Крупный научный проект
"Нейтрино и астрофизика частиц"

ИЯИ РАН в составе консорциума является победителем конкурса на получение гранта в форме субсидии на проведение крупного научного проекта по приоритетным направлениям научно-технологического развития в целях реализации подпрограммы "Фундаментальные научные исследования для долгосрочного развития и обеспечения конкурентоспособности общества и государства" государственной программы Российской Федерации "Научно-технологическое развитие Российской Федерации".
Лот 1. No 2020-1902-01 «Проведение крупных научных проектов по приоритетным направлениям научно-технологического развития». Регистрационный номер заявки 2020-1902-01-140.

Состав консорциума: Институт ядерных исследований РАН, Объединенный институт ядерных исследований, Специальная астрофизическая обсерватория РАН, Физический институт им. П.Н. Лебедева РАН, Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова, Московский физико-технический институт (национальный исследовательский университет), Иркутский государственный университет.

Название проекта: "Нейтрино и астрофизика частиц".

Цель проекта: Выяснение свойств нейтрино астрофизического и лабораторного происхождения. Исследование физики нейтринного сектора и изучение природы нейтринных осцилляций в междисциплинарном подходе, с применением современных теоретических, экспериментальных и астрофизических методов. Выяснение природы и формирование адекватного описания астрофизических процессов с экстремальным энерговыделением, сопровождающихся рождением нейтрино и заряженных частиц высоких энергий и мощным электромагнитным излучением. Поиск новых элементарных частиц в наземных экспериментах и астрофизическими методами.

Основные результаты за 2020 год

• Построены модели происхождения нейтрино высоких энергий в радиоквазарах, основанные на протон-фотонных и протон-протонных взаимодействиях в центральных парсеках, объясняющие связь наблюдаемых нейтрино и радиоизлучения от компактных областей.
  
  
• На основе совокупности наблюдательных данных построена новая модель профилей плотности и металличности окологалактического газа, которая будет в дальнейшем использована для моделирования диффузного нейтринного и гамма-излучения от взаимодействия покидающих Галактику космических лучей с окологалактическим газом.
  
  
• Подготовлен развернутый обзор об использовании нейтронных звёзд в качестве инструментов астрофизики частиц. Этот обзор прежде всего посвящен ограничениям на модели темной материи с массивными частицами из факта существования нейтронных звезд. Гравитационный захват может приводить к накоплению темной материи в ядре нейтронной звезды в количестве, достаточном для ее коллапса в черную дыру и последующего разрушения нейтронной звезды. Темп захвата рассчитывается с учётом конкретных моделей нейтронных звёзд и распределения тёмной материи.
  
  
• Построена теоретическая модель спектра нейтрино, образующихся при взаимодействии космических лучей с веществом Луны. Рождение мезонов в лунном грунте вычислено с использованием стандартных генераторов адронных событий, их распространение в веществе и последующий распад с рождением нейтрино отслеживалось с помощью программы GEANT и соответствующих пакетов. Учитывались нейтринные осцилляции со стандартными параметрами нейтринного сектора. Вычислены спектры нейтрино и антинейтрино всех трёх ароматов в направлении на Луну.
  
  
• Рассчитан поток нейтрино и антинейтрино от ряда природных и техногенных источников в условиях БНО. Рассчитан суммарный энергетический спектр реакторных, солнечных, атмосферных и геонейтрино. Выполнена оценка уровня фоновых и сигнальных событий в ББНТ.
  
  
• Проведена существенная модернизация отдельных критических узлов и механизмов на установке "Троицк ню-масс". Проведен сеанс измерений бета-спектров при распаде трития в диапазоне энергий 14-18.8 кэВ. Выполнена работа по описанию эффекта трепинга электронов в газовом источнике трития установки "Троицк ню-масс". После обработки данных набранных за первые четыре недели работы установки КАТРИН получены первые ограничения на параметры легких стерильных нейтрино.
  
  
• Разработана методика калибровки энергетической шкалы эксперимента DANSS с помощью остановившихся мюонов и проведена оценка систематических ошибок. Разработан метод анализа данных, учитывающий относительные скорости счета антинейтринных событий на разных расстояниях от реактора, оценены соответствующие систематические ошибки. Разработаны методы машинного обучения для анализа данных эксперимента DANSS и показана их эффективность. Изготовлены прототипы сцинтилляционных детекторов для модернизации установки DANSS.
  
