Теоретическая физика и астрофизика

Теоретики ИТЭФ принадлежат к школе Л.Д.Ландау, основателями отдела теоретической физики ИТЭФ были академики Л.Д.Ландау и И.Я.Померанчук.

Программа исследований теоретического отдела ИТЭФ очень широка. Основные направления исследований: теория свойств и взаимодействий элементарных частиц, включающая вопросы взаимодействия адронов при низких и высоких энергиях, свойств адронов, вопросы квантовой хромодинамики, решеточной калибровочной теории, квантовой теории поля, компьютерной физики, электрослабой теории и ее обобщения, суперсимметрии и супергравитации, разработка перспективных моделей фундаментальных взаимодействий с использованием математической физики, вопросы астрофизики и космологии.

Перед организованной в декабре 1945 года Лабораторией №3 (в последствии переименованной в Институт теоретической и экспериментальной физики) были поставлены конкретные задачи по созданию ядерных реакторов. Позднее, в конце 50-х – 60-х годов перед Институтом стояла задача проектирования протонных ускорителей с жесткой фокусировкой. Теоретики ИТЭФ внесли важный вклад в решение этих задач, однако прикладная тематика в работе теоротдела всегда сопровождалась фундаментальными исследованиями, которым и посвящена настоящая страница.

В декабре 1945 года руководителем всех теоретических работ Лаборатории №3 был назначен Лев Давидович Ландау (1908–1968, академик АН СССР), а в 1946 году главой теоротдела стал его ученик Исаак Яковлевич Померанчук (1913–1966, академик АН СССР). Л.Д. Ландау до 1958 года работал в ИТЭФ по совместительству и регулярно участвовал в семинарах. В штат теоротдела с момента организации ИТЭФ наряду с Померанчуком входили Владимир Борисович Берестецкий и Алексей Дмитриевич Галанин.

В конце этого краткого введения дадим ссылку на статью, посвященную выполненным в ИТЭФ теоретическим работам и написанную в связи с семидесятилетием Института.

1. Изучение теории сильных взаимодействий

   Квантовая хромодинамика (КХД)  на сегодняшний день – это признанная теория сильных взаимодействий, которая описывает адроны, в частности, протоны, нейтроны и пионы. Однако, эта теория достаточно хорошо изучена только в области высоких энергий. Самые же интересные и фундаментальные явления – такие, как «собирание» кварков в протоны и нейтроны – происходят при низких энергиях. Это явление, называемое конфайнментом,  до сих пор не получило своего аналитического объяснения, несмотря на то, что теория сильных взаимодействий была создана более 40 лет назад! Проблема конфайнмента входит в одну из 7 так называемых «задач тысячелетия» (http://www.claymath.org/millennium-problems), за решение каждой из них назначена премия в один миллион долларов. Важность решения этой проблемы трудно переоценить, учитывая, что сильные взаимодействия определяют природу ядерных сил.

   В настоящее время самый надежный метод теоретических исследований низкоэнергетических явлений в физике адронов – это численные расчеты на суперкомпьютерах в рамках решеточной регуляризации КХД. Этот подход основан на первых принципах квантовой теории поля и позволяет получать численные результаты с погрешностью, которая находится под контролем. Метод широко применяется многими научными группами для исследования различных свойств сильных взаимодействий.  Благодаря развитию вычислительных систем, алгоритмов и наших теоретических представлений, моделирование КХД на решетке стало надежным методом вычислений физических величин и качественного изучения новых физических явлений.

   Решеточная группа ИТЭФ  (http://www.lattice.itep.ru), созданная М.И. Поликарповым, получила ряд важных результатов в изучении проблемы конфайнмента, топологических свойств вакуума КХД, кирального магнитного эффекта. В настоящее время основным проектом является исследование  свойств КХД при ненулевой барионной плотности. Эта задача является одной из приоритетных, так как теоретические исследования необходимы для  объяснения свойств адронной материи при экстремальных условиях, существовавших в ранней Вселенной, существующих в нейтронных звездах  и полученных в экспериментах  по столкновениям тяжелых ионов. Такие эксперименты выполняются на RHIC (BNL), LHC (CERN) и будут выполняться на строящихся  ускорителях  FAIR (Дармштадт) и NICA (Дубна). Цель наших теоретических исследований заключается в вычислении характеристик кварк-глюонной материи, наблюдающейся в этих экспериментах – уравнения состояния, транспортных коэффициентов, линии перехода из адронной фазы в фазу кварк-глюонной плазмы и др.


