Праздник российских ученых и важнейшие достижения сотрудников ИЯИ РАН в 2021 году

8 февраля отмечается День российской науки. История праздника уходит корнями в далекий 1724 год, когда царь Петр I издал указ о развитии науки и создании первой Академии наук и художеств. Студентами гимназии и университета при ней могли стать даже простолюдины. За хорошую учебу они получали жалование. В 1999 году, к 275-летию со дня основания Академии, было решено учредить праздник "День российской науки", учитывая важность научных открытий для обороноспособности страны, развития государства и общества в целом.

Так, ученые Института ядерных исследований РАН (ИЯИ РАН) в прошедшем году сделали ряд значимых открытий в области астрофизики, физики нейтрино и ядерной физики. Остановимся на четырех из них, наиболее важных.

В Баксанской нейтринной обсерватории ИЯИ РАН (Приэльбрусье) в эксперименте BEST
на высоком уровне достоверности подтверждена галлиевая аномалия

В лаборатории Галлий-германиевого нейтринного телескопа Баксанской нейтринной обсерватории выполнен эксперимент BEST (Baksan Experiment on Sterile Transitions). В нем получены результаты измерения скорости захвата нейтрино в двух концентрических галлиевых мишенях на двух расстояниях от интенсивного нейтринного источника ⁵¹Cr. По итогам эксперимента подготовлена статья для публикации в журнале Physical Review Letters.

Для проведения эксперимента BEST был специально разработан и создан при участии Госкорпорации "Росатом" и поддержке Минобрнауки РФ компактный источник электронных нейтрино на базе изотопа ⁵¹Cr с рекордной интенсивностью 3.4 МКи. Источник устанавливался в центре мишеней, средняя длительность каждого облучения составляла около 9.2 дня. По окончании каждого облучения проводились раздельное извлечение из каждой мишени и счет атомов ⁷¹Ge, образовавшихся в реакции ⁷¹Ga (νe,e-) ⁷¹Ge. Результаты измерений в двух галлиевых мишенях оказались очень близкими, но на 20-24% ниже ожидаемых, полученных из теоретического моделирования. Значимость галлиевой аномалии впервые подтверждена на уровне выше 4 стандартных отклонений. Из результатов эксперимента BEST получены ограничения на параметры осцилляционных переходов электронных нейтрино в стерильные состояния на очень коротких расстояниях. Достоверность существования стерильных нейтрино превысила пять стандартных отклонений.

Галлиевая аномалия возникла при калибровке галлиевых детекторов солнечных нейтрино с помощью искусственных радиоактивных источников. Оказалось, что фиксируемое при этом число нейтрино меньше, чем предсказывает теория. Предполагается, что осцилляция между электронным и стерильным нейтрино могла бы объяснить такое поведение, однако недостаток точности, и, как следствие, низкая статистическая значимость, пока не дает оснований утверждать о полноценном открытии эффекта.

Ученые наблюдали фотоны с энергией выше 300 ТэВ, связанные
с высокоэнергетическим нейтрино из области в созвездии Лебедя

Есть ли в космосе места, аналогичные Большому адронному коллайдеру (БАК) в ЦЕРНе? Дахир Джаппуев, Валерий Петков, Сергей Троицкий и их коллеги из Института ядерных исследований РАН обнаружили в далеком космосе, в созвездии Лебедя, источник излучения, работающий аналогично БАК, но с несравнимо большей мощностью. Статья с результатами наблюдений опубликована в престижном астрономическом журнале Astrophysical Journal Letters.

На установке "Ковер-2" (Баксанская нейтринная обсерватория ИЯИ РАН, Приэльбрусье) зарегистрирована вспышка гамма-излучения с экстремально высокими энергиями выше 300 ТэВ от области в созвездии Лебедя, содержащей несколько объектов, которые могут служить ускорителями космических лучей. Вспышка совпадает по времени с приходом с того же направления нейтрино высокой энергии, зарегистрированного телескопом IceCube (международный эксперимент на Южном полюсе). Это первое одновременное наблюдение фотонов и нейтрино таких высоких энергий. Оно означает, что в изучаемой области работает космический "адронный коллайдер" - ускоритель протонов, сталкивающихся с межзвездным веществом и рождающих нейтрино и фотоны.Галактические центры ускорения космических лучей до энергий порядка 10¹⁵ эВ и выше, получившие название ПэВатроны, были обнаружены по их гамма-излучению с энергиями выше 100 ТэВ. Однако, до сих пор не наблюдалась совместная генерация гамма-лучей и нейтрино. Такое наблюдение однозначно указывает на взаимодействие космических лучей с окружающей материей и излучением. В ноябре 2020 года нейтринная обсерватория IceCube сообщила о нейтринном событии с энергией ~ 150 ТэВ из области под названием Кокон в созвездии Лебедя, одного из многообещающих галактических ПэВатронов. В работе ученых ИЯИ РАН сообщается о наблюдении на установке "Ковер-2" избытка атмосферных ливней с уровнем достоверности 3 σ с того же направления. Данное событие может быть интерпретировано как возможная вспышка длительностью несколько месяцев, сопровождающаяся фотонами с энергиями выше 300 ТэВ, совпадающими по времени прихода с нейтринным событием. Плотность потока энергии гамма-вспышки того же порядка, как и плотность потока нейтрино. Полученный экспериментальный результат является первым свидетельством совместного образования нейтрино высоких энергий и гамма-лучей в Галактическом источнике.

