Інститут прикладної фізики НАН України
Цикл наукових праць
на здобуття щорічної премії Президента України
для молодих вчених
МАГНІТОГАЛЬМІВНЕ ВИПРОМІНЮВАННЯ ТА ФОТОНАРОДЖЕННЯ ЕЛЕКТРОН-ПОЗИТРОННОЇ ПАРИ
В СИЛЬНОМУ МАГНІТНОМУ ПОЛІ
НОВАК Олександр Петрович–
| молодший науковий співробітник Інституту прикладної фізики НАН України |
Реферат
Метою дослідження є теоретичне вивчення спінових і поляризаційних ефектів в процесах магнітогальмівного випромінювання та фотонародження електрон-позитронної пари в магнітному полі.
Вивчення квантово-електродинамічних (КЕД-) процесів з поляризованими частинками в зовнішньому магнітному полі є актуальним у зв’язку з відкриттям нейтронних зірок, які на поверхні мають магнітні поля, порівняні з критичним квантовим полем 
(
Гс для електронів). Такі об’єкти, як аномальні рентгенівські пульсари та джерела м’яких повторюваних гама-сплесків, як вважається, мають поля напруженістю до 
Гс.
Взаємодія електронів та фотонів в магнітному полі є досить специфічною. Магнітне поле модифікує процеси, зокрема, з’являються нові спінові та поляризаційні ефекти. Крім того, магнітне поле здатне поглинати або надавати імпульс, тому стають можливими процеси, які заборонені законами збереження за відсутності зовнішнього поля.
Процеси випромінювання та утворення електрон-позитронних пар є важливими елементами в моделях рентгенівських пульсарів, оскільки наявність електрон-позитронної плазми в магнітосфері пульсару вважається необхідною умовою виникнення синхротронного випромінювання. Хоча вказані процеси є добре вивченими, до цього часу залишається не достатньо дослідженим вплив на їх перебіг спінів та поляризації частинок. Загальноприйнятим механізмом утворення електрон-позитронної плазми є процес фотонародження, але в сильних полях з ним може конкурувати процес народження пари електроном, який і досі детально не вивчався.
Рекордне постійне магнітне поле, створене в лабораторних умовах, має напруженість 
Гс, що значно менше критичної. Проте квантово-електродинамічні процеси в полях зі значно вищою напруженістю можна спостерігати в експериментах по зіткненню важких іонів. Якщо прицільний параметр має порядок 
см, то магнітні поля в області між іонами можуть досягати величини 
Гс. В даний час в Центрі по вивченню важких іонів ім. Гельмгольца (GSI, Дармштадт) розгорнуто проект FAIR (Facility for Antiproton and Ion Research), одним із завдань якого є перевірка КЕД в сильних електромагнітних полях. В рамках FAIR можлива постановка експериментів для спостереження КЕД-процесів в магнітному полі, створеному важкими іонами.
Таким чином, теоретичне вивчення КЕД-процесів в магнітному полі, поза сумнівом, є актуальним.
При виконанні дослідження використовувався математичний апарат квантової електродинаміки та чисельні методи. Процеси розглянуто в рамках картини Фаррі: зовнішнє магнітне поле враховане точно і розглядається як класичне, взаємодія частинок врахована за теорією збурень.
В даному циклу наукових праць одержані аналітичні вирази для ймовірностей в одиницю часу процесів магнітогальмівного випромінювання та фотонародження електрон-позитронної пари в магнітному полі. Визначено взаємозвязок між спіновими та поляризаційними ефектами в процесах випромінювання фотона електроном та однофотонного утворення електрон-позитронної пари в магнітному полі в рамках ультраквантового (електрони знаходяться в слабкозудженому стані) та ультрарелятивістського наближень. В якості застосування отриманих результатів проведено теоретичний аналіз впливу спінових та поляризаційних ефектів на потужність синхротронного випромінювання рентгенівського пульсару.
Наукова новизна. Серед нових результатів, одержаних в циклі праць «Магнітогальмівне випромінювання та фотонародження електрон-позитронної пари в сильному магнітному полі», можна виділити наступні:
– Вперше отримано вирази для імовірності в одиницю часу процесів магнітогальмівного випромінювання та фотонародження е+е–-пари в магнітному полі, які залежать як від проекцій спінів частинок, так і від поляризації фотона.
– За умови ультрарелятивістської енергії електрона імовірність перевороту спіну в процесі випромінювання фотона високої частоти є порівняною з імовірністю процесу без зміни проекції спіну.
– Поляризація частинок, утворених в процесі фотонародження, протилежна в ультрарелятивістському та ультраквантовому випадках.
– Спінові та поляризаційні ефекти суттєво змінюють інтенсивність синхротронного випромінювання е+е–-газу в магнітосфері рентгенівського пульсару. Інтенсивність збільшується, якщо частинки займають низькі енергетичні рівні, але зменшується за умови релятивістьских енергій частинок.
Практична значимість. Отримані в циклі наукових праць аналітичні вирази для імовірності в одиницю часу процесів магнітогальмівного випромінювання, фотонародження та утворення електрон-позитронної пари електроном в магнітному полі мають компактну структуру. Результати дослідження в цілому розширюють наші уявлення про перебіг квантово-електродинамічних процесів в магнітному полі, а також про вплив спінових та поляризаційних ефектів на потужність випромінювання рентгенівського пульсара в області циклотронних ліній. Вказано на можливість спостереження квантових процесів в сильному магнітному полі при зіткненні важких іонів.