2. Изучение свойств графена

Наноструктуры на основе графена считаются одним из самых перспективных материалов для построения элементной базы электроники будущего. Изучение уникальных электронных свойства графена и многослойных графеновых комплексов требует применения самых передовых методов моделирования, таких как масштабные расчеты квантовых систем с безмассовыми (киральными) фермионами на крупных вычислительных системах. Графен представляет собой материал с совершенно уникальными электронными и прочностными характеристиками. Сложная и многообразная физика графена обусловлена в частности высокой ролью многоэлектронных эффектов, что значительно затрудняет применение стандартных методов твердого тела в данном случае. Решением данной проблемы оказалось в применении методов современной теории поля, в частности решеточных методов Монте-Карло для моделирования таких систем. Особенно сближает физику графена с современной квантовой теорией поля то, что в обеих задачах речь идет о моделировании систем многих безмассовых (киральных) фермионов. Поведение таких систем обладает сложным нелинейным характером, что при наличие сильной связи приводит к образованию различных нелокальных конденсатов. С качественной точки зрения, в режиме сильной связи в графене могут образовываться антиферромагнитные и антисегнетоэлектрические домены, влияющие на зарядовую и спиновую проводимость. По сути, такой решеточный подход является единственным способом получения информации о поведении кантовой теории в режиме сильной связи напрямую из первооснов теории не прибегая к модельным приближениям и упрощениям. 

Основной отличительной особенностью решеточных вычислений является необходимость моделирования системы безмассовых фермионов. Сложность такой задачи заключается в том, что с уменьшением массы фермиона задача становится все более и более нелокальной, что крайне затрудняет численное моделирование. К счастью, в квантовой теории поля на решетке были созданы и хорошо себя зарекомендовали специальные методы моделирования киральных фермионов, такие как staggered-фермионы и overlap-фермионы. Применение  накопленного опыта решеточных вычислений в задаче моделирования физики графена является крайне важной и актуальной задачей. Разрабатываемый подход имеет явный междисциплинарный характер, совмещающий в себе методики и постановки задач из физики конденсированного состояния вещества с методами, развитыми в квантовой теории поля. Более того, при алгоритмической реализации данного подхода используются самые современные методы параллельных вычислений на современных гибридных вычислительных комплексах, совмещающих в себе вычисления на центральных и графических процессорах. Подобный подход к постановке задач, к методам моделирования, к программной реализации является совершенно новым.  

3. Изучение свойств Дираковских полуметаллов

           Дираковские полуметаллы – недавно открытые материалы,  обладающие рядом интересных и нетривиальных свойств. Основной особенностью данных материалов является существование двух Ферми точек в электронном спектре, в окрестности которых фермионные возбуждения аналогичны безмассовым 3D Дираковским фермионам. Также важно отметить, что скорость распространения этих фермионных квазичастиц значительно меньше скорости света. Малость скорости Ферми позволяет с хорошей точностью описать взаимодействие между частицам мгновенным Кулоновским потенциалом с эффективной константой связи порядка 1. Данные материалы также можно назвать трехмерными аналогами графена. При этом трехмерные Дираковские полуметаллы обладают рядом уникальных явлений, например, поверхностные состояния, киральные явления и др.

            Из-за большого значения эффективной константы связи теоретическое изучение свойств данных материалов требует непертурбативных методов. Одним из самых мощных таких методов является решеточное суперкомпьютерное моделирование, позволяющее полностью учесть многочастичные эффекты при произвольном значении константы связи.

            С помощью решеточного моделирования в лаборатории проводятся исследования фазовой диаграммы Дираковских полуметаллов, влияния различных внешних воздействий на фазовую диаграмму, транспортные свойства Дираковских полуметаллов, явления аномального транспорта и др.

 

Астрофизика

     Лаборатория физики плазмы и астрофизики была создана в ИТЭФ более 30-ти лет тому назад. Спектр проводимых в лаборатории исследований чрезвычайно широк: от проблем эволюции звезд до космологии. Построение теоретических моделей взрыва и изучение наблюдательных проявлений сверхновых звезд (как коллапсирующих, так и термоядерных) было и продолжает оставаться одной из важнейших тем исследований.



