАСТИВОСТІ МАТЕРІЇ


В УЛЬТРАРЕЛЯТИВІСТСЬКИХ ЯДЕРНИХ ЗІТКНЕННЯХ
ТА У РАННЬОМУ ВСЕСВІТІ

1. БУГРІЙ Анатолій Іванович – кандидат фізико-математичних наук, старший науковий співробітник Інституту теоретичної фізики ім. М.М. Боголюбова НАН України.

2. ГОРЕНШТЕЙН Марк Ісакович – доктор фізико-математичних наук, головний науковий співробітник Інституту теоретичної фізики ім. М.М. Боголюбова НАН України.

3. ГУСЄВА Наталія Григорівна – доктор фізико-математичних наук, провідний науковий співробітник Головної астрономічної обсерваторії НАН України.

4. ІЗОТОВ Юрій Іванович – академік НАНУ, доктор фізико-математичних наук, завідувач відділу Головної астрономічної обсерваторії НАН України.

5. СИНЮКОВ Юрій Михайлович – доктор фізико-математичних наук, провідний науковий співробітник Інституту теоретичної фізики ім. М.М. Боголюбова НАН України.

6. СКАЛОЗУБ Володимир Васильович – академік АН Вищої освіти, доктор фізико-математичних наук, завідувач кафедри Дніпропетровського національного університету імені Олеся Гончара.
7. ШТАНОВ Юрій Володимирович – кандидат фізико-математичних наук, завідувач лабораторії Інституту теоретичної фізики ім. М.М. Боголюбова НАН України.

реферат
Київ – 2012

Вступ

Протягом останніх тридцяти років відбувається бурхливий експериментальний і теоретичний розвиток, націлений на пошук і дослідження нових станів матерії на прискорювачах важких іонів, а саме, на Супер-протон-cинхротороні (SPS) та Великому адронному колайдері (LHC) у ЦЕРНі в Європі, і на Релятивістському колайдері важких іонів (RHIC) в Брукхевенській національній лабораторії в США. Згідно з фундаментальною теорією сильних взаємодій – квантовою хромодинамікою (КХД) – за надвисоких температур, що утворюються при так званому “Малому вибуху” в ультрарелятивістських ядерних зіткненнях, адронна матерія перестає існувати і перетворюється на новий стан – кварк глюонну плазму. Розробка та впровадження експериментальних методів перевірки цих передбачень є однією з пріоритетних задач сучасної фундаментальної фізики.

Своєрідною і унікальною лабораторією, яка також дозволяє перевіряти різноманітні теорії і гіпотези фундаментальної фізики, є гарячий Всесвіт, що розширюється. Густини енергій, які виникають у ньому починаючи від “Великого вибуху”, набагато переважають ті, що їх можна досягти в лабораторії. В той же час, між ними існує й область перекриття: так, кварк-глюонна плазма повинна була існувати також і в ранньому Всесвіті. Успіх на шляху пізнання природи фундаментальних взаємодій неможливий без поєднання результатів лабораторних експериментів і астрофізичних та космологічних спостережень, а також їх всебічного теоретичного аналізу.

Сказане вище обґрунтовує поєднання в єдиний цикл роботи, що визначають внесок авторського колективу в розвиток теорії фундаментальних взаємодій у лабораторії та в ранньому Всесвіті, а також в розробку методів лабораторних досліджень і астрофізичних спостережень, які набули міжнародного визнання.



1. Сигнали фазового переходу деконфайнменту

Кварки та глюони, які типово “замкнені” (т. з. “конфайнмент”) в адронах як у свого роду “мішках”, можуть стати вільними (“деконфайнмент”) за надвисоких температур. М. І. Горенштейном була вперше запропонована точно розв’язувана статистична модель кварк-глюонних мішків [1], яка передбачає дві фази матерії: адронний газ при малій температурі та кварк-глюонну плазму при високій температурі. У 1980-х роках було започатковано міжнародну експериментальну програму, присвячену пошуку кварк-глюонної плазми у ядро-ядерних (А+А) зіткненнях. У 2000 році на прискорювачі SPS в ЦЕРНі було завершено цикл досліджень по Pb+Pb зіткненням з лабораторною енергією 158 ГеВ на нуклон. Статистичні розрахунки чисельності адронів [2–4] у цих процесах та їх теоретичний аналіз дозволили сформулювати питання по пошук сигналів кварк-глюонної плазми. М. І. Горенштейном було запропоновано [5] статистичну модель ядерних зіткнень, в якій зміни енергетичної залежності народження адронів виникають як результат фазового перетворення у сильно-взаємодіючій матерії. При підвищенні енергії зіткнення зростає густина енергії на початковій стадії А+А реакції. Тож при деякій енергії А+А зіткнення повинен початись деконфайнмент і формування кварк-глюонної плазми. Цей факт, якщо він дійсно має місце, веде до аномальної залежності від енергії зіткнення в області кварк-адронної змішаної фази. Одним з найяскравіших передбачень цієї моделі була немонотонна залежність від енергії А+А зіткнення та різкий максимум відношення множинності дивних адронів до множинності π-мезонів [5]. Положення цього максимуму збігається з початком фазового переходу деконфайнменту. Слід відзначити, що всі відомі на той час експериментальні результати та теоретичні моделі не давали жодних натяків на можливість такої немонотонної залежності цього відношення від енергії зіткнення. Тож несподіване передбачення [5] викликало значний науковий інтерес та стимулювало нову експериментальну програму у ЦЕРНі. Перевірка передбачень [5] вимагала зменшення існуючих до 2000 року енергій прискорювача SPS в ЦЕРНі. Експерименти по Pb+Pb зіткненням при лабораторних енергіях 20, 30, 40, 80 ГеВ на нуклон були виконані у 2003–2005 роках у ЦЕРНі на прискорювачі SPS колаборацією NA49. Отримані експериментальні результати підтвердили передбачення статистичної моделі фазового перетворення [5]. Початок фазового переходу деконфайнменту в центральних Pb+Pb зіткненнях відбувається при лабораторній енергії близько 30 ГеВ на нуклон. Таким чином, були отримані дуже вагомі свідчення про існування матерії в стані кварк-глюонної плазми.

