ОТДЕЛЕНИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКОЙ ФИЗИКИ ОТДЕЛЕНИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКОЙ ФИЗИКИ Петербургский институт ядерной физики им. Б.П.Константинова 2011 ОТДЕЛЕНИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКОЙ. - презентация

1 ОТДЕЛЕНИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКОЙ ФИЗИКИ ОТДЕЛЕНИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКОЙ ФИЗИКИ Петербургский институт ядерной физики им. Б.П.Константинова 2011 ОТДЕЛЕНИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКОЙ ФИЗИКИ ПИЯФПИЯФ

2 ОТДЕЛЕНИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКОЙ ФИЗИКИ ПИЯФПИЯФ Структура ОТФ Руководитель Отделения: Л.Н.Липатов Зам. руководителя: Д.И.Дьяконов и А.Н.Ерыкалов Учёный секретарь: Г.В.Фролов Сектор квантовой теории поля (В.А.Кудрявцев) Сектор теоретической физики высоких энергий (Д.И.Дьяконов) Сектор теории сильных взаимодействий (В.Ю.Петров) Сектор теории электрослабых взаимодействий (Г.С.Данилов) Сектор теоретической ядерной физики (М.Г.Рыскин) Сектор теории конденсированного состояния (С.Л.Гинзбург) Сектор атомной физики (А.И.Михайлов) Группа физики реакторов (А.Н.Ерыкалов)

3 Состав ОТФ: 71(1) средний возраст 57,58 года средняя зарплата руб./мес. доктора кандидаты без степени вед.инж. ст.лаб. + аспиранты 29(1) возраст, лет человек ОТДЕЛЕНИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКОЙ ФИЗИКИ ПИЯФПИЯФ

4 ОТДЕЛЕНИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКОЙ ФИЗИКИ ПИЯФПИЯФ Международная известность ОТФ 18 работ имеют статус «выдающихся»: более 500 ссылок 6 сотрудников Отделения имеют по 6000 ссылок на свои работы 21 сотрудник ОТФ вошли в список «наиболее активных» российских учёных, из них 10 человек имеют более 400 ссылок на работы последних 7 лет Премии последних лет: Премия им. Марии Кюри и премия ФИАН «Ad Astra» – Л.Н.Липатов Премия им. Софьи Ковалевской (Германия) – М.В.Поляков Премия ЮНЕСКО и компании l'Oreal – А.М.Макарьева Премия Губернатора Ленинградской области и Северо-Западного центра РАН – Д.И.Дьяконов

5 ОТДЕЛЕНИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКОЙ ФИЗИКИ ПИЯФПИЯФ Основные направления исследований теоретическая физика высоких энергий: жёсткие процессы и структурные функции, дифракция при больших энергиях, теория померона и адронов с тяжёлыми кварками, физика хиггсовских бозонов, процессы с нарушением барионного числа квантовая теория поля: интегрируемость и точно решаемые теории, суперсимметричные модели, квантовая теория струн, дуальность сильной и слабой связи. теория сильно взаимодействующих частиц: квантовая хромодинамика, квантовые флуктуации в вакууме, микроскопический механизм спонтанного нарушения киральной симметрии и конфайнмента кварков, киральная модель барионов, систематизация и феноменология адронов

6 ОТДЕЛЕНИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКОЙ ФИЗИКИ ПИЯФПИЯФ теория ядерной материи и ядер, далёких от полосы стабильности теория атомов и мезоатомов, прецизионные вычисления спектров и радиационных поправок, нарушение чётности в атомной физике и ограничения на поправки к стандартной модели теория конденсированного состояния вещества: теория неупорядоченных сред, квантовая теория наноструктур, самоорганизующейся критичности, новые фазы конденсированного состояния, теория магнитных и сверхпроводящих материалов теория ядерных реакторов и мюонного катализа термоядерных реакций; изучение природного реактора Окло и ограничение на изменения мировых констант со временем теоретические основы изменения климата и существования биосферы

