Аннотация результатов, полученных в 2016 году
Экспериментальная часть проекта. Проведены комплексные исследования работы двухфазного криогенного лавинного детектора (ДКЛД) с криогенной камерой объёмом 9 л с электролюминесцентным (ЭЛ) зазором, считываемым с помощью компактных криогенных ФЭУ, и комбинированным умножителем ГЭУ/ГЛФД-матрица (газовый электронный умножитель/матрица гейгеровских лавинных фотодиодов), в аргоне с добавлением малой (порядка 50 ppm) примеси азота и в чистом аргоне. Измерены амплитудные характеристики ДКЛД с ЭЛ зазором при облучении рентгеновскими фотонами от источников 109Cd и 241Am. Энергетическое разрешение детектора составило 22% и 16% для фотонов с энергией 60 и 88 кэВ, соответственно. Измерены усилительные характеристики ЭЛ зазора в ДКЛД с выключенным и включённым умножителем ГЭУ/ГЛФД-матрица: усиление ЭЛ зазора при поле 7 кВ/см составило 1.0 и 1.5 ф.э./е для зарядового усиления ГЭУ ноль и 40, соответственно. Измерены координатные характеристики комбинированного умножителя ГЭУ/ГЛФД-матрица в составе ДКЛД: пространственное разрешение составило 1 мм при облучении фотонами с энергией 25 кэВ. Проведено сравнение результатов работы ДКЛД с ЭЛ зазором для аргона с добавкой азота (порядка 50 ppm) и чистого аргона. Показано, что добавка азота в данной конструкции детектора ведёт к увеличению амплитуды ЭЛ сигнала почти в три раза, по сравнению с чистым аргоном. Программа проводимых исследований находится в соответствии с программой, адаптированной к потребностям эксперимента DarkSide по поиску тёмной материи. Теоретическая часть проекта. 1. Исследована кинетика возникновения барионной асимметрии в модели спонтанного бариогенезиса. С этой целью кинетическое уравнение обобщено на случай зависящего от времени внешнего поля. Этот эффект приводит к существенному усложнению кинетического уравнения и к сдвигу равновесного состояния. В отличие от обычной ситуации, когда равновесное состояние может быть найдено алгебраически, в случае нестационарного внешнего поля равновесное состояние определяется численным решением кинетического уравнения. В нашей работе были найдены такие состояния для различных типов внешних полей и на основе кинетического уравнения вычислена величина космологической барионной асимметрии в модели спонтанного бариогенезиса. Статья опубликована: E. V. Arbuzova, A. D. Dolgov, and V. A. Novikov, General properties and kinetics of spontaneous baryogenesis, Phys. Rev. D 94 (2016) 123501. 2. Были критически проанализированы свойства одного из популярных кандидатов на роль носителей тёмной материи, так называемых миллизаряженных частиц. Вычислена космологическая концентрация лёгких миллизаряженных частиц с массами, немного большими или меньшими массы электрона. При этом космологическая концентрация миллизаряженных частиц, которые легче электрона, может быть настолько большой, что такие частицы могут составлять всю космологическую тёмную материю или по крайней мере значительную её часть. С другой стороны, космологическая плотность энергии миллизаряженных частиц, масса которых больше массы электрона, может быть довольно низкой. Существующие экспериментальные данные очень сильно ограничивают свойства миллизаряженных частиц, однако, мы показали, что эти данные существенно опираются на предположения, которые могут не выполняться. Эти предположения можно ослабить, в том числе за счёт введения всевозможных аномальных взаимодействий миллизаряженных частиц, не рассматриваемых в более ранних работах. В этом случае на диаграмме параметров миллизаряженных частиц может появиться допустимая область, означающая, что они могут являться частицами тёмной материи. Справедливость рассмотренных гипотез может быть проверена в будущих экспериментах. 3. Изучены механизмы возникновения поляризации микроволнового космического излучения. Показано, что смешивание фотонов с аксионо-подобными частицами в космических магнитных полях приводит к возникновению эллиптической поляризации микроволнового космического излучения, даже в случае отсутствия начальной поляризации. Получены новые ограничения на параметры псевдоскалярных аксионо-подобных частиц, на которые нужно ориентироваться, в частности, при расчётах переходов таких частиц в гравитоны. Кроме того, предсказываемые эффекты могут быть обнаружены в поляризации микроволнового космического излучения, что отдельно представляет значительный интерес. Статья на эту тему принята к печати в JCAP.

