Отдел лептонов высоких энергий и нейтринной астрофизики

При создании ИЯИ РАН в него вошла сформировавшаяся в ФИАН лаборатория «Нейтрино», где два выдающихся ученых-теоретика нашли не менее выдающихся экспериментаторов для реализации программы нейтринных исследований. Программа эта естественным образом разбивалась на два направления: солнечные нейтрино под общим руководством Георгия Тимофеевича Зацепина и атмосферные нейтрино и мюоны с руководителем - Александром Евгеньевичем Чудаковым.

Отдел получил название Отдел лептонов высоких энергий и нейтринной астрофизики (ОЛВЭНА), естественным образом возникли четыре лаборатории: лаборатория радиохимических методов детектирования нейтрино, рук. Владимир Николаевич Гаврин; лаборатория электронных методов детектирования нейтрино, рук. Ольга Георгиевна Ряжская (1941– 2021); лаборатория лептонов высоких энергий, рук. А.Е.Чудаков (1921– 2001), и лаборатория нейтринной астрофизики, заведующим которой стал Г.Т.Зацепин (1917–2010), будучи одновременно заведующим отделом. Эта структура отдела сохранилась до настоящего времени, хотя многое изменилось даже в темах исследований, не говоря уже о научном и техническом персонале.

Кроме того, из лаборатории «Нейтрино» выделилась также нейтринная станция, первым руководителем которой стал Александр Александрович Поманский. Нейтринная станция довольно скоро получила статус самостоятельного отдела Института и впоследствии стала именоваться Филиал Баксанская Нейтринная Обсерватория.

Лаборатория нейтринной астрофизики

Первый руководитель лаборатории - академик Г.Т. Зацепин - был удостоен Сталинской (1951) и Ленинской премий (1982), награжден орденом «За заслуги перед Отечеством» IV степени (1997).
В ЛНА также работали всемирно известные ученые: Станислав Павлович Михеев (1940 – 2011) — соавтор эффекта нейтринных осцилляций в веществе, известного как эффект Михеева-Смирнова-Вольфенштейна.
Вениамин Сергеевич Березинский — выдающийся физик-теоретик, автор ряда пионерских работ по физике космических лучей и астрофизике, один из создателей научного направления «Astroparticle physics» (Физика астрочастиц), предсказавший существование космогенных нейтрино и дипа в спектре космических лучей сверхвысоких энергий.

В настоящее время сотрудники ЛНА проводят и участвуют в исследованиях мирового уровня по следующим направлениям:

• поиск безнейтринного двойного бета распада. Эта проблема связана с определением природы массы нейтрино (Дираковской или Майорановской) и возможным нарушением лептонного числа. Решение этих задач будет иметь фундаментальные следствия как для физики частиц, так и для космологии.
• теоретические исследования по физике черных дыр и темной материи и по различным аспектам эйнштейновской и модифицированной теории гравитации. Изучаются сверхмассивные черные дыры в ядрах галактик, роль первичных черных дыр в эволюции ранней Вселенной, взаимодействие черных дыр с темной материей, образование сгустков из частиц темной материи и их возможные наблюдательные проявления. Проводятся исследования аннигиляции темной материи и вычисление потоков гамма-квантов, нейтрино, и других частиц, которые могут давать вклад в наблюдаемые на Земле потоки космических лучей
• разработка экспериментальной техники.

Лаборатория лептонов высоких энергий

С момента создания лаборатории основными темами исследований были:

• атмосферные мюоны и нейтрино,
• поиск новых частиц и редких процессов,
• широкие атмосферные ливни,
• вариации космических лучей и их анизотропия,
• гамма-астрономия

Лаборатория занималась разработкой и созданием на Баксанской нейтринной обсерватории крупных установок для регистрации космических мюонов и нейтрино и для исследований в области физики космических лучей. В строй были введены установка «Ковер» (1974), Баксанский подземный сцинтилляционный телескоп (БПСТ, 1977) и установка для регистрации широких атмосферных ливней космических лучей «Андырчи» (1995). Все эти установки до сих пор находятся в эксплуатации и неоднократно модернизировались.

Разработан и впервые применен новый метод изучения ШАЛ с помощью регистрации сопровождающих их тепловых нейтронов (проект PRISMA). Для этой цели был создан сцинтилляционный детектор нового типа — эн-детектор, способный регистрировать сразу две основные компоненты ШАЛ: электро-магнитную (э) и адронную (нейтронную, н). В настоящее время работают 5 вариационных установок, расположенных в разных географических и геофизических условиях, как под землей, так и на поверхности: в Москве, на БНО, в Тибете и на Камчатке. Так что фактически создана глобальная сеть детекторов тепловых нейтронов, которая дает новые возможности для исследований в области геофизики.

Из эн-детекторов создается также установка ENDA, которая является частью крупнейшего проекта LHAASO (Large High Altitude Air Shower Observatory).