7 ОТДЕЛЕНИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКОЙ ФИЗИКИ ПИЯФПИЯФ 155 Общее число публикаций за 2011 г (+ 1 монография) Общее число приглашённых докладов на международных 40 конференциях в 2011 г. – около 40 Работы теоретиков можно (условно) разбить на такие категории: 1) Прикладные расчёты 2) Обработка и объяснение эксперимента 3) Предсказание новых явлений и предложение экспериментов 4) Чисто теоретические работы, необходимые самой теории

8 Спектральная яркость ИГН в канале ГЭК 8 на мощности реактора 100 МВт Распределение температуры по фрагменту ИГН с графитовой ватой в вакууме ОТДЕЛЕНИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКОЙ ФИЗИКИ ПИЯФПИЯФ По программе MCNP5 выполнен расчет энерговыделения в элементах конструкции ИГН реактора ПИК при номинальной мощности 100 МВт: в графитовом блоке выделяется – 2.8 КВт, в окружающем блок графитовом войлоке – 1.1 КВт, в циркониевой оболочке – 7.6 КВт. По программе ANSYS12 расчетная температура по графитовому блоку ~2400К, при заполнении ваты азотом снижается до ~1800К, при заполнении гелием до ~1400К. Спектральная яркость горячих нейтронов с энергией 0.3 – 1эВ в горизонтальный канал ИГН увеличивается на 2 порядка при увеличении температуры графита от 300К до 2000К. Нейтронно-физический расчет источника горячих нейтронов реактора ПИК А.Н. Ерыкалов

9 Нормально в природе отношение концентраций равно: ОТДЕЛЕНИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКОЙ ФИЗИКИ ПИЯФПИЯФ Определение температуры в активной зоне реактора Окло по изотопному отношению 176 Lu/ 175 Lu М.С. Онегин и М.С. Юдкевич (КИ) Кинетика концентрации изотопа 176 Lu имеет вид: В реакторе это отношение меняется, поскольку изотоп 176 Lu выгорает. Сечение захвата нейтрона ядром 176 Lu сильно зависит от температуры, так что по отношению изотопов 176 Lu/ 175 Lu в руде можно определить какая была температура в зоне в момент функционирования реактора. Знать температуру при которой протекала реакция очень важно при анализе выгорания изотопа 149 Sm в реакторе Окло, и, в конечном итоге, для выяснения вопроса изменились ли фундаментальные константы за последние 2 млрд. лет?

10 p(r) и p H (r) теоретическое и эмпирическое падение давления в ураганах Конденсационная динамика газовых вихрей В.Г. Горшков, А.М. Макарьева и А.В. Нефёдов ОТДЕЛЕНИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКОЙ ФИЗИКИ ПИЯФПИЯФ Несмотря на постоянное увеличение компьютерных мощностей и числа спутниковых наблюдений, качество предсказаний интенсивности атмосферных вихрей (циклонов, ураганов, торнадо) остается неудовлетворительным. Исследование физической природы атмосферных вихрей является актуальной теоретической задачей. Вычисление градиента давления, возникающего при вертикальном движение воздуха за счет конденсации водяного пара, позволило получить единое описание наблюдаемых профилей давления и скоростей в ураганах и торнадо. Впервые получено согласующееся с наблюдениями теоретическое описание трехмерной циркуляции торнадо. u(r), v(r), w(r) – радиальная, тангенциальная и вертикальная скорости; r – расстояние до центра конденсации. Мулхаллское торнадо имело наибольший за всю историю наблюдений радиус максимальной скорости около 1 км

11 ОТДЕЛЕНИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКОЙ ФИЗИКИ ПИЯФПИЯФ Примеры: магнитные нано-пленки, кубические магнетики типа MnSi и др. Симметрия разрешает взаимодействие Дзялошинского-Мориа Возникает магнитная спираль (в пленках – циклоида) k – волновой вектор спирали Новые явления: 1.Связь спиновых волн с импульсами q и q + n k, n=1,2,3,… 2.Анизотропия спектра при q < k Инфракрасные расходимости и спин-флоп (А-) фаза в MnSi. Магнитные системы без центра инверсии С.В. Малеев k

