Научная школа С.Т. Беляева -достижения и перспективы

1997 - 2000 - 2003 - 2006 - 2008 - 2010 - 2012 - …

*****А.Л. Барабанов. Доклад на Учёном Совете НИЦ «Курчатовский институт», посвящённом 90-летию С.Т. Беляева, 31 октября 2013 года

За каждым слайдом доклада следуют слайды с текстовыми комментариями

У выражения «научная школа Беляева» есть два смысла - узкий и широкий.

В узком смысле, «школа Беляева» - это коллектив теоретиков Института общей и ядерной физики Курчатовского центра, который с 2000 года, т.е. вот уже 14 лет подряд, поддерживается соответствующими грантами (а если учитывать «начальный период», то с 1997 года, т.е. уже 17 лет).

В широком же смысле, как подчёркивает сам Спартак Тимофеевич, правильнее говорить о школе теоретической физики, сложившейся в Курчатовском институте за десятилетия его существования. Начало этой школы восходит к теоретическому Сектору 10, который возник в составе Лаборатории № 2 (будущим Курчатовским институтом) и многие годы развивался под руководством Аркадия Бейнусовича Мигдала.

На фотографии 1970-х годов - С.Т. Беляев и А.Б. Мигдал.

В 1950-х годах в Секторе 10 работали и формировались такие замечательные теоретики, как Борис Товьевич Гейликман, Виктор Михайлович Галицкий, Анатолий Иванович Ларкин, Валентин Григорьевич Вакс (здесь присутствующий; он, несомненно, сам расскажет о том легендарном времени). Конечно, сам Спартак Тимофеевич Беляев. Отдельно нужно сказать об Андрее Михайловиче Будкере, сотруднике Сектора 10, который стал научным руководителем Спартака Тимофеевича.

На фотографии 1960-х годов - А.М. Будкер и С.Т. Беляев (по-видимому, это 1968 год - Спартак Тимофеевич поздравляет своего научного руководителя с 50-летием).

В начале 1950-х годов Будкер предложил новые методы стабилизации пучков заряженных частиц, разогнанных до релятивистских энергий. Теоретическому обоснованию этих методов были посвящены первые работы Спартака Тимофеевича, выполненные совместно с Будкером. Фактически они создали новую науку: физику релятивистской плазмы. Достаточно сказать, что выведенное ими кинетическое уравнение для релятивистской плазмы представляет собой предмет отдельного раздела 10-го тома курса теоретической физики Ландау и Лифшица.

Работы Будкера были поддержаны Курчатовым. В конце 1950-х годов Андрей Михайлович Будкер стал основателем и первым директором Новосибирского института ядерной физики. Нет ничего удивительного в том, что в начале 1960-х годов в Новосибирске оказался и Спартак Тимофеевич. В Новосибирском научном центре и Новосибирском университете он провёл почти два десятилетия, занимаясь помимо административных дел уже не физикой плазмы, а ядерной физикой.

Возвращаясь к ранним временам Сектора 10, нужно сказать, что сегодня, когда мы читаем и слушаем воспоминания тех, кто тогда там работал, то удивляемся и поражаемся. В самом деле, речь идёт о закрытой лаборатории, создававшейся для решения специальных прикладных задач. В 1950-е годы список этих задач был далёк от завершённости. А степень закрытости была такова, что вплоть до конца того же десятилетия открытых публикаций не было: все результаты оставались в секретных тетрадях и отчётах.

Тем не менее в Секторе 10 решались не только ядерные проблемы, но развивались также физика твёрдого тела, физика металлов, уже упоминавшаяся физика плазмы, обсуждались сверхтекучесть и сверхпроводимость, а во второй половине 1950-х годов начали активно разрабатываться приложения методов квантовой теории поля к физике конденсированных сред, в частности, к неидеальным ферми- и бозе-газам.