В [6, 7] було розглянуто народження адронів, які складаються з очарованих кварків. Для опису рівняння стану кварк-глюонної плазми М. І. Горенштейном [8] було вперше запропоновано термодинамічно узгоджений квазічастинковий підхід, який отримав значний розвиток у подальших теоретичних дослідженнях. В останні кілька років стали можливими експерименти по вивченню флуктуацій в А+А зіткненнях. М. І. Горенштейном запропоновано узагальнення методів статистичних ансамблів [9, 10]. Цей підхід виявився важливим інструментом для дослідження А+А зіткнень.

2. Теорія та метод кореляційної фемтоскопії ядро-ядерних зіткнень

Надщільна матерія з надвисокою температурою (1012–1013) К, що народжується в зіткненнях важких іонів, швидко розширюється і має дуже малі часи життя, порядку 10–22 с, та просторові розміри порядку 10–14 м. На протязі цієї над-короткої еволюції система проходить багато стадій: первинний нетермічний стан, кварк-глюонну плазму, адронну матерію та розпад на окремі частинки (їх близько 104–105). Деталі еволюції таких систем суттєво залежать від властивостей надщільної матерії, типу фазового переходу між адронним та кварк-глюонним станами, та початкових умов.

Метод кореляційної фемтоскопії для вивчення просторово-часових характеристик таких систем та аналізу їх еволюції в процесах ультра-релятивістських зіткнень важких іонів був вперше сформульований і детально розвинутий в роботах Ю. М. Синюкова та його співавторів. В [11, 12] на базі теоретичного аналізу двочастинкових імпульсних бозе-ейнштейнівських кореляцій в системах, що розширюються, був запропонований метод оцінки часу життя таких систем. Отриманий результат – т. з. “Sinyukov–Makhlin formula” вже 25 років використовується міжнародними колабораціями, що проводять експерименти з А+А зіткнень.

В 1993 році Ю. М. Синюковим була вперше обґрунтована та сформульована загальна інтерпретація результатів фемтоскопічних вимірювань – так званих інтерферометричних радіусів – як просторових і часових “розмірів однорідності” [13, 14], яка на сьогодні є загальновизнаною і стандартною у фемтоскопічному аналізі.

Квантово-статистичні двочастинкові кореляції за малих відносних імпульсів пари, що є фізичною основою фемтоскопії, маскуються, однак, кулонівською взаємодією у парі заряджених частинок у кінцевому стані взаємодії, а також ефектами розпаду довготривалих резонансів. Метод відокремлення фемтоскопічних квантово-статистичних кореляцій від кулонівського та резонансних вкладів був знайдений в роботі [15] Ю. М. Синюкова і співавторів в 1998 році. Зараз цей метод – “Bowler–Sinyukov treatment” і відповідна формула є базовими в експериментальних роботах з фемтоскопії важких іонів. Зокрема, виключно цей метод використовується в роботах Колаборацій NA49 та CERES (CERN SPS), STAR та PHENIX (BNL RHIC), а також ALICE (CERN LHC).

Теоретичний аналіз та методи вимірювання просторово-часових масштабів, розроблені Ю. М. Синюковим, були враховані при плануванні експериментів Колаборацій NA44 (SPS CERN) та ALICE (LHC CERN), а також фізичних параметрів відповідних детекторів. Ю. М. Синюков приймав в цьому безпосередню участь [16], а перша робота колаборації ALICE з фемтоскопічного аналізу А+А зіткнень на Великому Адронному Колайдері, що була оприлюднена в 2011 році, приводить 8 посилань на роботи Ю. М. Синюкова.



3. Гідрокінетична модель ядро-ядерних зіткнень

У 2002 році Ю. М. Синюковим та співавторами була запропонована нова гідрокінетична модель А+А зіткнень [17]. Побудова моделі та втілення її в гідрокінетичний компьютерний код були завершені у 2008 році [18]. На базі цього підходу було розв'язано декілька фемтоскопичних парадоксів, що тримались майже десятиріччя [19]. Причиною виявились особливості процесу формування кварк-глюонної плазми як малов'язкої рідини з початковим розширенням, та специфіки її переходу в адронну фазу (т.з. “crossover”) при енергіях RHIC та LHC. Було також передбачено поведінку фемтоскопічних масштабів при зростанні енергії зіткнень [20, 21]. Це передбачення цілком підтвердилося, коли відповідні вимірювання були зроблені Колаборацією ALICE (LHC, ЦЕРН).

На базі детального фемтоскопічного аналізу вдалося знайти поведінку середньої фазової густини в А+А зіткненнях [22]. Виявилося, що при лабораторних енергіях близько 30 ГеВ/нуклон на прискорювачі SPS CERN при зіткненні ядер починає формуватися вже не адронна матерія, а інші ступені вільності, що асоціюються з кварками та глюонами і не дають внесок в адронну фазову густину. Цей результат є ще одним незалежним свідченням переходу від адронного до кварк-глюонного стану матерії при енергіях SPS.

4. Властивості кварк-глюонної плазми та неабелевих калібрувальних полів при високих температурах у ранньому Всесвіті.

Фундаментальні властивості кварк-глюонної матерії при температурах більших, ніж в ядро-ядерних експериментах, що досягаються в ранньому Всесвіті на пост-інфляційній стадії, досліджено В. В. Скалозубом в роботах [23–32]. Методами квантової теорії поля та квантової хромодинаміки на гратці досліджено явище спонтанного намагнічування вакууму неабелевих калібрувальних полів при високих температурах. Вперше обчислено характеристики кварк-глюонної плазми – дебаївську і магнітну маси, – що визначають екранування (хромо)електричних і магнітних полів у присутності зовнішнього поля [30, 31].