  
• Выполнено моделирование и разработан алгоритм анализа по поиску темных фотонов в эксперименте Т2К. Улучшена точность измерения угла смешивания 23 и разности квадратов масс. Сохранение CP инвариантности в нейтринных осцилляциях исключается на уровне 2 sigma.
  
  
• Получены результаты осцилляционного анализа данных эксперимента NOvA, соответствующих заявленной статистике протонов, сброшенных на мишень.

Полученные результаты соответствуют переднему краю мировой науки, будут оказывать и уже оказывают существенное влияние на развитие астрофизики высоких энергий, нейтринной астрономии и понимание физики частиц за пределами Стандартной модели. Разрабатываемые и используемые в проекте методы важны также для решения междисциплинарных и практических задач: мониторинга экологии озера Байкал, контроля радиационной безопасности, развития универсальных методов машинного обучения и др.

Основные результаты за 2021 год

• Разработан и опубликован в виде зарегистрированной публично доступной программы для ЭВМ численный код CRBeam, предназначенный для моделирования распространения космических лучей и электромагнитных каскадов на космологических расстояниях.
  
  
• Вычислены спектры нейтринного и фотонного излучения от взаимодействия галактического ветра с окологалактическим газом для различных предположений о спектре и распределении космических лучей с использованием новой модели плотности окологалактического газа.
  
  
• Получены новые ограничения на распределение во Вселенной внегалактических источников нейтрино высоких энергий, основанные на исследованиях изотропии направлений прихода. Разработан новый метод ограничения массового состава космического излучения высоких энергий из направлений прихода. Для развития направления предложена новая концепция нейтринного телескопа диапазона выше 10 ПэВ.
  
  
• Проведён поиск протяжённого излучения от окрестностей центральной галактики М87 в скоплении галактик в созвездии Девы в диапазоне энергий E>100 МэВ. Показано, что космические лучи являются субдоминантной компонентой полостей М87.
  
  
• Организована передача алертов установки "Ковер" в международную сеть AMON/GCN в режиме реального времени при регистрации события - кандидата на первичный фотон с энергией выше 1 ПэВ. Алертные сообщения "Ковра" стали первыми в мире среди гамма-обсерваторий, регистрирующих фотоны в этом энергетическом диапазоне. Получены наиболее строгие в мире ограничения на потоки диффузного космического гамма-излучения с энергией выше 100 ТэВ. На основе данных наблюдений в этом диапазоне ограничены модели с нарушением Лоренц-инвариантности и сверхтяжелыми частицами темной материи. Изучена переменность излучения пульсарной туманности в Крабовидной туманности в диапазоне высоких энергий. Сформулированы дополнительные критерии на возможные источники радиофона. Наблюдались кандидаты в события приливного разрушения звезд в окрестностях сверхмассивных черных дыр в ядрах галактик.
  
  
• Получены новые данные Baikal-GVD и наблюдений потенциальных источников нейтрино на РАТАН-600 и РСДБ, проведен их совместный анализ, в том числе с использованием данных IceCube. Проведено сравнение результатов с теоретическими предсказаниями. Сформирован банк экспериментальных данных, содержащий 6270 кандидата на нейтринные события. Обнаружено первое событие с энергией порядка 1 ПэВ в данных телескопа Baikal-GVD. В эксперименте Baikal-GVD зарегистрировано событие-кандидат на высокоэнергетическое нейтрино в совпадении с уникальной вспышкой блазара PKS 0735+17 и с алертным нейтринным событием IceCube-211208A. Проведены одновременные наблюдения этого источника в радиодиапазоне на РАТАН-600 и в инфракрасном диапазоне на 2.5-м телескопе КГО ГАИШ МГУ. Проводился долговременный мониторинг и анализ данных об оптических и гидрофизических характеристиках водной среды озера Байкал в эффективном объеме нейтринного телескопа Baikal-GVD для с целью их учета при регистрации нейтрино высокой энергии. Исследованы особенности радиоспектров первых сверхмассивных черных дыр Вселенной - далеких квазаров. Разработан и создан алгоритм чистки данных РАТАН-600 от помех, проведен анализ эффективности его работы.
  
  
• Выполнено моделирование и измерение фонов, детекторного и горной породы, для ББНТ. Получены результаты, важные для выбора условий и конструкции детектора.
  