Эта стратегия широкого подхода к самым разнообразным проблемам, конечно же, привела к успеху. Изменились времена и вышли статьи, принесшие славу Курчатовскому институту, в том числе, как центру теоретической физики. У академических работ нашлись интересные приложения. Почти сразу - в области сверхпроводимости. Хотя бывало и иначе. Так, работы Спартака Тимофеевича по неидеальным бозе-газам ждали подтверждения 40 лет. Лишь в 1990-е годы были созданы атомные бозе-конденсаты в магнитных ловушках. В этих бозе-системах, в частности, был найден эффект распада фонона на два, предсказанный Спартаком Тимофеевичем и названный поэтому «затуханием Беляева».

Уже в 1960-е годы, основываясь на методах квантовой теории поля, Аркадий Бейнусович Мигдал предложил свою знаменитую теорию конечных ферми-систем, которая позволила иначе взглянуть на задачи ядерной физики. Разработкой этого подхода занялось новое поколение талантливой молодёжи, пришедшее в Сектор 10. А потом уже ученики Мигдала распространили развитые ими методы на более широкий круг систем, нежели атомные ядра, на сильно коррелированные ферми-системы. Об этом расскажет следующий докладчик, мой коллега Михаил Валентинович Зверев.

Теоретическая физика в Институте общей и ядерной физики (ИОЯФ)

Сектор 10 →

0-53: Лаборатория многочастичных систем + Лаборатория теоретической физики

0-52: Лаборатория теории ядерных взаимодействий

Мы же обратимся к рубежу 1970-х и 1980-х годов, когда Спартак Тимофеевич вернулся в Москву. Пока он работал в Новосибирске, Курчатовский институт сильно разросся. Сектор 10 превратился в две теоретические лаборатории, вошедшие в состав 53-го отдела Института общей и ядерной физики (ИОЯФ). Эти лаборатории возглавлял директор ИОЯФ Виктор Михайлович Галицкий. После его кончины руководство лабораториями и Институтом взял на себя Спартак Тимофеевич.

В ИОЯФ входила ещё одна теоретическая лаборатория, созданная в 1960-е годы в отделе 52 (при циклотроне). Её начальником был Альфред Иванович Базь, выдающийся теоретик, интересовавшийся микроскопическим описанием лёгких ядер или, шире, квантовой физикой малого числа тел. На том же рубеже двух десятилетий эта лаборатория перешла к выходцу из Сектора 10 Дмитрию Петровичу Гречухину. Он, с одной стороны, очень бережно отнёсся к тематике, оставшейся от Базя, и сформировал в лаборатории группу специалистов по малонуклонным системам, включавшую в себя Михаила Васильевича Жукова, Виктора Даниловича Эфроса, Бориса Васильевича Данилина, Наталью Борисовну Шульгину, создал условия для привлечения молодёжи. С другой стороны, Дмитрий Петрович принёс и свои задачи, связанные с атомной и мезоатомной физикой, нейтронами и делением атомных ядер.

Но самое главное - Дмитрий Петрович принёс в лабораторию традиции Сектора 10. От него ощущение причастности к Сектору 10 передалось и его сотрудникам. В частности, он строго ориентировал нас на посещение теоретического семинара, заседания которого с начала 1980-х годов проходили под руководством Спартака Тимофеевича. Семинар в те годы собирался в тесном коридорчике и проходил очень эмоционально, благодаря таким замечательным и неравнодушным участникам, как Виктор Александрович Ходель. Вот тогда и начал складываться неформальный коллектив сотрудников трёх теоретических лабораторий при явном научном лидерстве Спартака Тимофеевича, который мы сегодня называем «школой Беляева».

Что же касается гранта поддержки научных школ, то он появился во 2-й половине 1990-х годов. Идея воспользоваться им для поддержки теоретических исследований принадлежала Дмитрию Петровичу Гречухину. Поэтому участниками самой первой заявки были его ближайшие сотрудники. К сожалению, сам Дмитрий Петрович не дожил до осуществления своего замысла, но идея оказалась жизнеспособной. Уже в следующем цикле, начавшемся в 2000 году, в состав коллектива были включены все сотрудники трёх лабораторий, занимавшиеся исследованиями в области ядерной физики. А в 2008 году тематика научной школы была расширена, и в состав участников вошёл Валентин Григорьевич Вакс с учениками и коллегами.