Встановлено, що явище спонтанного намагнічування вакууму неабелевих калібрувальних полів, відкрите більше 30 років тому при нульовій температурі, також має місце при високій температурі у фазі поновленої симетрії [24, 25, 27, 32]. При цьому напруженість хромомагнітного поля виявилася залежною від температури: при високих температурах виникають потужні магнітні поля і порушується закон збереження магнітного потоку. Показано, що намагнічений вакуумний стан є стабільним і з’ясовано механізми його стабілізації [23–26, 32]. Доведено, що такі магнітні поля є далекосяжними [31] і обіймають увесь простір до горизонту подій. Доведено також, що намагнічування припиняється у разі виникнення скалярного конденсату і, відповідно, маси у калібрувальних полів. Таким чином, розв’язана проблема, яка довгі роки залишалась відкритою [23]. Ця картина принципово відрізняється від випадку нульової температури, коли намагнічений вакуум є нестабільним і поле екранується за рахунок утворення конденсату заряджених калібрувальних полів.

Названі результати послугували підґрунтям для пояснення механізмів походження магнітних полів при високих температурах. Зокрема, гострою довготривалою проблемою залишається походження міжгалактичних та галактичних полів у ранньому Всесвіті, яка не отримала на сьогодні остаточного розв’язку. Як показали проведені дослідження [24–30], спонтанне намагнічування вакууму є ефективним механізмом, який виникає на фундаментальному рівні властивостей матерії. В рамках стандартної та мінімальної суперсиметричної моделей елементарних частинок В. В. Скалозубом зроблено оцінки напруженості магнітних полів при високих температурах [26–28]. Отримано також оцінку знизу на напруженість великомасштабного магнітного поля у ранньому Всесвіті та установлено зв’язок з нещодавно відкритим міжгалактичним магнітним полем.

5. Рівняння стану ядерної речовини і теорія інфляції

В загальній теорії відносності динаміка розширення Всесвіту залежить від рівняння стану речовини, тобто від залежності густини енергії ε і тиску p від температури T. Для ідеального ультрарелятивістського газу ці залежності мають простий вигляд, ε = 3~ T4; при цьому Всесвіт розширюється з часом за степеневим законом. Така космологічна модель на протязі багатьох років ставила ряд загадкових питань, пов’язаних з наявністю в ній горизонту подій. Були незрозумілими причини надзвичайної однорідності та ізотропії великомасштабної структури, евклідової просторової геометрії, а також походження первісних збурень і зарядової асиметрії спостережуваного Всесвіту.

Проте, через сильну взаємодію між елементами адронної матерії припущення про її ідеальність не виглядає обгрунтованим, і ще в 1970-ті роки аналіз даних схиляв дослідників до думки, що рівняння стану не є близьким до ідеального, а, ймовірніше, має вигляд ε = 5p. А. І. Бугрій з колегами запропонував [33–37] оригінальний метод виводу рівняння стану адронної матерії на основі S-матричного формулювання статистичної механіки. Головні внески в амплітуди розсіяння адронів визначаються траєкторіями Редже з максимальним інтерсептом, параметри яких з'ясовуються у експериментах фізики високих енергій. Використовуючи ці дані, було отримано рівняння стану у вигляді AT6 – BT5 + CT4. Числові значення коефіцієнтів A, B, C є такими, що при температурах близьких до 1–10 ГеВ тиск в системі стає від’ємним. Отримане рівняння стану є аналогом рівняння Ван-дер-Ваальса, модифікованим на випадок нульового хімічного потенціалу та ультрарелятивістських температур [38]. Зрозуміло, що область від'ємного тиску є метастабільною, і в такому термодинамічному стані речовина може існувати на протязі лише деякого обмеженого відрізку часу.

Поява стану з від’ємним тиском приводить до радикальної зміни в динаміці космологічного розширення: воно набуває експоненційно швидкого темпу і супроводжується інтенсивною генерацією адронної речовини за рахунок енергії гравітаційного поля [39–41]. Після публікації А. Гута 1980 року подібний сценарій космологічної еволюції отримав назву “теорії інфляційного Всесвіту”. Прямим наслідком етапу експоненційно швидкого розширення Всесвіту є розв’язок вищезгаданих космологічних проблем. Крім того, експоненційне розширення сприяє інтенсивній генерації первісних чорних дір, в які внаслідок статистичних флуктуацій може потрапити дещо більше антиречовини, ніж речовини. Подальше квантове випарування первісних чорних дір є строго зарядово симетричним, тому надлишок антиречовини буде назавжди схованим у цих утвореннях. По завершенні адронної ери відбувається анігіляція всієї наявної антиречовини, і залишена адронна матерія складається тільки із нуклонів. Таким чином даний сценарій пропонує розв'язання проблеми зарядової асиметрії сучасного Всесвіту [42, 43].

6. Розігрів Всесвіту після інфляції

Проведені на протязі останніх десятиліть точні і ретельні спостереження мікрохвильового фонового випромінювання і великомасштабної структури Всесвіту підтвердили висновки інфляційної космології, яка і дотепер залишається єдиним сценарієм, що не лише розв'язує цілу низку проблем теорії гарячого Всесвіту, а й пропонує квантовий механізм генерації первинних збурень, з яких утворюються галактики та їх скупчення. Для успішного пояснення початкових умов в ранньому гарячому Всесвіті інфляційну епоху тепер відносять до найперших миттєвостей, порядку 10–35 секунди, за густини енергії, що на багато десятків порядків перевищує ядерну!