12 [1] Annals Phys. 326, 1457 (2011) [2] Phys. Rev. Lett. 107, (2011) Рис.: (а) пример МФ волновой функции в КЭХ переходе; (б) корреляторы волновых функций, показывающие лидирующий МФ скейлинг; (в) коррелятор волновых функций, проявляющий subleading скейлинг Мультифрактальность волновых функций в неупорядоченных системах А.Д. Мирлин и др. ОТДЕЛЕНИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКОЙ ФИЗИКИ ПИЯФПИЯФ Одним из замечательных свойств волновых функций электронов в неупорядоченных системах является их мультифрактальность (МФ) вблизи перехода Андерсона металл-изолятор (МИ) и в 2D системах. Большой интерес к этой области связан как с теоретической важностью, так и с экспериментами на полупроводниковых структурах, графене, топол. изоляторах. Показано [1] на основе эффективной теории поля (сигма-модели), что в "унитарном" классе симметрии в системе с короткодействующим эл.-эл. взаимодействием температурный скейлинг ширины перехода МИ и перехода между плато в квантовом эффекте Холла (КЭХ) определяется subleading МФ экспонентой. Для КЭХ эта экспонента также определена численно. [2] Показано, что в сигма-моделях моменты локальной плотности состояний удовлетворяют симметрии = где Q = 1, 2 или 3 в зависимости от класса симметрии. Доказательство основано на инвариантности относительно группы Вейля соответствующих суперсимметричных симметрических пространств.

13 Рис.: Зависимость сопротивления двумерной пленки от температуры для разных значений беспорядка. С увеличением беспорядка температура перехода вначале экспоненциально нарастает (см. также вставку), а потом обращается в ноль (переход сверхпроводник - изолятор). Усиление сверхпроводимости Андерсоновской локализацией ОТДЕЛЕНИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКОЙ ФИЗИКИ ПИЯФПИЯФ Согласно "теореме Андерсона" беспорядок не влияет на температуру перехода (для спаривания в s канале). Исследовано влияние короткодействующего вазимодействия и показано, что благодаря Андерсоновской локализации, умеренно сильный беспорядок приводит к экспоненциально большому увеличению температуры перехода. Это крайне удивительное на первый взгляд явление связано с мультифрактальным характером волновых функций, приводящим к усилению СП спаривания. Вычисление проведено с помощью сигма- модели для системы с беспорядком и взаимодействиями во всех каналах, а затем ее РГ исследования. Эффект доказан для 2D систем в параметрически широком интервале силы беспорядка, а также для 3D систем вблизи перехода Андерсона. Phys. Rev. Lett. 108, (2012) А.Д. Мирлин и др.

14 ОТДЕЛЕНИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКОЙ ФИЗИКИ ПИЯФПИЯФ Показано, что в исследуемой системе возникает bulk-SQUID эффект. Это означает, что многоконтактный СКВИД откликается на случайное внешнее воздействие (инжекция надкритического тока), как единый джозефсоновский контакт: напряжение в системе демонстрирует периодическое во времени поведение. Исследуемая система: дискретный сверхпроводник – совокупность взаимодействующих джозефсоновских контактов, характеризующаяся следующими случайными параметрами: Проявление Bulk-SQUID эффекта в исследуемой системе при трех различных наборах случайных параметров С.Л. Гинзбург, А.В. Накин и Н.Е. Савицкая BULK-SQUID эффект и синхронизация в дискретных сверхпроводниках {V i, J ij, F i } V i – структурные характеристики контактов J ij – коэффициенты взаимодействия контактов F i – внешнее воздействие