Рис. 1. Сверхновая 1987A в Большом Магеллановом Облаке через 9 лет после взрыва

    

 По устоявшимся представлениям сверхновые звезды — это продукт конечных стадий эволюции звёзд определенных масс. При вспышке сверхновой звезды её блеск увеличивается на десятки звёздных величин в течение нескольких суток и в максимуме сравним с блеском материнской галактики. К сверхновым звёздам относят события с энергией взрыва 1050-1052 эрг и мощностью излучения свыше 1041 эрг/с. Вспышка сверхновой является результатом динамической эволюции ядра звезды и завершается либо полным разлётом вещества звезды, либо гравитационным коллапсом ядра в зависимости от массы звезды. Согласно теории эволюции звёзд, в звёздах с массой  ( – масса Солнца) образуются вырожденные углеродно-кислородные ядра, которые превращаются в белые карлики после потери звездой вышележащего вещества. Если белый карлик входит в состав тесной двойной системы, то в процессе выпадения вещества звезды-спутника его масса достигает предела Чандрасекара (около ) и происходит термоядерный взрыв, полностью разрушающий звезду. Этот процесс объясняет вспышки сверхновых звёзд типа Ia. Звёзды с массой  заканчивают свою эволюцию образованием невырожденного железного ядра с последующим его гравитационным коллапсом в нейтронную звезду или чёрную дыру, приводящим к выбросу внешних слоёв звезды.

     Сверхновые звёзды являются нестационарными объектами, и на местах их вспышек появляются расширяющиеся с большими скоростями газовые оболочки, называемые остатками сверхновых. Кроме того, в некоторых случаях, несомненно, остаются и звёздные остатки в виде нейтронных звёзд или черных дыр. Динамика межзвёздной среды, создание галактического ветра, синтез тяжелых элементов, эволюция звёзд, рождение нейтронных звёзд и черных дыр, происхождение космических лучей, природа космических гамма-всплесков, эволюция звёздных населений и галактик в целом — вот неполный круг вопросов, тесно связанных с проблемой сверхновых звёзд. Исключительной важностью всего этого и объясняется ключевая роль сверхновых звёзд в современной астрофизике и то внимание, которое уделяется им в астрофизической группе ИТЭФ.



Рис. 2.  Схематический вид кривых блеска сверхновых. Синие и красные линии —  фотонные светимости разных сверхновых (типа Ia, IIP и знаменитой сверхновой 1987А). Зеленым показан короткий импульс нейтринного излучения.

     Основателем нашей лаборатории В.С. Имшенником совместно с Д.К. Надёжиным был заложен базис радиационно-гидродинамической теории вспышек сверхновых. Это позволило впервые самосогласованно рассчитать временные и спектральные зависимости потоков электромагнитного излучения (кривых блеска), регистрируемых при астрономических наблюдениях этих звёзд. Эта теория дала также возможность определять  гидродинамические параметры  выбрасываемых оболочек сверхновых – полную энергию взрыва, распределение вещества оболочки по скоростям выброса и так далее. Был также предложен физический механизм для объяснения наблюдаемого продолжительного периода постоянства блеска сверхновых: образование волны охлаждения и рекомбинации, аналогичной той, которая наблюдается в процессе остывания огненного шара, возникающего при атомных взрывах в земной атмосфере. Предсказания теории подтверждены многочисленными астрономическими наблюдениями сверхновых в далеких  галактиках.

     На рис. 2 показан характерный вид кривых блеска сверхновых. Пологая часть с примерно постоянной светимостью (кривая для SNIIP) как раз и вызывается волной охлаждения и рекомбинации. Длинные «хвосты» кривых блеска вызваны распадом радиоактивного кобальта. Показаны также кривые блеска для знаменитой сверхновой SN1987A, вспыхнувшей 23 февраля 1987 г. в Большом Магеллановом облаке – карликовой галактике, спутнике нашей Галактики и термоядерной сверхновой типа Ia.

     В настоящее время в ИТЭФ проводятся астрофизические исследования по широкому кругу проблем. Ниже представлены некоторые из них:

• Ротационный механизм взрыва коллапсирующих сверхновых
• Процесс слияния нейтронных звёзд и гамма-всплески
• Сверхновые типа IIP
• Теориия звёздного нуклеосинтеза
• Сверхновые, вызванные неустойчивостью из-за рождения электрон-позитронных пар
• Модели термоядерных сверхновых
• Новый метод измерения космологических расстояний с использованием сверхновых типа IIn

     Сотрудниками Лаборатории Физики Плазмы и Астрофизики на кафедре Теоретической Астрофизики и Квантовой Теории Поля для студентов МФТИ и МИФИ читаются следующие курсы лекций:

·         Введение в астрофизику

·         Введение в ядерную физику

·         Физика звёзд: структура и эволюция

·         Основы релятивистской астрофизики

·         Основы гидродинамики

·         Физика релятивистских звёзд

·         Теория сверхновых звёзд.

·         Астрофизический нуклеосинтез