В ближайших перспективах лаборатории - продолжение долговременных экспериментов (например, слежение за нейтринными вспышками в Галактике на БПСТ и набор статистики грозовых событий) на существующих установках. Продолжится и радикальная модернизация некоторых из них с целью расширения возможностей (проект «Ковер-3»). Будет продолжаться участие в создании новых установок (проект LHAASO).

Лаборатория электронных методов детектирования нейтрино

Основной задачей исследований, стоявшей перед сотрудниками группы в 70-е годы, было изучение роли мюонов космических лучей в образовании фона планировавшихся подземных низкофоновых экспериментов. С этой целью изучался поток мюонов под землей, их взаимодействия с ядрами грунта и характеристики ядерно-активной компоненты, генерируемой мюонами в грунте.

В 1972 году был сделан принципиально важный шаг в развитии электронных методов детектирования потока электронных антинейтрино от коллапсирующих звезд с энергиями больше нескольких МэВ. Был создан 100-тонный сцинтилляционный детектор следующего поколения «Коллапс».На этом детекторе была экспериментально отработана методика поиска нейтринных вспышек от гравитационных коллапсов звезд в Галактике, которая затем использовалась на установках LSD и LVD.

Новым направлением стали исследования подземной физики, включающей поиск нейтринных всплесков от гравитационных коллапсов звезд, изучение потока мюонов космических лучей и их взаимодействий, поиск редких процессов, предсказываемых теорией. Установка LSD (Liquid Scintillation Detector), созданная в рамках международного сотрудничества СССР – Италия по исследованиям в области астрофизики, позволила в 1987 году зарегистрировать редкий сигнал во время вспышки Сверхновой SN1987A в Большом Магеллановом Облаке.

Проект LVD (Large Volume Detector)был разработан совместно сотрудниками лаборатории ЭМДН и Института космогеофизики Италии, его сцинтилляционная часть являлась расширенным вариантом LSD. По мюонным данным детектора LVD был проведен мониторинг характеристик пучка мюонных нейтрино из CERN в рамках эксперимента OPERA — проект CNGS.

В настоящее время сотрудники ЛЭМДН участвуют в экспериментах LVD и NEWSdm.
LVD находится в низкофоновой Лаборатории Гран Сассо (LNGS, Италия) и работает по программе поиска нейтрино от коллапсов звездных ядер в нашей Галактике. Научная программа исследований включает в себя изучение мюонов космических лучей, нейтронов и радиоактивных источников фона в грунте. В ближайших перспективах Лаборатории - исследование связи фона детектора с сейсмической активностью в Итальянском регионе.

Новый проект в LNGS, в котором принимают участие сотрудники Лаборатории - NEWSdm (Nuclear Emulsions for WIMP Search directional measurement) – это эксперимент для прямого обнаружения частиц темной материи с помощью ядерной эмульсии. Сотрудники принимают участие в расчетах фона для эксперимента.

Лаборатория радиохимических методов детектирования нейтрино

Научная тематика лаборатории включает разработку радиохимических методов регистрации и измерения потока нейтрино, образующихся в результате термоядерных процессов на Солнце, а также от других природных и искусственных источников.

Была разработана методика извлечения германия из многих тонн расплавленного металлического галлия, разработан метод счета единичных атомов ⁷¹Ge, рассчитаны и измерены скорости образования германия-71 от различных фоновых процессов (от мюонов космических лучей, от альфа-частиц от внутренних радиоактивных примесей и внешних быстрых нейтронов).

Для выполнения галлиевого эксперимента была создана Советско-Американская коллаборация SAGE (Soviet-American Gallium Experiment). Были проведены эксперименты с искусственными источниками нейтрино. Галлиевые мишени были облучены источниками нейтрино на основе изотопов ⁵¹Сr и ³⁷Ar, полученных в ядерных реакторах. Результаты эксперимента SAGE стали основополагающим вкладом в решение проблемы солнечных нейтрино.

«За создание Баксанской нейтринной обсерватории и исследования в области нейтринной астрофизики, физики элементарных частиц и космических лучей» в 1998 году коллектив сотрудников Института был удостоен Государственной премии Российской Федерации. В 2001 году достижения, полученные лабораториями РХМДН и ГГНТ в области исследований потока нейтрино от Солнца, удостоены Международной премии им.Б.М. Понтекорво, и в 2009 году за выдающийся вклад в исследование солнечных нейтрино и открытие нейтринных осцилляций В.Н.Гаврину присуждена золотая медаль имени Д.В. Скобельцына.

Следующим этапом научной программы лаборатории РХМДН стало исследование причин «галлиевой аномалии» — разработка методик и выполнение на ГГНТ эксперимента BEST — поиск переходов электронных нейтрино в стерильное состояние. Для выполнения этого эксперимента была создана установка с двухзонной галлиевой мишенью ГГНТ для облучения мощным источником нейтрино двух галлиевых мишеней, расположенных на разных расстояниях от источника. В настоящее время выполняется завершающий этап эксперимента — калибровка счетчиков и обработка полученных данных.

Дальнейшая научная программа лаборатории РХМДН включает разработку и создание в БНО сцинтилляционного детектора нового поколения для исследований в области нейтринной гео- и астрофизики.