НШ-96-15-96548; 1997-1999:

Моделирование структуры легких ядер на на границе стабильности,ядерных реакций с ними, атомных и мезоатомных процессов,

релятивистских соударений ядер

НШ-00-15-96590; 2000-2002; НШ-1885.2003.2; 2003-2005:

Теоретические исследования экстремальных состояний ядра иядерной материи

НШ-8756.2006.2; 2006-2007:

Теоретические исследования квантовых свойств наноструктур иэкстремальных состояний вещества

НШ-3004.2008.2; 2008-2009; НШ-7235.2010.2; 2010-2011:

Теоретические исследования квантовых систем, наноструктур иэкстремальных состояний вещества

НШ-215.2012.2; 2012-2013:

Развитие методов квантовой теории многих тел для изучения наноструктур,атомных и субатомных систем

На этом слайде отражена эволюция названия научной школы. Самое первое было излишне подробным. При подготовке заявки 2000 года Игорь Михайлович Павличенков предложил радикально упростить название. Он заметил, что чем бы ни занимались участники школы - столкновениями ядер при сверхвысоких энергиях, ультрахолодными нейтронами при сверхнизких энергиях, ядрами на границе нуклонной стабильности и т. п. - всегда речь идёт о чём-то экстремальном. Так появились «экстремальные состояния ядра и ядерной материи».

Я уже упоминал о том, что методы, которые использовались для описания ядер, с успехом применялись и к более широкому кругу ферми-систем, в частности, к двумерному электронному газу в полупроводниках. Таким образом, с самого начала наши исследования не ограничивались ядерной физикой. Поэтому в середине 2000-х годов в названии школы появляются «наноструктуры», а в заглавии последней заявки фигурирует весь спектр квантовых систем, являющихся предметами изучения, от наноструктур до субатомных (ядерных) объектов. Суть в том, что ко всем этим системам применяются подходы, основанные на квантовой теории многих тел.

На следующем слайде перечислены задачи, включённые нами в только что поданную заявку на грант поддержки научных школ (на 2014-2015 годы). Мы продолжаем традиции Сектора 10 с его широкой тематикой исследований.

-

Задачи

- диффузия и диффузионные фазовые превращения в сплавах;

- основные и возбужденные состояния легких и экзотических ядер, ядерные реакции и распады, важные, в частности, для астрофизики и термоядерного синтеза;

- термоэлектрические и магнитоэлектрические свойств полупроводниковых и диэлектрических соединений;

- нуклонная стабильность тяжелых и сверхтяжелых ядер;

- топологические фазовые переходы в сильно коррелированных ферми-системах, их влияние на свойства сверхпроводящих материалов и сплавов, полупроводниковых наносистем, а также на нейтронные звезды;

- трехчастичные ядерные силы, мезонные обменные токи и релятивистская динамика в реакциях расщепления легких ядер электронами и гамма-квантами высоких энергий;

- процессы передачи отрицательных мюонов с водорода на атомы лёгких элементов;

- новые формы адронной материи, образующиеся в столкновениях релятивистских ядер при высоких температурах и плотностях, поиск новых сигналов образования кварк-глюонной плазмы;

- изучение возможности обнаружения компактных тел из темной материи в структуре звезд по характерным возмущениям обычной материи и гравитационных полей

Хотелось бы немного рассказать про коллектив научной школы. Вспомнив автобиографическую книгу Георгия Гамова «Моя мировая линия», я решил построить наши «мировые линии». Сейчас я объясню подробнее, что изображено на слайде.

За 17 лет в работе научной школы принимали участие 44 человека (помимо Спартака Тимофеевича). Все они перечислены слева в алфавитном порядке. Сверху - годы, от 1997 до наступающего 2014. Каждая линия начинается в год первого попадания участника в список коллектива. При этом за редчайшими исключениями (без которых ничего не бывает) попадание в список коллектива - это обязательно статья, опубликованная под «флагом» школы.