Аннотация результатов, полученных в 2017 году
Экспериментальная часть проекта. Был проведён исчерпывающий теоретический анализ физических процессов в двухфазном аргоне с добавкой азота. Результаты опубликованы в обзорной работе [Buzulutskov A., Photon emission and atomic collision processes in two-phase argon doped with xenon and nitrogen // Europhys. Lett. 2017. V. 117. Paper 39002. P. 1-6. http://doi.org/10.1209/0295-5075/117/39002]. Было найдено физическое объяснение эффекта возможного усиления передачи возбуждения от аргона к азоту при низких температурах, в частности за счёт резонансного характера передачи возбуждения через молекулы ван-дер-Ваальса ArN2, образующиеся при криогенных температурах. Была экспериментально исследована работа двухфазного криогенного лавинного детектора (ДКЛД) с электролюминесцентным (ЭЛ) зазором, считываемым напрямую с помощью матрицы ГЛФД (гейгеровских лавинных фотодиодов) в УФ и видимом диапазоне, как в аргоне с добавлением малой (<50 ppm) примеси азота, так и в чистом аргоне. С одной стороны, мы подтвердили эффект повышения выхода ЭЛ, а также наличие не-ВУФ-компоненты (помимо ВУФ) в пропорциональной ЭЛ в двухфазном аргоне с добавкой азота, в УФ и видимой области спектра. С другой стороны, вклад не-ВУФ-компоненты, определённый в модели передачи возбуждения от аргона к азоту с последующем излучением азота в УФ за счёт второго положительного континуума, оказался недостаточным для объяснения повышения выхода ЭЛ, как с экспериментальной, так и с теоретической точки зрения. Следовательно, проблема усиления пропорциональной ЭЛ в двухфазном аргоне за счёт добавления азота остаётся пока нерешённой. Исследования в этом направлении будут продолжены. Более того, при исследовании ЭЛ в чистом, беспримесном двухфазном аргоне (с содержанием азота менее 1 ppm) было обнаружено, что компонента излучения ЭЛ в УФ и видимой области не исчезает, как можно было ожидать с исчезновением примеси азота, а напротив, остаётся на примерно таком же уровне. Физическое объяснение этого нового эффекта будет представлено в 2018 году. В результате, в ДКЛД с ЭЛ зазором, считываемым напрямую с помощью ГЛФД-матрицы в чистом аргоне, был измерен минимальный порог регистрации излучения с координатным разрешением (20 ф.э на матрице). В неоптимальной конфигурации данного эксперимента он был оценён в 50 кэВ для электронов отдачи и 170 кэВ для ядер отдачи (с учётом фактора гашения 0.3). В случае оптимальной конфигурации прямого считывания с ДКЛД на ГЛФД матрицу предельная чувствительность оценивается в 10 и 30 кэВ для электронов и ядер отдачи соответственно, что в несколько раз превосходит текущий порог регистрации тёмной материи в эксперименте DarkSide. Ещё более низкий порог ожидается при считывании ДКЛД с ЭЛ зазором с помощью комбинированного умножителя ГЭУ/ГЛФД-матрица. Программа проводимых исследований находится в соответствии с программой, адаптированной к потребностям эксперимента DarkSide по поиску тёмной материи. Теоретическая часть проекта. Большой ряд астрономических наблюдений недавних лет не согласуется со стандартной космологической моделью. Данные показывают слишком тесное заселение ранней Вселенной сверхмассивными чёрными дырами и сверхновыми. Аналогичные проблемы имеются и в современной Вселенной. Эти проблемы приводят к выводу, что чёрные дыры не рождаются в результате звёздной эволюции, а являются первичными, возникшими во Вселенной задолго до появления звёзд. Открытие гравитационных волн, предположительно от слияния первичных чёрных дыр, вернуло к жизни модель А. Долгова 1993 года, приводящую к тому, что основную часть тёмной материи составляют тяжёлые первичные чёрные дыры. В настоящее время такая компонента тёмной материи становится всё более популярной. В работе: Alexander Dolgov, Konstantin Postnov, Electromagnetic Radiation Accompanying Gravitational Waves from Black Hole Binaries, JCAP 1709 (2017) no. 09, 018; было проведено вычисление интенсивности электромагнитного излучения, сопровождающего слияние чёрных дыр в предположении, что параметры распределения этих чёрных дыр по массе отвечают тому, что первичные