15 ОТДЕЛЕНИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКОЙ ФИЗИКИ ПИЯФПИЯФ Предложен метод исследования низкотемпературных свойств магнетиков с доминирующей одноионной анизотропией типа лёгкая плоскость. Метод позволяет проводить вычисления, используя обычную диаграммную технику. С помощью этого подхода вычислен спектр элементарных возбуждений в 3-ем порядке по отношению J/D (J - обмен, D – анизотропия) и низкотемпературные поправки к спектру, а также темлоёмкость и намагниченность в критической области и кривая разделения фаз на плоскости (H-T) (H – магнитное поле вдоль оси анизотропии). Метод успешно применён для исследования соединения NiCl 2 -4SC(NH 2 ) 2 А.В. Сизанов и А.В. Сыромятников Спектр и низкотемпературные свойства магнетиков с большой одноионной анизотропией типа лёгкая плоскость

16 ОТДЕЛЕНИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКОЙ ФИЗИКИ ПИЯФПИЯФ Нормированная спиновая восприимчивость как функция нормированной температуры T N в магнитных полях извлечена из измерений на ZnCu3(OH)6Cl2. Нормированная теплоемкость извлечена из измерений на сплаве с ТФ YbRh2Si2 в магнитных полях. Теория хорошо согласуется с данными экспериментов. Экзотическая квантовая спиновая жидкость (КСЖ) формируется решеткой кагоме в изоляторе гербертсмитите ZnCu3(OH)6Cl2 и состоит из квазичастиц-спинонов со спином S=1/2 и нулевым зарядом. Выявлены фундаментальные свойства открытой КСЖ: жидкость находится вблизи критической точки ферми-конденсатного квантового фазового перехода, а ее термодинамика идентична термодинамике металлов с тяжелыми фермионами (ТФ). Ключевым свойством КСЖ является спин-зарядовое разделение, когда заряд электрона локализован, а спин образует КСЖ; поэтому свойства изолятора ZnCu3(OH)6Cl2, не связанные с зарядовым транспортом, подобны свойствам металла с ТФ, а не изолятора. В.Р. Шагинян и др. Идентификация спиновой жидкости в изоляторе гербертсмитите V.R. Shaginyan et al., Phys. Rev. B, 84, (2011)

17 ОТДЕЛЕНИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКОЙ ФИЗИКИ ПИЯФПИЯФ Тройная ионизация литиеподобных ионов фотонным ударом Тройная ионизация литиеподобных ионов фотонным ударом А.И. Михайлов и А.В. Нефёдов В рамках приближения внезапного возмущения получены зависимости от заряда ядра Z мишени для сечений процессов тройной ионизации, вызванных поглощением и Комптоновским рассеянием фотонов. В модели используется тот факт, что характерные времена ионизации 2s и 1s электронов существенно отличаются. Например, в атоме лития. Отношение сечений тройной фотоионизации к однократной в атоме лития – порядка Процесс трёхэлектронной ионизации трактуется как двойная ионизация внутренних К электронов, сопровождаемая последующим вылетом валентного электрона с внешней оболочки. Сечение двойной ионизации получено в виде скейлинга по заряду ядра Z в рамках нерелятивистской теории возмущений.

18 М.Г. Рыскин, В.А. Хозе и др. Высоко-энергетическое сильное взаимодействие: жёсткие и мягкие процессы ОТДЕЛЕНИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКОЙ ФИЗИКИ ПИЯФПИЯФ Построена модель включающая в себя эволюцию БФКЛ в ln(1/x), а также мульти-померонные феноменологические взаимодействия. При этом возникает инфракрасное обрезание k t > k sat (x), величина которого растет с энергией. Модель описывает сечения мягких и полу-жёстких взаимодействий. Корреляции тождественных пионов подтверждают пространственно- временную структуру взаимодействия в этой модели. Взаимодействие померонов влияет на сечения процессов, в которых участвуют сразу две пары жестких партонов. А.М. Снегирев, М.Г.Рыскин, Phys. Rev. D83 (2011) J. Bartels, М.Г.Рыскин, arXiv: В.А.Щегельский, М.Г.Рыскин, B.A.Xозе, PLB 703 (2011)