Линии бывают трёх цветов - синего, жёлтого и красного. Синие линии соответствуют участникам без научной степени, т.е. молодёжи. Я воспользовался аналогией со звёздами: молодые звёзды - горячие, в их свечении преобладает голубой цвет. Дальше звёзды переходят в стадию Солнца, и их свечение становится жёлтым. Поэтому жёлтые линии соответствуют кандидатам наук. А дальше по мере выгорания лёгких элементов звёзды превращаются в красных гигантов. На слайде же красные линии соответствуют докторам наук.

Таким образом, защиты диссертаций видны по изменениям цвета «мировых линий». Наиболее динамичным оказался Леонид Валентинович Григоренко, который за эти годы защитил и кандидатскую, и докторскую диссертации (более точно, даже на «синей стадии» Леонид Валентинович обладал степенью PhD, полученной ещё в 1990-е годы в Швеции).

К сожалению, не все синие линии переходят в жёлтые. Бывает, что молодые участники покидают коллектив, но далеко не всегда они уходят при этом из науки. Вот, например, самая верхняя линия Ярослава Алексеева: он пришёл к нам студентом МИФИ, поработал пару лет после получения диплома, но у него были трудности с жильём в Москве, и он переехал в Саров. Встретив позже Ярослава на конференции, я узнал, что его научная работа в новой области успешно продвигается.

Вот другой пример: Сергей Панкратов, защита его кандидатской намечена на декабрь. Таким образом, его длинная синяя линия сменит свой цвет, и в нашей школе засияет ещё одно солнышко.

Заключая, замечу, что все цвета представлены примерно одинаково, синий цвет не является редкостью (молодёжь привлекаем), а в целом в этой картине имеется та степень хаотичности, которая свойственна любой живой системе.

Перехожу к результатам научной школы. Если говорить о книгах, то их две. Начну с той, издание которой намечено на весну 2014 года. Автор - наш молодой сотрудник Илья Панкратов (как в каждом большом коллективе, у нас есть однофамильцы: выше речь шла о другом Панкратове - Сергее).

В конце прошлого года мы с интересом узнали из прессы, что Илья Панкратов стал лауреатом литературной премии «Дебют» для молодых прозаиков. На слайде изображена страница Ильи на сайте этой премии.

Премию Илья Панкратов получил за рукопись сказки, но не простой, а физической. Её главный герой - демон Максвелла, которого зовут конечно же Дёма. Поэтому сказка называется «Слонодёмия», но откуда там слоны, объяснять не буду, прочтите сказку сами. Её полный текст доступен на сайте «слонодёмия.рф» (см. следующий слайд).

Думаю, что не каждая научная школа может похвастаться такой премией и таким автором.

Вторая книга - это монография вашего покорного слуги, вышедшая в 2010 году при поддержке РФФИ. На обложке - вольные художества на тему картин Айвазовского, но под обложкой всё строго академично. Это большой обзор по спин-угловым корреляциям в реакциях с нейтронами и отчасти в процессах захвата мюонов ядрами.

Что же касается статей, написанных участниками коллектива, то рассказать обо всех невозможно. Потому что за эти годы вышло около 500 статей. На следующем слайде показано распределение этих статей по годам.

Число статей / год

Видно, что флуктуации существенны, как, конечно, и должно быть, потому что общее число статей в год невелико - в среднем около 30.

Я расскажу только о трёх работах (или циклах работ), выполненных в последние годы при участии сотрудников Лаборатории теории ядерных взаимодействий.

Первый цикл - это наши совместные со Спартаком Тимофеевичем работы по неупругому рассеянию ультрахолодных нейтронов. Этой проблемой Спартак Тимофеевич увлёкся в обсуждениях с Василием Ивановичем Морозовым, который вместе с коллегами по ИОЯФ занимается очень точными измерениями времени жизни нейтрона. В опытах используются ультрахолодные нейтроны, хранящиеся в сосудах. В конце 1990-х годов было установлено, что при отражении нейтронов от стенок сосуда неупругие процессы с малыми передачами энергии намного более существенны, нежели считалось до того.

Тут нужно заметить, что эффективная температура ультрахолодных нейтронов - порядка милликельвина, а стенки сосуда могут иметь комнатную температуру. Казалось бы, неупругие процессы должны существенно увеличивать энергию нейтронов (так и считалось). Но группа Морозова обнаружила (на первый взгляд) ещё более странную вещь, состоящую в том, что нейтроны могут «охлаждаться», т.е. терять энергию при столкновении со стенками сосуда.