чёрные дыры являются космологической тёмной материей. Исследованы космологические и астрофизические следствия механизма рождения первичных массивных и сверхмассивных чёрных дыр. Показано, что раннее рождение тяжёлых чёрных дыр позволяет разрешить накопившиеся проблемы в результатах астрономических наблюдений недавних лет. Было проведено исследование гравитационного бариогенезиса с учётом новых эффектов, связанных с модификацией гравитации. Влияние модификации гравитации в модели гравитационного бариогенезиса на эволюцию вселенной было изучено в работах: а) E.V. Arbuzova, A.D. Dolgov, Intrinsic problems of the gravitational baryogenesis, Physics Letters B 769 (2017) 171-175; б) E.V. Arbuzova, A.D. Dolgov, Instability in classical and modified gravity, Astronomical and Astrophysical Transactions (AApTr), 2017, Vol. 30, Issue 1, pp. 31- 46. Гравитационный бариогенезис позволяет создать космологическую барионную асимметрию за счёт связи скаляра кривизны с несохраняющимся барионным током бозонов или фермионов. В основных чертах он аналогичен хорошо известному спонтанному бариогенезису, однако, как было обнаружено в наших работах, неминимальная связь с гравитацией приводит к тому что уравнения гравитационного поля становятся дифференциальными уравнениями высшего, четвёртого, порядка. Такие уравнения, как правило, имеют неустойчивые решения. Именно так и оказалось в сценарии гравитационного бариогенезиса. Обнаруженный новый эффект неустойчивости сильно возмущает стандартную космологию и коренным образом меняет эволюцию Вселенной, что запрещает простые версии гравитационного бариогенезиса. Однако, не исключено, что более сложные варианты теории могут непротиворечиво описывать реалистическую эволюцию Вселенной. Особенно перспективным с этой точки зрения являются исследования моделей модифицированной F(R)-гравитации. Было продолжено изучение эволюции космологических доменных стенок в ранней Вселенной, с целью уточнить известные ограничения на минимальное расстояние доменов антивещества от нас. В посланной в печать работе: A.D. Dolgov, S.I. Godunov, A.S. Rudenko, Evolution of thick domain walls in inflationary and p=w\rho universe, e-Print: arXiv:1711.04704 [gr-qc]; были рассчитаны темп и характер расширения доменной стенки на инфляционной стадии и на стадии степенного космологического расширения. Были определены значения параметров стенки, при которых она расширяется на инфляционной стадии практически по тому же закону, что и Вселенная в целом. Благодаря этому такие стенки могут стать космологически широкими, достигая размера вплоть до нескольких мегапарсек в современном масштабе. Если параметры стенки не удовлетворяют найденным нами условиям, то они остаются микроскопически тонкими, что приводит к мощной аннигиляции вещества и антивещества на границе, что исключено наблюдательными данными. Мы показали, что по окончании инфляции, когда вселенная переходит к степенному закону расширения, все доменные стенки начинают сжиматься, независимо от значения параметров теории. Чтобы построить модель, которая не противоречит наблюдениям, необходимо найти механизм генерации космологической барионной асимметрии такой, что он успеет сработать до того, как стенка станет неприемлемо тонкой. Нами определены необходимые для реализации такого сценария значения параметров. Было показано, что при определённых значениях этих параметров ширина доменной стенки между областями материи и антиматерии может стать космологически большой, что обеспечит выживание доменов антивещества в современной Вселенной. Полученные результаты позволяют сформулировать непротиворечивую модель бариогенезиса, приводящую к доменам вещества и антивещества во Вселенной, разделённым космологически большими расстояниями. Эта работа является необходимым предварительным этапом для изучения более реалистических условий в первичной плазме с различной температурой вблизи стенки и вдали от неё. Эти эффекты пока не были учтены ни нами, ни в мировой литературе. Они должны заметно влиять на скорость встречной диффузии протонов и антипротонов. Мы планируем рассмотреть их в самое ближайшее время.