19 Предложен способ измерения плотности глюонов с очень малыми x. Для фиксации точки нормировки,, и доли импульса, x, следует отбирать пары В-мезонов, для которых суммарный импульс пары М.Г. Рыскин и др. Глюоны при малых x и рождение пары B-мезонов на БАК ОТДЕЛЕНИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКОЙ ФИЗИКИ ПИЯФПИЯФ Сечение с обрезанием по p t Инклюзивное сечение

20 Я.И. Азимов О теореме Фруассара ОТДЕЛЕНИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКОЙ ФИЗИКИ ПИЯФПИЯФ Теорема Фруассара утверждается, что полные сечения не должны расти с энергией быстрее, чем квадрат логарифма, что согласуется с экспериментальными данными. Как показал Азимов, для её вывода достаточно предположить, что амплитуда ни в каких (даже нефизических) конфигурациях не может расти быстрее, чем конечная степень энергии. При насыщении асимптотического поведения отношение наклона и полного сечения должно становиться постоянным. Данные до LHC согласуются с "канонической" степенью логарифма 2, но добавка результатов LHC приводит, возможно, к превышению над 2. Другой анализ, не имеющий прежних аналогов, сравнивает поведение полного сечения и наклона диффракционного пика в нуклон-нуклонных взаимодействиях. Результаты, видимо, указывают на ненасыщенность нынешнего энергетического поведения. Отношение полного сечения к наклону дифракционного пика как функция энергии – в режиме насыщения должно стать постоянным TOT EM arXiv: Добавление данных LHC по полному сечению к прежним ускорительным данным усиливает рост фитирующей кривой arXiv:

21 «Ядерная физика» барионных резонансов Д.И. Дьяконов, В.Ю. Петров и др. Построена новая теория барионов и их резонансов вплоть до массы ~ 2 Гэв, исходя из упро- щения при большом числе цветов Nc, когда Nc кварков в барионе законно рассматривать в самосогласованном бесцветном (мезонном) поле [подобно протонам и нейтронам в самосогласованном поле ядра.] Сферически-симметричное среднее поле противоречит спектру резонансов [как и в тяжёлом ядре: среднее поле не сфера, а эллипсоид]. Не противоречит спектру поле с симметрией ежа: 3 пионных поля в барионе 9 r-мезонных полей и т.д. В таком среднем поле уровни u,d кварков совсем другие, чем уровни s-кварков [подобно тому как в ядре уровни протонов и нейтронов - разные] море Дирака валентные кварки возбуждённые уровни кварков заполнение уровней u,d,s кварков в нуклоне, и в низших мультиплетах (октет, спин ½), (декуплет, спин 3/2) Лямбда-гиперон (1405) : одночастичное возбуждение («гамов-теллеровский» переход) Этому одночастичному возбуждению соответствуют два октета резонансов со спином 3/2 и 5/2, и три декуплета со спином 3/2, 5/2 и 7/2. ОТДЕЛЕНИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКОЙ ФИЗИКИ ПИЯФПИЯФ Модель согласуется с экспериментом и предсказывает новые состояния типа пентакварков

22 ОТДЕЛЕНИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКОЙ ФИЗИКИ ПИЯФПИЯФ Спинорная квантовая гравитация Спинорная квантовая гравитация Д.И. Дьяконов, А.Г. Туманов и др. Три константы фундаментальных взаимодействий Стандартной Модели «бегут» и сливаются на масштабе ~ ГэВ, где квантовые эффекты гравитации становятся важны. Поэтому ожидается, что на этом масштабе проис- ходит «Великое Объединение» всех взаимодей- ствий, включая гравитационное. Но существующая теория гравитации не ограничи- вает большие флуктуации метрики нашего про- странства-времени, например, такие: Предложена новая квантовая теория гравитации, которая хороша определена в ультрафиолетовой области и корректно описывает любые, даже очень большие флуктуации метрики. Она приспособлена и для компьютерного моделирования. Основная идея: репер (задающий метрику) строится как составной объект, как «ток» фундаментальных фермионов. Квантовая гравитация становится похожей на систему спинов, но сохраняет общую ковариантность ОТО. Первые результаты: 1)Есть поправка к закону Фридмана космологической эволюции Вселенной, так что можно избежать сингулярности Большого Взрыва. 2)Математически выделенным является «Великое Объединение» на основе группы SO(16), в которой 256 фермионных полей, отвечающих четырём (а не трём открытым) поколениям! [ Phys.Rev.D84:124042,2011 ]