Важливою частиною даного сценарію є теорія пост-інфляційного розігріву Всесвіту – процесу, в якому енергія, запасена в скалярному полі інфлятона (що в сучасних теоріях відповідає за стадію інфляції), переходить в енергію інших частинок. Самоузгоджена теорія розігріву для нелінійного поля інфлятона була побудована в роботах Ю. В. Штанова з колегами [64, 65]. При цьому переважаючими виявились ефекти параметричного резонансу в присутності швидкоосцилюючого нелінійного поля інфлятона. Пост-інфляційний розігрів Всесвіту є важливим процесом, оскільки він формував початкові умови для подальшої еволюції гарячого Всесвіту. Цим визначається велике значення отриманого результату.

7. Космологічний нуклеосинтез та вміст первинного гелію

Перші легкі хімічні елементи та ізотопи, важчі за водень (D, 3He, 7Li), утворились в епоху так званого первинного нуклеосинтезу на протязі перших трьох хвилин існування Всесвіту. В стандартній теорії первинного нуклеосинтезу (SBBN) при фіксованій кількості типів релятивістських нейтрино, первинний вміст 4He (далі He або гелій) та інших легких елементів (D, 3He, 7Li) залежать лише від одного космологічного параметру η – відношення кількості баріонів до кількості фотонів.

Дейтерій, внаслідок лінійної залежності його первинного вмісту від η, є найкращим ізотопом для визначення кількості баріонів (або звичайної речовини) у Всесвіті. Виміри відношення вмісту D/H привели до висновку, що масова частка баріонів становить лише близько 4 відсотки.

Вміст гелію визначається із спостережень з найбільшою точністю серед усіх легких елементів, що утворились в епоху первинного нуклеосинтезу. Але його первинний вміст є не таким чутливим баріометром, як вміст дейтерію. В той же час первинний вміст гелію значно чутливіший, порівняно з дейтерієм, до темпу розширення Всесвіту, який визначався кількістю типів релятивістських частинок в епоху первинного нуклеосинтезу, та до можливої лептонної асиметрії у ранньому Всесвіті. Тому виміри вмісту первинного гелію з точністю 1–2% є дуже важливими і перспективними для тестування моделей первинного нуклеосинтезу та визначення можливих відхилень від SBBN.

Такі виміри вмісту Не, а також вмісту більш важких хімічних елементів, в принципі можливі в спектрах областей іонізованого водню в галактиках з низьким вмістом елементів, важчих за гелій. У 1974 р. М. Паймберт і С. Торрес-Паймберт запропонували простий метод визначення вмісту первинного гелію із залежності між вмістом гелію і вмістом кисню в областях іонізованого водню. Ця залежність враховує той факт, що увесь кисень і незначна частина гелію утворились не в період первинного нуклеосинтезу, а в зорях в більш пізню епоху. Тому для вибірки областей іонізованого водню вміст первинного гелію визначається екстраполяцією залежності “вміст гелію — вміст кисню” до нульового значення вмісту кисню. При цьому найбільш важливим є необхідність якомога точніше зафіксувати на цій залежності точки з мінімальним вмістом кисню та гелію, тобто створити і дослідити якомога більшу вибірку областей іонізованого водню з мінімально низьким вмістом кисню. Така задача найбільш ефективно вирішується при спостереженні блакитних компактних карликових галактик з мінімальною металевістю в Локальному Всесвіті (тобто до відстаней менших за 100 Мпк). Для цього Н. Г. Гусєвою і Ю. І. Ізотовим в 1986 році було розпочато велику спеціальну програму (яка продовжується і до цього часу) по пошуку галактик з найменшим вмістом кисню. Ця задача є нетривіальною із спостережної точки зору, про що свідчать відсутність результатів по пошуку галактик з екстремально низьким вмістом кисню, починаючи з відкриття Сірлом і Сарджентом в 1972 році відомої галактики I Zw 18 з вмістом кисню ~ 1/40 від сонячного і до відкриття нами в 1988 році галактики SBS 0335-052 з Другого Бюраканського огляду з найменшим вмістом кисню [58] (~ 1/50 від сонячного). Н. Г. Гусєва і Ю. І. Ізотов знайшли близько 20 таких галактик [51, 53, 58, 63]. Це найбільша у світі вибірка галактик з найменшим вмістом кисню, яка є найкращою для визначення вмісту первинного гелію.

Статистичні похибки виникають при вимірах інтенсивностей емісійних ліній водню, гелію і кисню в спектрах галактик. Вони можуть бути зменшені використанням великої вибірки галактик з низьким вмістом важких елементів, спектри яких отримано на великих телескопах. На першому етапі було сформовано велику вибірку карликових галактик з використанням спектральних даних з різних оглядів неба, таких як Перший та Другий Бюраканський огляди, Sloan Digital Sky Survey (SDSS) [49, 52, 54, 61, 62] та інші. Другий етап полягав в отриманні високоякісних спектрів декілька сотень відібраних галактик для вимірів інтенсивностей емісійних ліній водню, гелію і кисню [44–54, 56–58, 60–63]. Особлива увага приділялась спостереженню галактик з найменшим вмістом кисню, які є найкращими об'єктами для визначення вмісту первинного гелію. Оскільки об'єкти дослідження є дуже слабкими, а в Україні немає відповідного обладнання, то всі спостереження було проведено на великих іноземних телескопах з діаметрами дзеркал 4–10 метрів, головним чином, телескопах США та Європейської Південної обсерваторії в Чилі. Нарешті, третій етап полягав в ретельній обробці спостережних даних і визначенні вмісту хімічних елементів з врахуванням статистичних похибок [44–56]. Створена вибірка галактик є базовою в дослідженнях не тільки ГАО НАН України, але і інших груп у світі, які займаються визначенням вмісту первинного гелію.