Ученые пока не могут установить, какой именно космический объект в созвездии Лебедя является природным ускорителем элементарных частиц. Интересных источников в пределах погрешностей направления несколько. Возможно, источником нейтрино является так называемый Кокон Лебедя - область, в которой рождаются и взрываются молодые звезды. Но кроме него там же находится гамма-яркий микроквазар CygnusX-3 и релятивистская двойная система PSR J2032+4127, тоже дающая яркое излучение в гамма-диапазоне.

Первые кандидаты на события от астрофизических нейтрино высоких энергий
зарегистрированы на глубоководном нейтринном телескопе Baikal-GVD

В начале марта 2021 года в ходе визита Министра науки и высшего образования РФ В.Н.Фалькова состоялся официальный ввод в эксплуатацию Байкальского глубоководного нейтринного телескопа Baikal-GVD в составе 8-ми кластеров - глубоководных гирлянд регистрирующей и управляющей аппаратуры (2304 оптических модулей). Эффективный объем детектора в задаче регистрации событий от нейтрино высоких энергий (свыше 100 ТэВ) достиг в этом году значения близкого к 0.4 кубических километров. Телескоп Baikal-GVD и является крупнейшим нейтринным телескопом Северного полушария. При анализе данных, полученных при работе детектора в конфигурациях 2018, 2019 и 2020 годов были выделены первые 10 кандидатов на события, инициированные нейтрино высоких энергий астрофизической природы.

Baikal-GVD предназначен для регистрации и исследования нейтрино сверхвысоких энергий. С его помощью ученые планируют исследовать процессы с огромным выделением энергии, которые происходили во Вселенной в далеком прошлом. Нейтрино из космоса регистрировались и раньше, однако к тому, чтобы видеть в потоках нейтрино историю Вселенной, ученые подходят только сейчас.

Отмечается, что это первые предварительные результаты анализа данных Baikal-GVD за 2018-2020 годы эксплуатации с точки зрения поиска внеатмосферных нейтрино высоких энергий (свыше 100 ТэВ), сопровождаемых образованием каскада заряженных частиц.

Байкальский нейтринный телескоп установлен на расстоянии 3,5 км от берега на глубине от 750 до 1,3 тыс. метров в Южной котловине Байкала. Телескоп состоит из восьми кластеров. Головными организациями проекта выступают ИЯИ РАН и Объединенный институт ядерных исследований.

Открытие ПэВатронов в нашей Галактике

Международный высокогорный эксперимент LHAASO (Large High Altitude Air Shower Observatory) продолжает разворачиваться в КНР. При участии ИЯИ РАН здесь начали получать научную информацию в конце 2019 г. К середине 2020 г. уже был получен важнейший результат - открытие ПэВатронов в нашей Галактике, то есть, астрономических источников, излучающих гамма-кванты с энергиями выше 1 ПэВ (10¹⁵ электронвольт). Этот результат был опубликован в мае 2021 г. в журнале Nature. Ко времени публикации статьи было обнаружено 12 новых гамма-источников в области энергий выше 100 ТэВ. Максимальная зарегистрированная энергия гамма-ливней составляет 1.42 ПэВ от источника LHAASO J2032+4102, расположенного в Коконе созвездия Лебедя.

Кроме того, в 2021 г. был измерен с высокой точностью энергетический спектр гамма-квантов, вплоть до энергий в ПэВной области, от хорошо известного источника - пульсара в Крабовидной туманности. Cтатистическая значимость наблюдения этого источника, при работе только ½ установки, уже составляет 46.4 σ для энергий от 40 до 400 ТэВ и 6.6 σ для энергий выше 400 ЕэВ. При измерениях при более низких энергиях с помощью водно-черенковского детектора WCDA этот источник виден со значимостью 77 σ . В этом источнике, как и в ряде других, работает не только лептонный механизм ускорения с образованием гамма-квантов при обратном комптоновском рассеянии ускоренных электронов на фотонах, но и адронный, с образованием гамма-квантов через распады нейтральных пионов. Это означает, что эти же объекты должны ускорять и космические лучи, протоны и более тяжелые ядра, по крайней мере до энергий ~10-20 ПэВ.

Полученные результаты, опубликованные в ведущих физических журналах, открывают новый этап развития не только гамма-астрономии сверхвысоких энергий, но и физики космических лучей, поскольку теперь с величайшей точностью (0.05 градуса) известны направления на источники космических лучей. В ближайшие несколько лет следует ожидать прорыва в разработке теории ускорения космических лучей и понимания их природы.

Сердечно поздравляем всех ученых, а также студентов, аспирантов и всех интересующихся
с Днем российской науки и желаем новых открытий, исследований и грантов!