Изучение внутренней структуры нуклонов

    Нуклоны (протоны и нейтроны) состоят из кварков, связанных сильным взаимодействием. Теорией сильных взаимодействий является Квантовая Хромодинамика (КХД), точность предсказаний которой растёт с увеличением энергии и, соответственно, уменьшением масштабов расстояний. На расстояниях, соответствующих размеру нуклона (10-13-10-14 см), расчёты в рамках КХД особенно трудны из-за интенсивного взаимодействия между кварками и многокварковых корреляций, которые сложно учесть. Это новое приоритетное направление современной физики элементарных частиц и атомного ядра, поскольку оно связано с изучением структуры адронов (к ним относятся протоны и нейтроны) и динамики сильных взаимодействий в области расстояний, отвечающих переходу от конфайнмента (состояния запертости кварков внутри адронов) к асимптотической свободе кварков (их свободе на предельно малых расстояниях внутри адронов).
    Для понимания внутренней структуры нуклонов (и других адронов) необходимы специальные эксперименты по рассеянию электронов на нуклонах. Электроны - исключительно эффективное средство зондирования материи. Они бесструктурны (точечны) и, легко проникая вглубь микрообъектов, взаимодействуют с ними посредством хорошо известных электромагнитных сил, что обеспечивает однозначную интерпретацию результатов эксперимента. С помощью электронных пучков получена наиболее ценная информация о структуре объектов малой протяженности. Электронные микроскопы (энергии электронов в них достигают сотен кэВ) позволили впервые наблюдать молекулярную и атомарную структуру объектов. Электроны с энергиями сотни МэВ позволили «заглянуть» внутрь атомного ядра. С помощью ускорителей электронов высоких энергий (десятки - сотни ГэВ) удалось наблюдать кварки внутри нуклонов. Требования, предъявляемые к качеству электронного пучка современных ускорителей особенно высоки. В США вблизи Вашингтона в ведущей национальной лаборатории JLAB (Национальной ускорительной лаборатории им. Томаса Джеферсона - Jefferson Lab) работает ускоритель электронов CEBAF с энергией 6 ГэВ и уникальными параметрами пучка. CEBAF - лучший в мире электронный микроскоп для изучения ядер и нуклонов. Это единственный в мире ускоритель, способный дать ответ на поставленные вопросы о структуре нуклона и характере взаимодействия в нём кварков. Планируется увеличение энергии электронов до 12 ГэВ.


Монтаж детектора CLAS

    Базовая научная структура кафедры общей ядерной физики – отдел электромагнитных процессов и взаимодействий атомных ядер (ОЭПВАЯ) НИИ ядерной физики МГУ, возглавляемый заведующим кафедрой профессором Б.С. Ишхановым, участвует в совместных научных исследованиях с JLAB в рамках Международной коллаборации CLAS, объединяющей усилия около 40 институтов из восьми стран. Эти исследования направлены на решение одной из ключевых задач современной физики: изучениe эволюции сильного взаимодействия в области расстояний от 10-15 см, где работает фундаментальная теория сильного взаимодействия - КХД до расстояний сравнимых с размерами адронов (10-13 см), где сильные взаимодействия оказываются совсем иными: более сложными и многообразными. Выполняемые в JLAB эксперименты позволят дать ответ на вопрос, способны ли существующие представления о фундаментальном сильном взаимодействии токовых (т.е. свободных) кварков и глюонов (квантов сильного поля) описать всё многообразие сильных взаимодействий адронов. Могут ли сильные взаимодействия адронов быть получены из КХД или с увеличением расстояния происходит изменение сильных взаимодействий на фундаментальном уровне?
    Сочетание непрерывного пучка электронов ускорителя JLAB с рекордными в мире параметрами и 4π детектора CLAS («4π» означает, что детектор способен регистрировать частицы, вылетающие после реакции во всех направлениях) открывают перед JLAB наилучшие в мире возможности исследований в обсуждаемой области физики сильных взаимодействий.


Выпускник кафедры кандидат физ.-мат. наук Е.Н.Головач в экспериментальном зале JLAB

    Выпускники кафедры внесли значительный вклад в развитие экспериментальной установки детектора CLAS, методов анализа данных и в физическую интерпретацию полученных результатов. Развитые ими методы анализа и интерпретации результатов позволили получить первые сигналы о новых возбуждённых состояниях нуклона. Поиск новых барионных (т.е. трёхкварковых) состояний пользуется высоким приоритетом в современной физике адронов, поэтому полученные результаты вызвали большой резонанс в международном научном сообществе.
    Полученные физиками Московского университета результаты существенно расширили современные представления о динамике сильного взаимодействия на расстояниях, соответствующих масштабу нуклона. На различных этапах в работах принимали участие 2 профессора МГУ, 3 ведущих и старших научных сотрудника, 14 научных сотрудников, студентов и аспирантов. 3 сотрудника в течение длительного времени работают на должностных позициях JLAB. Ряд студентов кафедры проходили магистерское обучение в Американских университетах, сотрудничающих с JLАВ. JLАВ обеспечивает ежегодную финансовую поддержку проводящимся в МГУ исследованиям по совместной тематике. Эти работы поддержаны Грантом Президента России. По материалам совместных исследований подготовлены 2 спецкурса для студентов физического факультета МГУ, защищены 10 дипломных работ. Результаты этих исследований систематизированы в 4-х кандидатских и 1 докторской диссертации. В НИИЯФ МГУ создана и активно работает база данных экспериментов Международной коллаборации CLAS, содержащая физические результаты всех экспериментов выполненных на детекторе CLAS.
      Соглашение между НИИ Ядерной физики МГУ и JLАВ предусматривает в ближайшие годы значительное расширение совместных исследований. Перед группой ОЭПВАЯ и кафедрой Общей ядерной физики поставлены важные задачи, решить которые поможет новое поколение физиков, пришедшее на кафедру.