Найбільш важливими з джерел систематичних похибок, які ретельно досліджувались і враховувались в роботах [44–56, 59, 61, 62], є наступні:



Розподіл електронної температури в іонізованому газі. Один з методів визначення електронної температури в іонізованому газі використовує заборонені лінії двічі іонізованого кисню. Але чи є ця температура характерною для зони світіння водню і гелію? Було проведено спостережну програму з метою отримання електронної температури в зоні світіння водню і гелію за величиною Бальмерівського стрибка на довжині хвилі 364 нм для близько 150 галактик з низьким вмістом кисню [61, 62]. Виявилось, що обидві температури практично збігаються. Інших аналогічних робіт в світі не існує.

Зоряні лінії поглинання водню і гелію. Спектри галактик є суперпозицією спектрів іонізованого газу і зір. Останні включають в себе як випромінювання в континуумі, так і абсорбційні лінії водню і гелію, які зменшують інтенсивність емісійних ліній. Цей ефект був врахований в [44–56] з використанням моделей популяційного синтезу зоряних скупчень.

Підсилення ліній гелію внаслідок флуоресценції, а також зіткнень з електронами. Гелій у триплетному стані має високо розташований метастабільний рівень 23S з високою населеністю. Тому атоми у цьому стані при зіткненнях з електронами можуть переходити на більш високі рівні і підсилювати емісійні лінії. Крім того, відбувається підсилення ліній за рахунок переходів з рівня 23S, які є непрозорими для випромінювання (флуоресценція).

Підсилення ліній водню внаслідок флуоресценції, а також зіткнень з електронами. Підсилення бальмерівських ліній водню при зіткненнях з електронами відбувається головним чином при переходах з другого рівня на більш високі рівні. Флуоресцентне підсилення бальмерівських ліній водню відбувається внаслідок поглинання зоряного континууму на довжинах хвиль переходів серії Лаймана. Ці два ефекти враховуються шляхом моделювання областей іонізованого газу за допомогою програм, які враховують усі елементарні процеси в іонізованому газі.

Іонізаційна структура. Зони світіння іонізованого гелію і іонізованого водню можуть мати різні об'єми. Корекційний множник для вмісту гелію перевищує одиницю у випадку м'якого випромінювання зір, яке іонізує газ, або менше одиниці у випадку більш жорсткого випромінювання. Цей множник був визначений в [54] шляхом моделювання областей іонізованого газу.

Вміст первинного гелію і застосування для космології. Усі зазначені вище ефекти було враховано в серії робіт [44–56, 58, 60, 63]. В останній з робіт циклу [55], яка враховує найсучасніші дані про систематичні похибки, отримано значення вмісту первинного гелію, що на 3% вище від значення, передбачуваного стандартною моделлю первинного нуклеосинтезу з кількістю типів активних нейтрино Nν = 3. Застосування χ2 мінімізації на площині η–Nν з використанням первинного вмісту D, He і 7Li дає величину η, що є близькою до значення, отриманого за результатами спостережень анізотропії температури реліктового випромінювання в космічній місії WMAP (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe), і кількість типів нейтрино Nν = 3.7–3.8, що на 2σ вище від значення Nν = 3 в стандартній моделі електрослабкої взаємодії.

8. Багатовимірна космологія

Всесвіт можна розглядати як своєрідну лабораторію, що дозволяє перевіряти різноманітні теорії об'єднання фундаментальних взаємодій. Однією з популярних концепцій, на яких сьогодні грунтуються такі теорії, є ідея про існування додаткових вимірів простору-часу. В середині 1990-х років в цій області було відкрито цікаві нові можливості. Було з'ясовано, що додаткові виміри простору можуть бути некомпактними і навіть макроскопічними за своєю протяжністю. При цьому матеріальні об'єкти спостережного світу зосереджуються на чотиривимірному підмноговиді, що отримав назву “брана” (від слова “мембрана”).

Поява теорій “світу на брані” породила питання про особливості передбачуваної нею космологічної еволюції. Ряд таких особливостей відкрито в роботах Ю. В. Штанова із співавторами [66–72]. Зокрема, в [68, 69] показано, що широкий клас моделей даного типу описує надшвидке прискорення космологічного розширення. Така еволюція відповідає Всесвіту, заповненому незвичайною формою темної енергії з надвід'ємним тиском (< – ε), і може бути принципово перевірена за даними спостережень над надновими типу Ia.

Серед інших відкритих цікавих можливостей космологічної еволюції в моделі світу на брані, можна відмітити розширення із затримкою [70], яке, на відміну від космології, основаній на загальній теорії відносності, може відбуватись на великих червоних зміщеннях (наприклад, z ~ 20) навіть у просторово плоскому Всесвіті. В таких моделях вік нашого Всесвіту значно перевищує його значення в стандартній космології, що полегшує утворення в ньому масивних чорних дір та активних галактик на ранніх етапах завдяки прискореному розвитку гравітаційної нестійкості під час затримки розширення.



Висновки
  1. Авторським колективом отримано наступні пріоритетні наукові результати:


  • Передбачено сигнали фазового переходу деконфайнмента при енергіях SPS, які були експериментально підтверджені.

  • Розроблено теорію і метод кореляційної фемтоскопії в ядро-ядерних зіткненнях, які скрізь використовуються в експериментальному аналізі.

  • Розроблено гідрокінетичну модель, яка з урахуванням фемтоскопічного аналізу дозволила відтворити просторово-часову картину еволюції матерії в ядро-ядерних зіткненнях, передбачити результати фемтоскопічних вимірювань на LHC та знайти властивості надщільного стану матерії при енергіях SPS, RHIC та LHC.

  • Досліджено властивості і характеристики кварк-глюонної плазми та неабелевих калібрувальних полів при високих температурах і запропоновано новий механізм – спонтанне намагнічування вакууму - виникнення великомасштабних магнітних полів у Всесвіті на пост-інфляційній стадії.