Специфика задачи состояла, во-первых, в том, чтобы в неупругом канале учесть многократное рассеяние нейтронов при их упругом взаимодействии с ядрами атомов вещества (благодаря этому многократному рассеянию формируется эффективный отталкивающий потенциал, не пропускающий нейтроны внутрь вещества). И, во-вторых, в учёте низкоэнергетических, так называемых гидродинамических мод в веществе. Нами были построены спектры неупруго рассеянных нейтронов и показано, что, как это обычно и бывает при неупругом рассеянии, возможны процессы как с приобретением, так и с отдачей энергии нейтронами, т.е. качественно картина была прояснена.

Второй цикл - это теоретические работы, посвящённые двухпротонному распаду, который представляет собой истинно трёхчастичный процесс. Первые оценки были выполнены в 1960 году Гольданским. На слайде показаны первые строки обзора того же года Базя, Гольданского и Зельдовича, в котором, в частности, обсуждался и двухпротонный распад. Однако первый успешный эксперимент в этой области был выполнен лишь в 2002 году.

Незадолго до экспериментального открытия к проблеме двухпротонного распада обратились сотрудники нашей лаборатории Жуков и Григоренко. В 2000 году вместе с соавторами они опубликовали оценки, выполненые в последовательном трёхчастичном подходе, основанном на методе гиперсферических гармоник. Полученные ими результаты оказались в хорошем согласии с экспериментальными данными.

В прошедшее десятилетие в этой области был достигнуто значительное продвижение - как в области экспериментов, так и в области теории. На следующем слайде показаны результаты расчётов зависимости времени жизни ядер относительно двухпротонного распада (парциальные ширины состояний) от выделяющейся энергии и имеющиеся данные опытов. Метод гиперсферических гармоник оказался лучшим подходом, позволяющим описывать не только парциальные ширины, но и корреляции между продуктами распада.

Любопытно, что двухпротонная радиоактивность теперь рассматривается не как экзотический процесс, а как один из каналов распада протоноизбыточных ядер на границе нуклонной стабильности. В прошлом году вышел обзор четырёх авторов в журнале Review of Modern Physics, посвящённый распадам ядер на границе стабильности. В этом обзоре Леонид Валентинович Григоренко отвечал за часть, связанную с двухпротонной радиоактивностью. Само участие Григоренко в подобном авторском коллективе ясно показывает, что его авторитет в этой области очень высок.

В работах Григоренко с соавторами исследуются трёхчастичные системы при малых (нерелятивистских) энергиях. Однако может быть поставлен вопрос об описании трёхчастичных систем при высоких энергиях. Именно эта проблема рассматривалась Виктором Даниловичем Эфросом вместе с соавторами в работах последних лет.

Более точно, были выполнены вычисления так называемой поперечной функции отклика, определяющей сечение неупругого рассеяния релятивистских электронов на ядрах 3-He. На следующем слайде представлены результаты расчётов и экспериментальные данные.

На графиках, показанных слева, представлены кривые, полученные в нерелятивистском приближении. Видно, что при переданном импульсе в 500 МэВ/c расхождения с опытными данными становятся весьма заметными. Возникает вопрос: чем обусловлены эти расхождения - одними только релятивистскими эффектами или следует ввести поправки также и в мезонные обменные токи или в учитываемые в расчётах трёхчастичные силы?

Тщательный учёт релятивистских эффектов позволил получить кривые, показанные на правых графиках. Видно, что при 500 МэВ/c расхождения практически исчезли. Более того, они незначительны и при более высоких переданных импульсах. Таким образом, установлено, что все другие факторы не нуждаются в модификациях.

Учёт релятивистской динамики в рассеянии релятивистских электронов на ядре 3-Не

V.D. Efros et al. Phys. Rev. C, 2008; Phys. Lett. B, 2011

И в завершение доклада: если есть перспективы у теоретической физики, то они есть и у научной школы Спартака Тимофеевича Беляева.