23 В.А. Кудрявцев и А.Н. Семёнова Мезонный спектр и модель составных струн ОТДЕЛЕНИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКОЙ ФИЗИКИ ПИЯФПИЯФ Реджевские траектории Отсутствие тахиона Амплитуды рассеяния мезонов Связь между и

24 П.В. Побылица Асимптотическое поведение петель Вильсона: струнная гипотеза и строгие неравенства ОТДЕЛЕНИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКОЙ ФИЗИКИ ПИЯФПИЯФ Задача об асимптотическом поведении петли Вильсона в пределе большого размера в неабелевых теориях Янга-Миллса с учетом предэкспоненциальных членов допускает строгий анализ, основанный на использовании положительности Остервальдера-Шрадера. Выведены неравенства для двухточеченых корреляторов локальных полей в присутствии петли Вильсона. Эти неравенства позволяют контролировать различные эвристические предположения об асимптотике петель Вильсона. Показано, что струнная гипотеза Люшера-Симанзика-Вайсса об асимптотике петель Вильсона большого размера согласуется с выведенными неравенствами.

25 ОТДЕЛЕНИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКОЙ ФИЗИКИ ПИЯФПИЯФ Л.Н. Липатов и др. Согласие с предсказаниями Dixon-Drummond-Henn V.S. Fadin and L.N. Lipatov (2011) Коллинеарная аномальная размерность во всех порядках теории возмущений Ожидается, что в данной модели, являющейся суперсимметричным обобщением квантовой хромодинамики, можно точно решить задачу вычисления амплитуд рассеяния Собственное значение ядра уравнения БФКЛ в присоединённом представлении Амплитуда рассеяния 2 в 4 при высоких энергиях Параметры BDS амплитуды импакт-фактор Высоко-энергетические амплитуды рассеяния в N=4 суперсимметричной калибровочной теории

26 Вершина реджеон-реджеон-гравитон ОТДЕЛЕНИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКОЙ ФИЗИКИ ПИЯФПИЯФ Л.Н. Липатов Эффективное действие для гравитации при высоких энергиях Вычисление амплитуд рождения при высоких энергиях Гравитационное поле Реджезованные гравитационные поля Действие для гравитации Оказалось, что эффективные токи удовлетворяют уравнению Гамильтона-Якоби для безмассовой частицы в гравитационном поле Вершина гравитон-гравитон-реджеон Реджевская траектория гравитона в N-расширенной супергравитации Вычисление амплитуд рассеяния в гравитации вне эйканального приближения, например, в проблеме рождения чёрных дыр при больших энергиях на БАК Высоко-энергетическое действие для гравитации

27 Были произведены расчеты в древесном приближение со стороны слабой связи, что требует использования алгебраического анзаца Бете. В частности был рассмотрен предел длинных операторов и показано, что результаты воспроизводят вычисления, основанные на классической теории струн. В качестве побочного статсумма некоторой нелокальной модели Изинга была вычислена точно. ОТДЕЛЕНИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКОЙ ФИЗИКИ ПИЯФПИЯФ Двухточечные корреляторы Трехточечные корреляторы Данные полученные путем экстраполяции численных результатов в сильную связь были сравнены с аналитическими результатами. Для этого были вычислены одна и две петли в сильной связи Бесконечная система интегральных уравнений, описывающая точный спектр была приведена к конечной системе и может позволить получать аналитические результаты в будущем Аномальные размерности как функции константы связи. Кривые показывают предсказание теории струн в искривленном пространстве антидеситера Трехточечные функции в зависимости от длины операторов. В пределе в точности сходятся к струнному результату К.Заребо Н.Н. Громов и др. Интегрируемость в АдС/КТП