  • На основі обчислення рівняння стану адронної матерії з великою густиною енергії відкрито стадію інфляційного розширення Всесвіту.

  • Побудовано самоузгоджену теорію пост-інфляційного розігріву Всесвіту з урахуванням явища параметричного резонансу в присутності нелінійного однорідного поля інфлятона, що швидко осцилює.

  • На основі ретельної обробки даних астрофізичних спостережень отримано значення вмісту гелію у Всесвіті, що на 3% вище від значення, передбачуваного стандартною моделлю первинного нуклеосинтезу з кількістю типів релятивістських нейтрино Nν = 3.

  • Відкрито декілька важливих властивостей еволюції Всесвіту в моделях “світу на брані” з додатковим виміром, що виникли на сучасному етапі розвитку теорії фундаментальних взаємодій.

До циклу увійшли 72 публікації, з яких 70 надруковано у міжнародних реферованих журналах згідно з базою даних Scopus. Загальна кількість посилань на роботи циклу згідно з відкритими базами даних INSPIRE та ADS становить близько 6000. За матеріалами досліджень цього циклу захищено 5 докторських та 12 кандидатських дисертацій.


А. І. Бугрій

М. І. Горенштейн







Н. Г. Гусєва

Ю. І. Ізотов







Ю. М. Синюков

В. В. Скалозуб







Ю. В. Штанов




Список робіт:


  1. M. I. Gorenstein, V. K. Petrov, G. M. Zinovjev, Phase Transition in the Hadron Gas Model, Phys. Lett. B 106, 327 (1981).

  2. D. H. Rischke, M. I. Gorenstein, H. Stocker, W. Greiner, Excluded Volume Effect for the Nuclear Matter Equation of State, Z. Phys. C 51, 485 (1991).

  3. Granddon D. Yen, M. I. Gorenstein, W. Greiner, Shin Nan Yang, Excluded Volume Hadron Gas Model for Particle Number Ratios in A+A Collisions, Phys. Rev. C 56, 2210 (1997).

  4. Granddon D. Yen, M. I. Gorenstein, The Analysis of Particle Multiplicities in Pb+Pb Collisions at CERN SPS within Hadron Gas Models, Phys. Rev. C 59, 2788 (1999).

  5. M. Gazdzicki, M. I. Gorenstein, On the Early Stage of Nucleus-Nucleus Collisions, Acta Phys. Polon. B 30, 2705 (1999).

  6. M. Gazdzicki, M. I. Gorenstein, Evidence for Statistical Production of J/psi Mesons in Nuclear Collisions at the CERN SPS, Phys. Rev. Lett. 83, 4009 (1999).

  7. M. I. Gorenstein, A. P. Kostyuk, H. Stocker, W. Greiner, Statistical Coalescence Model with Exact Charm Conservation, Phys. Lett. B 509, 277 (2003).

  8. M. I. Gorenstein, Shin Nan Yang, Gluon Plasma with a Medium Dependent Dispersion Relation, Phys. Rev. D 52, 5206 (1995).

  9. V. V. Begun, M. Gazdzicki, M. I. Gorenstein, O.S. Zozulya, Particle Number Fluctuations in Canonical Ensemble, Phys. Rev. C 70, 034901 (2004).

  10. V. V. Begun, M. I. Gorenstein, A. P. Kostyuk, O. S. Zozulya, Particle Number Fluctuations in Microcanonical Ensemble, Phys. Rev. C 71, 054904 (2005).

  11. A. N. Makhlin, Yu. M. Sinyukov, Hydrodynamics of hadron matter un­der pion interferometry microscope, Z. Phys. C 39, 69 (1988).

  12. Yu. M. Sinyukov, Hanbury-Brown/Twiss correlations for expanding hadron and quark-gluon matter, Nucl. Phys. A 498, 151 (1989).

  13. Yu. M. Sinyukov, Spectra and correlations in locally equilibrium hadron and quark-gluon systems, Nucl. Phys. A 566, 589 (1994).

  14. S. V. Akkelin, Yu. M. Sinyukov, HBT-interferometry for expanding sources, Phys. Lett. B 356, 525 (1995).

  15. Yu. M. Sinyukov, R. Lednicky, J. Pluta, B. Erazmus, S. V. Akkelin, Coulomb corrections for interferometry analysis of expanding hadron systems, Phys. Lett. B 432, 248 (1998).

  16. ALICE Collaboration (G Alessandro, (Ed.), …, Yu. Sinyukov et al.), ALICE: Physics performance report. Volume II, J. Phys. G 32, 1295 (2006).

  17. Yu. M. Sinyukov, S. V. Akkelin and Y. Hama, On freeze-out problem in hydro-kinetic approach to A+A collisions, Phys. Rev. Lett. 89, 052301 (2002).

  18. S. V. Akkelin, Y. Hama, Iu. Karpenko, Yu. M. Sinyukov, Hydro-kinetic approach to relativistic heavy ion collisions, Phys. Rev. C 78, 034906 (2008).

  19. Yu. M. Sinyukov, Matter evolution and soft physics in A+A collisions, Acta Phys. Polon. B 37, 334310 (2006).

  20. NArmestо, ..., Yu. M. Sinyukov, et al, Heavy-ion collisions at the LHC Last call for predictions, J. Phys. G: Nucl. Part. Phys. 35, 054001 (2008).

  21. IuAKarpenko, Yu. M. Sinyukov, Energy dependence of pion interferometry scales in ultra-relativistic heavy ion collisions, Phys. Lett. B 688, 50 (2010).

  22. S. V. Akkelin, Yu. M. Sinyukov, Hanbury–Brown–Twiss search for new states of matter in A+A collisions, Phys. Rev. C 73, 034908 (2006).

  23. V. Skalozub, M. Bordag, Once more on a color ferromagnetic vacuum state at finite temperature, Nucl. Phys. B 576, 430 (2000).