  
• Оценен поток "лунных" нейтрино на Земле и определён спектр для каждого типа нейтрино с учётом осцилляций на пути от Луны до детектора на поверхности Земли. Получены важные результаты для выбора условий и конструкции детектора.
  
  
• На установке "Троицк ню-масс" проведен анализ данных с детектора TRISTAN, полученных в рамках наладочного сеанса. Проведен новый сеанс измерений с использованием многопиксельного детектора, разработанного в рамках проекта TRISTAN. Получены данные и отработаны технологические подходы, необходимые для очистки объема спектрометра от слабого загрязнения тритием.
  
  
• В эксперименте DANSS получены новые ограничения на параметры стерильных нейтрино на основе 5 млн событий обратного бета-распада. Надежно исключена большая область параметров стерильного нейтрино вплоть до разности квадратов масс нейтрино, равной 4 эВ2, включающая наилучшую точку эксперимента BEST. Разработана упрощенная система моделирования детектора DANSS после модернизации на основе GEANT-4. Выполнены измерения световыхода и его однородности по поверхности прототипов сцинтилляционных счетчиков для модернизации детектора DANSS.
  
  
• Завершены разработка и создание новой активной мишени эксперимента T2K - 3D сегментированного сцинтилляционного детектора СуперFGD, состоящего из 2-х миллионов оптически изолированных сцинтилляционных кубиков размером 1х1х1 см3 каждый. Проведен сеанс №11 по набору данных в нейтринном режиме и выполнен комбинированный анализ данных, набранных в эксперименте Т2К с пучками мюонных нейтрино и антинейтрино в сеансах №1-10 (интегральный поток 3.60х10²¹ РОТ). Получены новые данные по осцилляционным параметрам нейтрино.
  
  
• Проведены разработка и тестирование спектросмещающих пластин для внешнего детектора ГиперКамиоканде. Разработаны и изготовлены первые образцы пластин на основе полиметилметакрилата (РММА) с различными концентрациями спектросмещающих добавок bis-MSB, РОРОР и РРО. Получено, что разработанные в рамках этого проекта пластины обладают лучшими параметрами по сравнению с пластинами, которые производятся компаниями Kuraray и Eljen.
  
  
• Проведены измерения инклюзивных сечений нейтрино в эксперименте NOvA. Интегральная экспозиция нейтринного пучка составила 8.09х10²⁰ POT (протонов на мишени). Проведены оценки систематических неопределенностей моделей сечения взаимодействия нейтрино и отклика детектора.
  
  
• Выполнены теоретические оценки чувствительности детектора ББНТ к природным потокам нейтрино низких энергий для различных конфигураций детектора. Показано, что на проектируемой для БНО установке может быть достигнута относительная ошибка определения вклада в поток нейтрино от мантии около 23% после 10 лет измерений.
  
  
• Проведены работы по моделированию и оптимизации детектора ББНТ. Определено, что после очистки на оксиде алюминия псевдокумол практически не содержит калий, в то время как в ЛАБе концентрация калия после очистки становится больше, чем в исходном, а после однократной перегонки ЛАБа на роторном вакуумном испарителе содержание калия в ЛАБе уменьшается в 1.8 раз. Разработаны образцы высокоэффективных жидких сцинтилляторов на основе ЛАБ и новых сцинтилляционных кремнийорганических добавок. Световыход этих сцинтилляторов практически в 2 раза превышает световыход сцинтилляторов с традиционными сцинтилляционными добавками PPO и bis-MSB/POPOP.
  
  
• Полученные результаты соответствуют переднему краю мировой науки, будут оказывать и уже оказывают существенное влияние на развитие астрофизики высоких энергий, нейтринной астрономии и понимание физики частиц за пределами Стандартной модели. Разрабатываемые и используемые в проекте методы важны также для решения междисциплинарных и практических задач: мониторинга экологии озера Байкал, контроля радиационной безопасности, развития универсальных методов машинного обучения и др.

Основные результаты за 2022 год

• Проведена оценка возможного вклада активных ядер галактик (АЯГ) в генерацию позитронов в лептонной модели, а также в возможный наблюдаемый поток гамма-квантов, в том числе и в линии аннигиляции позитронов 511 кэВ.
  