Аннотация результатов, полученных в 2018 году
Экспериментальная часть проекта. Были продолжены исследования работы ДКЛД с криогенной камерой объёмом 9 л с ЭЛ зазором в аргоне, считываемым с помощью комбинированного умножителя ГЭУ/ГЛФД-матрица. Был достигнут минимальный порог регистрации ДКЛД, т.е. предельная чувствительность детектора; он составил для электронов отдачи - 25 кэВee для прямого считывания и 1.2 кэВee для считывания с лавинным усилением (с помощью комбинированного умножителя ГЭУ/ГЛФД матрица), для ядер отдачи - 83 кэВnr для прямого считывания и 4.0 кэВnr для считывания с лавинным усилением. Был объяснён эффект наличия в чистом двухфазном аргоне компоненты электролюминесценции в УФ и видимой области спектра: с помощью обнаружения нового добавочного механизма электролюминесценции – тормозного излучения электронов на нейтральных атомах. Были проведены измерения ионизационного выхода в жидком Ar от ядер отдачи с помощью нейтронного DD генератора и ДКЛД с криогенной камерой объёмом 9 л с ЭЛ зазором; для энергии около 120 кэВnr он составил <= 6 е-/кэВ при поле 0.6 кВ/см. Программа исследований проводилась в соответствии с программой, адаптированной к потребностям эксперимента DarkSide по поиску тёмной материи. Ссылки на информационные ресурсы в сети Интернет (url-адреса), посвящённые проекту: https://ria.ru/science/20181122/1533287781.html Теоретическая часть проекта. Рассчитан закон эволюции доменных стенок, разделяющих области, занимаемые материей и антиматерией во Вселенной. Расчёты проведены для произвольного закона космологического расширения, включающего инфляционный и после-инфляциoнный режимы. Найдены параметры теории, позволяющие реализовать успешный бариогенезис при спонтанном нарушении инвариантности относительно зарядового сопряжения в физике частиц и дальнейшем исчезновении доменных стенок согласно механизму, разработанному в более ранних работах авторов. Определены условия, при которых расстояние между доменами вещества и антивещества может составлять порядка 10 мегапарсек в современном масштабе, что позволяет удовлетворить ограничению Коэна, Глешоу и Де Рухула. Полученные результаты создают фундамент дальнейшей работы по исследованию взаимной диффузии протонов и антипротонов из своих доменов в соответствующие антидомены с учётом возможной вариации температуры космической плазмы. Это может быть использовано при анализе ведущегося в настоящее время поиска космической антиматерии на спутниковых детекторах и на детекторах, установленных на воздушных шарах. Проведены количественные расчёты выделения энтропии в электрослабом фазовом переходе. Показано, что в стандартной модели физики частиц рост энтропии составляет 13%. В ряде наиболее популярных сегодня сценариях бариогенезиса через лептогенезис космологическая барионная асимметрия может быть выражена через потенциально наблюдаемые параметры лёгких нейтрино, в частности, величина асимметрии связана с СР-нечётной фазой в осцилляциях нейтрино. Найденную величину несохранения энтропии необходимо учитывать в расчётах величины барионной асимметрии Вселенной. Найдены решения космологических уравнений в модифицированной гравитации при добавлении квадратичного по кривизне слагаемого в действие Гильберта-Эйнштейна. Как известно, наличие этого квадратичного слагаемого приводит к успешной инфляции (инфляция Старобинского). В нашей работе приведены численные и аналитические решения, описывающие эволюцию скаляра кривизны с учётом обратного влияния рождения частиц. Показано, что в течение длительной космологической стадии плотность энергии обычной материи оказывается малой по сравнению с энергией осцилляций кривизны. Однако, в процессе расширения Вселенной плотность энергии материи убывает лишь как обратная первая степень космологического времени, в отличие от квадратичного убывания в обычной фридмановской космологии. Постоянный источник рождения частиц приводит к коренному изменению кинетики частиц в рамках R^2 - теории и вновь открывает возможность легчайшим суперсимметричным частицам быть частицами тёмной материи. Согласно нашим вычислениям, масса этих частиц может составлять около 1000 ТэВ. Проанализирован большой массив новейших астрономических наблюдений, доказывающих существование массивных и сверхмассивных чёрных дыр, а также чёрных дыр промежуточной массы (1000 – 100 000 масс Солнца) в современной и ранней Вселенной при красном смещении z ~ 10. Приведены аргументы в пользу того, что эти чёрные дыры являются первичными, а не результатами звёздной эволюции или же аккреции вещества на какой-то возникший ранее зародыш. Проведена подгонка формы наблюдаемого спектра масс чёрных дыр к теоретически предсказанному логарифмически нормального спектру масс первичных чёрных дыр. Найденные значения параметров позволяют сделать вывод, что первичные чёрные дыры могли бы составлять значительную часть тёмной материи во Вселенной.