  24. V. Skalozub, M. Bordag, Ring diagrams and electroweak phase transition in a magnetic field, Int. J. Mod. Phys. A 15, 349 (2000).

  25. V. I. Demchik, V. V. Skalozub, The Spontaneous generation of magnetic and chromomagnetic fields at high temperature in the standard model, Eur. Phys. J. C 25, 291 (2002).

  26. V. V. Skalozub, A. V. Strelchenko, On generation of Abelian magnetic fields in SU(3) gluodynamics at high temperature, Eur. Phys. J. C 33, 105 (2004).

  27. V. I. Demchik, V. V. Skalozub, The Spontaneous generation of magnetic fields at high temperature in a supersymmetric theory, Eur. Phys. J. C 27, 601 (2003).

  28. V. V. Skalozub, A. V. Strelchenko, The Polarization tensor of neutral gluons in external fields at high temperature, Eur. Phys. J. C 40, 121 (2005).

  29. M. Bordag, V. Skalozub, Neutral gluon polarization tensor in color magnetic background at finite temperature, Phys. Rev. D 75, 125003 (2007).

  30. M. Bordag, V. Skalozub, Polarization tensor of charged gluons in color magnetic background field at finite temperature, Phys. Rev. D 77, 105013 (2008).

  31. V. I. Demchik, V. V. Skalozub, On the spontaneous creation of chromomagnetic fields at high temperature, Phys. Atom. Nucl. 71, 180 (2008).

  32. S. Antropov, M. Bordag, V. Demchik, V. Skalozub, Long range chromomagnetic fields at high temperature, Int. J. Mod. Phys. A 26, 4831 (2011).

  33. А. И. Бугрий, А. А. Тpушевский, Уpавнение состояния pелятивистского нуклон-антинуклонного газа пpи учете взаимодействия, ЖЭТФ 73, вып.1(7), Сс. 3–19 (1977).

  34. A. I. Bugrij, A relativistic gas of interacting particles in the phase volume approximation, Phys. Lett. B 73, 347 (1978).

  35. А. И. Бугрий, А. А. Тpушевский, В. Н. Шадура, Учет вклада π-мезонов в уpавнение состояния адpонных систем, Укр. Фіз. Журн. 27, № 12, Сс. 1781–1790 (1982).

  36. А. И. Бугрий, А. А. Тpушевский, В. Н. Шадура, Вклад многочастичных пpоцессов в уpавнение состояния адpонных систем в мультиpеджевском пpиближении, Укр. Фіз. Журн. 31, № 12, Сс. 1765–1770 (1986).

  37. А. И. Бугрий, А. А. Тpушевский, В. Н. Шадура, Влияние пpоцессов множественного pождения адpонов на теpмодинамику вещества пpи ультpаpелятивистских темпеpатуpах, Укр. Фіз. Журн. 32, № 4, Сс. 487–492 (1987).

  38. Yu. A. Beletsky, A. I. Bugrij, A. A. Trushevsky, Phase transitions and fluctuations in ultrarelativistic matter with the Van der Waals equation of state, Z. Phys. C. Particles and Fields 10, 317 (1981).

  39. А. И. Бугpий, А. А. Тpушевский, Некотоpые космологические следствия высокотемпеpатуpного фазового пеpехода в адpонных системах, Астpофизика 13, № 2, Сс. 361–374 (1977).

  40. А. И. Бугpий, А. А. Тpушевский, Модель Фpидмана с уpавнением состояния неидеального адpонного газа; Гpавитационный коллапс pелятивистского неидеального адpонного газа, Астpометpия и Астpофизика, вып. 36, Сс. 3–5 (1978).

  41. А. И. Бугpий, А. А. Тpушевский, Гpавитационный коллапс адронной системы с уравнением состояния Р=АТ6 – ВТ5 + СТ4, Укр. Фіз. Журн. Т. 24, № 9, Сс. 1357–1363 (1979).

  42. Yu. A. Beletsky, A. I. Bugrij, E. S. Martynov, A. A. Trushevsky, Where could antimatter be hidden in the Universe? Nature 282, 194 (8 November 1979).

  43. Ю. А. Белецкий, А. И. Бугpий, А. А. Тpушевский, О зависимости баpионной асимметpии вселенной от уpавнения состояния, Астpофизика 24, № 1, Сс. 179–189 (1986).

  44. Y. I. Izotov, T. X. Thuan, V. A. Lipovetsky, The Primordial Helium Abundance: Systematic Effects and a New Determination, Astrophys. J. Suppl. 108, 1 (1997).

  45. Y. I. Izotov, T. X. Thuan, The Primordial Abundance of 4He Revisited, Astrophys. J. 500, 188 (1998).

  46. Y. I. Izotov, T. X. Thuan, Heavy-Element Abundances in Blue Compact Galaxies, Astrophys. J. 511, 639 (1999).

  47. Y. I. Izotov, T. X. Thuan, V. A. Lipovetsky, The primordial helium abundance from a new sample of metal-deficient blue compact galaxies, Astrophys. J. 435, 647 (1994).

  48. Y. I. Izotov, T. X. Thuan, Systematic Effects and a New Determination of the Primordial Abundance of 4He and dY/dZ from Observations of Blue Compact Galaxies, Astrophys. J. 602, 200 (2004).

  49. Y.I. Izotov, G. Stasinska, G. Meynet, N. G. Guseva, T.X. Thuan, The chemical composition of metal-poor emission-line galaxies in the Data Release 3 of the Sloan Digital Sky Survey, Astron. and Astrophys. 448, 172 (2006).

  50. T. X. Thuan, Y. I. Izotov, V. A. Lipovetsky, Heavy element abundances in a new sample of low-metallicity blue compact galaxies, Astrophys. J. 445, 108 (1995).