  
• Получены новые ограничения на возможное число антизвезд в Галактике по измерениям ядер антигелия-4 и антигелия-3 в эксперименте AMS-02. Сделана оценка числа возможных анти-звезд - источников анти-КЛ, ускоряемых во вспышках солнечного типа с экстремальной энергией.
  
  
• Обнаружен на уровне статистической значимости 4.1 сигма галактический вклад в поток астрофизических нейтрино высоких энергий, составляющий 28 +- 9% при энергиях выше 200 ТэВ и заметный также при более низких энергиях. Результат опубликован в одном из наиболее престижных мировых астрофизических журналов.
  
  
• Получены новые ограничения сверху на поток диффузного космического гамма-излучения в ПэВном энергетическом диапазоне с использованием данных ливневой установки "Ковер-2" Баксанской нейтринной обсерватории ИЯИ РАН.
  
  
• На телескопе Baikal-GVD впервые измерен астрофизический поток нейтрино. Из фона атмосферных мюонов были выделены каскадные события с энергией выше десятков ТэВ за период наблюдения с апреля 2018 по февраль 2022 годов.
  
  
• На Baikal-GVD в быстром режиме автоматически формировались алерты по триггеру отбора высоэнергичных нейтрино нескольких категорий и отслеживались внешние алерты от нейтринных телескопов ANTARES и IceCube, а также оповещения об активности астрофизических источников в электро-магнитных диапазонах излучения от информационных ресурсов GCN и ATEL.
  
  
• Показано, что несмотря на тренд роста средней температуры воздуха, в глубоких слоях озера Байкал происходит уменьшение запасов тепла. Сокращение сроков ледостава способствует большей теплоотдаче не только из деятельного слоя, но и из глубоких слоев до и во время ледостава.
  
  
• Завершен анализ всей совокупности собранных данных наблюдений ядер активных галактик: РАТАН-600, РСДБ, нейтрино.
  
  
• Получены многочастотные измерения космических объектов по плановой наблюдательной программе РАТАН-600: "IceCube триггер: ежемесячный мониторинг на РАТАН-600 активных галактик - новых кандидатов в источники нейтрино высоких энергий" на радиометрическом комплексе Облучателя №1 диапазона 1.2-22.3 ГГц. Реализована наблюдательная программа "РАТАН-600 в многоканальной астрономии: полная выборка РСДБ-компактных струй в ядрах галактик как индикаторов нейтрино высоких энергий", осуществено сопровождение систем сбора и регистрации, калибровка и предварительная обработка измерений. Выявлено, что только 4% (70) блазаров показали изменение спектральной плотности потока в 2 раза на 5-летнем временном масштабе и 19% (320) - на историческом масштабе их исследований (порядка 40 лет).
  
  
• На основе новых измерений яркого рентгеновского квазара на z=5.5 квазара SRGE J170245.3+130104 на РАТАН-600 и анализа его изображений с высоким угловым разрешением (NVSS, VLA, GLEAM, MWA), оценена чрезвычайно высокая радиогромость (>1100) и радиосветимость (3.8×10⁴³ erg/s), растущий высокочастотный радиоспектр (α_8.2-11=+0.65) и переменность радиоизлучения 30-40% на временном масштабе от нескольких недель до нескольких часов (на частотах >30ГГц в системе источника).
  
  
• Проведены оптические и ИК- наблюдения на 2.5-м телескопе КГО ГАИШ МГУ уникальных объектов, обнаруженных в рентгеновском обзоре всего неба СРГ/еРОЗИТА (рентгеновских квазаров на больших красных смещениях, массивных скоплений галактик, событий приливного разрушения). Получены ряды фотометрических наблюдений необычной сверхновой. В оптическом, ИК- и гамма-диапазонах получены и обработаны плотные ряды наблюдений блазара BL Lac во время вспышки, в том числе в эпоху наибольшей яркости, когда источник достиг исторического максимума светимости.
  
  
• Был завершен совместный анализ данных наблюдений 2020-2022 гг. блазаров методами многоканальной астрономии, получены выводы о возможных механизмах генерации нейтрино высоких энергий. При использовании отобранной выборки нейтрино высоких энергий обнаружены как внегалактическая, так и галактическая составляющие нейтринного излучения. Связь нейтрино высоких энергий с блазарами подтверждена на основе новых данных.
  