Одержані результати можуть бути використані в Інституті прикладної фізики НАН України, Інституті теоретичної фізики ім. М. М. Боголюбова НАН України, ННЦ «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України, Київському національному університеті ім. Тараса Шевченка, Харківському національному університеті ім. В. Н. Каразіна, в дослідницькому центрі GSI Helmholtz Centre for Heavy Ion Research GmbH та інших наукових центрах.
Публікації. Претендент на здобуття премії має 7 наукових праць, з яких 3 статті та 4 опубліковані у вигляді тез доповідей у збірниках наукових праць міжнародних конференцій.
До складу циклу наукових праць «Магнітогальмівне випромінювання та фотонародження електрон-позитронної пари в сильному магнітному полі» входять 4 публікації, зокрема 2 статті в реферованих наукових журналах та 2 опубліковані у вигляді тез доповідей у збірниках наукових праць міжнародних конференцій:
1. Новак ійні ефекти в процесі фотонародження електрон-позитронної пари в магнітному полі в ультраквантовому наближенні / П., І. // Український фізичний журнал. – 2008. – Т. 53, № 2. – с. 187–195.
2. Novak O. P. Spin-polarization effects in the processes of synchrotron radiation and electron-positron pair production by a photon in a magnetic field / Novak O. P., Kholodov R. I. // Physical Review D. – 2009. – Vol. 80, № 2. – P. – .
3. Novak O. P. Quantum-electrodynamics process of photon-induced pair creation in a strong magnetic field / Novak O. P. // Trans-European School of High Energy Physics, July 3 – 9, 2008: proceedings, Buymerovka, Sumy region, Ukraine, 2008. – P. 175–176.
4. Novak O. P. Polarization and spin effects in processes of synchrotron radiation and pair creation in strong magnetic field / Novak O. P., Kholodov R. I. // 9-th International Conference on Laser and Fiber-Optical Network Modeling – LFNM’2008, October 2 – 4, 2008: proceedings, Alushta, Crimea, Ukraine, 2008. – P. 11-13.
Ідентифікатор SJR журналу Physical Review D станом на 2009 рік складав 0,072, Н індекс:172. Ідентифікатор SJR Українського фізичного журналу станом на 2008 рік не був визначений; станом на 2009 рік становив 0,032, Н індекс: 2.
Вказані роботи являються єдиним дослідженням, яке присвячено вивченню спінових та поляризаційних ефектів в квантово-електродинамічних процесах магнітогальмівного випромінювання та фотонародження електрон-позитронної пари в магнітному полі.
В роботах [1, 3] вивчена кінематика процесу фотонародження електрон-позитронної пари в магнітному полі. В ультраквантовому наближенні отримано вирази для імовірності процесу в одиницю часу з урахуванням проекцій спінів частинок та поляризації фотона. Показано можливість впливати на орієнтацію спінів народжених частинок шляхом вибору поляризації початкового фотона.
В роботах [2, 4] досліджено спінові та поляризаційні ефекти в процесах фотонародження та магнітогальмівного випромінювання. В ультраквантовому та ультрарелятивістському наближеннях отримано вирази для імовірності в одиницю часу процесів з довільними проекціями спінів частинок та поляризацією фотона. Розглянуто вплив спінових та поляризаційних ефектів на потужність випромінювання пульсара.
Серед інших наукових праць, що не входять до циклу наукових праць «Магнітогальмівне випромінювання та фотонародження електрон-позитронної пари в сильному магнітному полі», 1 опублікована в Журналі експериментальної та теоретичної фізики (ЖЭТФ) та 2 – у вигляді тез доповідей у збірниках наукових праць міжнародних конференцій:
1. Новак электрон-позитронной пары электроном в магнитном поле вблизи порога процесса / , Холодов Р. И., Фомин П. И. // Журнал экспериментальной и теоретической физики. – 2010. – Т. 137, вып. 5, с. .
2. Novak O. P. Pair production by an electron to ground levels in a magnetic field / Novak O. P., Kholodov R. I. // The 3-rd international conference Current Problems in Nuclear Physics and Atomic Energy – NPAE’2010, June 7–12, 2010: abstract, Kyiv, Ukraine, 2010. –P. 52.
3. Novak O. P. Spin-polarization effects in QED-processes in a pulsar magnetosphere / Novak O. P., Kholodov R. I. // 10-th International Conference on Laser and Fiber-Optical Networks Modeling – LFNM’2010, September 12–14, 2010: proceedings, Sevastopol, Crimea, Ukraine, 2010. – P. 232–234.
Ідентифікатор SJR Журналу експериментальної і теоретичної фізики станом на 2010 р. невідомий, станом на 2009 р. складав 0,046, Н індекс 28.
Цикл наукових праць «Магнітогальмівне випромінювання та фотонародження електрон-позитронної пари в сильному магнітному полі» виконаний у теоретичному відділі Інституту прикладної фізики НАН України і є частиною досліджень, які проводилися за темами “Резонанси і структурні перетворення у квантово-електродинамічних, хромодинамічних і багаточастинкових системах під впливом зовнішніх полів і пучків швидких частинок” (державний реєстраційний № 000U термін виконання 2004–2006 рр.), “Польові підходи до проблем ядерної фізики і енергетики на базі квантової хромодинаміки та дослідження електродинамічних процесів і структурних ефектів при взаємодії пучків частинок з речовиною” (державний реєстраційний № 000U термін виконання 2007–2011 рр.).