  51. Y. I. Izotov, F. H. Chaffee, C. B. Foltz, R. F. Green, N. G. Guseva, T. X. Thuan, Helium Abundance in the Most Metal-deficient Blue Compact Galaxies: I ZW 18 and SBS 0335-052, Astrophys. J. 527, 757 (1999).

  52. N. G. Guseva, Y. I. Izotov, T. X. Thuan, A Spectroscopic Study of a Large Sample Of Wolf-Rayet Galaxies, Astrophys. J. 531, 776 (2000).

  53. Y. I. Izotov, V. L. Lipovetsky, F. H. Chaffee, C. B. Foltz, N. G. Guseva, A. Y. Kniazev, SBS 0335-052, A Probable Nearby Young Dwarf Galaxy: Evidence Pro and Con, Astrophys. J. 476, 698 (1997).

  54. Y. I. Izotov, T. X. Thuan, G. Stasinska, The Primordial Abundance of 4He: A Self-consistent Empirical Analysis of Systematic Effects in a Large Sample of Low-Metallicity H II Regions, Astrophys. J. 662, 15 (2007).

  55. Y. I. Izotov, T. X. Thuan, The Primordial Abundance of 4He: Evidence for Non-Standard Big Bang Nucleosynthesis, Astrophys. J. 710, L67 (2010).

  56. Y. I. Izotov, T. X. Thuan, Reexamining the Helium Abundance of I ZW 18, Astrophys. J. 497, 227 (1998).

  57. Y. I. Izotov, C. B. Foltz, R. F. Green, N. G. Guseva, T. X. Thuan, I ZW 18: A New Wolf–Rayet Galaxy, Astrophys. J. 487, L37 (1997).

  58. Y. I. Izotov, N. G. Guseva, V. A. Lipovetsky, A. Y. Kniazev, J. A. Stepanian, Unusually low heavy-element abundance found in the blue compact dwarf galaxy SBS0335-052, Nature. 343, 238 (1990).

  59. G. Stasinska, Y. Izotov, Modeling the emission line sequence of H II galaxies, Astron. and Astrophys. 397, 71 (2003).

  60. K. J. Fricke, Y. I. Izotov, P. Papaderos, N. G. Guseva, T. X. Thuan, An Imaging and Spectroscopic Study of the Very Metal-deficient Blue Compact Dwarf Galaxy Tol 1214-277, Astron. J. 121, 169 (2001).

  61. N. G. Guseva, Y. I. Izotov, T. X. Thuan, Balmer and Paschen Jump Temperature Determinations in Low-Metallicity Emission-Line Galaxies, Astrophys. J. 644, 890 (2006).

  62. N. G. Guseva, Y. I. Izotov, P. Papaderos, K. J. Fricke, Balmer jump temperature determination in a large sample of low-metallicity HII regions, Astron. and Astrophys. 464, 885 (2007).

  63. Y. I. Izotov, N. G. Guseva, K. J. Fricke, P. Papaderos, BalmerSBS 0335-052E+W: deep VLT/FORS+UVES spectroscopy of the pair of the lowest-metallicity blue compact dwarf galaxies, Astron. and Astrophys. 503, 61 (2009).

  64. Ю. В. Штанов, Динамика скалярного поля и разогрев Вселенной в сценарии хаотического раздувания, Укр. Фіз. Журн. Т. 38, № 9, Сс. 1425–1433 (1993).

  65. Y. Shtanov, J. Traschen, R. Brandenberger, Universe reheating after inflation, Phys. Rev. D 51, 5438 (1995).

  66. Yu. Shtanov, V. Sahni, Bouncing braneworlds, Phys. Lett. B 557, 1 (2003).

  67. V. Sahni, Yu. Shtanov, A. Viznyuk, Cosmic Mimicry: Is LCDM a Braneworld in Disguise?, J. Cosmol. Astropart. Phys. 0512, 005 (2005).

  68. V. Sahni, Yu. Shtanov, Braneworld models of dark energy, J. Cosmol. Astropart. Phys. 0311, 014 (2003).

  69. V. Sahni, Yu. Shtanov, New vistas in braneworld cosmology, Int. J. Mod. Phys. D 11, 1515 (2002).

  70. V. Sahni, Yu. Shtanov, Did the universe loiter at high redshifts?, Phys. Rev. D 71, 084018 (2005).

  71. Yu. Shtanov, V. Sahni, New cosmological singularities in braneworld models, Class. Quantum Grav. 19, L101 (2002).

  72. P. Tretyakov, A. Toporensky, Yu. Shtanov, V. Sahni, Quantum effects, soft singularities and the fate of the universe in a braneworld cosmology, Class. Quantum Grav. 23, 3259 (2006).

Каталог: sites -> default -> files
files -> Положення про порядок підготовки фахівців ступенів доктора філософії та доктора наук в аспірантурі (ад’юнктурі) та докторантурі вищих навчальних закладів
files -> Відділ аспірантури та докторантури Уманського державного педагогічного університету імені Павла Тичини
files -> Київський національний університет імені Тараса Шевченка
files -> Програма вступного іспиту до аспірантури зі спеціальності 22. 00. 03 соціальні структури та соціальні відносини Затверджено
files -> Культура Античності. Культура Давньої Греції
files -> Системотехнічні засади та інструментально-програмні засоби створення та підтримки цифрових словників сидорчук надія Миколаївна
files -> Міністерство освіти І науки україни державний економіко-технологічний університет транспорту
files -> Конспект лекцій для студентів усіх спеціальностей освітньо-кваліфікаційних рівнів «спеціаліст»,
files -> Конструкції для енергоефективного відновлення забудови, постраждалої від надзвичайних ситуацій

Скачати 301.61 Kb.

Поділіться з Вашими друзьями:




База даних захищена авторським правом ©uchika.in.ua 2020
звернутися до адміністрації

    Головна сторінка