  
• Впервые построена модель, объясняющая происхождение нейтрино с энергиями от ТэВ до ПэВ в источниках одного класса. Нейтрино рождаются во взаимодействиях протонов с фотонами комптоновского излучения в стационарной области интенсивного излучения (радиоядре миллиметрового диапазона) в основании релятивистского джета.
  
  
• Развернута инфраструктура для высокопроизводительных вычислений взадаче анализа данных эксперимента KATRIN с использованием графических карт (GPU): два сервера с ускорителями NVidia V100 и NVidia A100. Был проведен анализ накопленных в эксперименте данных, что позволило позволил исключить наличие какого-либо признака стерильного нейтрино с массой ниже 1.6 кэВ на уровне 5х10^-4 с 95% достоверностью. Полученный результат более чем на порядок лучше ранее опубликованных ограничений в интервале масс 0.1-1 кэВ.
  
  
• Получено и опубликовано лучшее в мире ограничение на эффективную массу электронного антинейтрино на уровне 0,8 эВ.
  
  
• Разработан проект компактного бета-источника на основе графена. Было проведено статистическое моделирование эксперимента и анализ чувствительности эксперимента на основе графенового источника и многопиксельного детектора высокого разрешения.
  
  
• Завершен набор статистики в эксперименте DANSS по поиску стерильного нейтрино на Калининской АЭС (первая фаза - с октября 2016 года по март 2022 года). Зарегистрировано 6 миллионов событий обратного бета распада. Выполнена первичная обработка набранных экспериментальных данных. Проведен анализ полного образца данных детектора DANSS с октября 2016 года до марта 2022 года с целью поиска стерильного нейтрино. Дополнительная статистика данных, собранная с 2021 года по март 2022 года, привела к увеличению значимости наилучшей точки в пространстве параметров стерильного нейтрино с 1.5 до 2.35 стандартных отклонений. Установлено, что нулевая гипотеза входит в доверительный интервал 2.35σ, что означает, что в данный момент в эксперименте DANSS нет статистически значимых свидетельств в пользу существования стерильного нейтрино. Полученные в эксперименте DANSS результаты в ряде областей разницы квадратов масс нейтрино являются лучшими в мире.
  
  
• Анализ 2022 г. эксперимента T2K демонстрирует нарушение CP-симметрии на уровне достоверности около 90% и подтверждает указание на максимальное СР-нарушение. В то же время анализ не позволяет делать определенные выводы о нарушении более глобальной CPT-симметрии в нейтринных взаимодействиях, то есть подтверждает на достигнутом уровне чувствительности СРТ-инвариантность в нейтринных осцилляциях.
  
  
• Разработан и создан жидкий сцинтиллятор на основе линейного алкилбензола и кремнийорганической сцинтилляционной добавки (NOL37). Разработаны специализированные измерительные стенды для исследования основных параметров жидких сцинтилляторов на основе LAB с новыми кремнийорганическими добавками. Разработан прототип оптического модуля проекта ББНТ на основе 10-дюймового фотоумножителя R7801-100WA SA-70 и исследованы его характеристики. Исследованы 3-дюймовые фотоумножители для варианта оптического модуля на основе малогабаритных фотоумножителей.
  
  
• Проведено моделирование черенковской компоненты сигнала в жидкосцинтилляционном детекторе ББНТ. Был разработан программный код для выделения направления на источник. С его помощью был выработан критерий возможности выделения направления на источник в большом жидкосцинтилляционном детекторе в зависимости от полного темнового шума. Темновой шум на один ФЭУ не должен превышать 2,8 * 10⁸/N_tot 1/сек, где N_tot - полное число ФЭУ детектора.
  
  
• Проведен анализ астрофизических параметров источников быстрых радиовсплесков в рамках разработанных моделей, сделаны оценки числа источников, типичных наблюдаемых потоков, темпа вспышек. Сделаны популяционные оценки с использованием синхротронного мазерного механизма генерации всплесков на обратной ударной волне при вспышках на магнитарах. Полученные результаты соответствуют переднему краю мировой науки, будут оказывать и уже оказывают существенное влияние на развитие астрофизики высоких энергий, нейтринной астрономии и понимание физики частиц за пределами Стандартной модели. Разработанные в проекте методы важны также для решения междисциплинарных и практических задач: мониторинга экологии озера Байкал, контроля радиационной безопасности, развития универсальных методов машинного обучения и др.