Филиал Баксанская нейтринная обсерватория

ПОЛОЖЕНИЕ о создании филиала Баксанская нейтринная обсерватория (БНО ИЯИ РАН)

Краткая история Баксанской нейтринной обсерватории ИЯИ РАН

БНО создана в 1973 году и является экспериментальной базой Института, на которой проводятся исследования в области физики атомного ядра, элементарных частиц, физики космических лучей и нейтринной астрофизики. Это первая в мире крупномасштабная подземная лаборатория, включающая комплекс дополняющих друг друга уникальных установок для междисциплинарных исследований на стыке фундаментальной физики, астрофизики и геофизики. Она находится в Приэльбрусье (Кабардино-Балкария), состоит из комплекса подземных сооружений, расположенных вдоль двух параллельных горизонтальных штолен в толще горы Андырчи (высота горы свыше 4 км; длина штолен около 4 км), и комплекса наземных лабораторий.

Создание обсерватории неразрывно связано с именами таких известных ученых как М.А. Марков, А.Н. Тавхелидзе, В.А. Матвеев, А.Е. Чудаков, Г.Т. Зацепин, А.А. Поманский и др.

Первым заведующим был назначен Александр Александрович Поманский (1932-1993), профессор, доктор физико-математических наук. Он внес большой вклад в создание и становление Баксанской нейтринной обсерватории и возглавлял ее по 1993 год.

До 1999 года Баксанской нейтринной обсеваторией руководил доктор физико-математических наук Евгений Николаевич Алексеев (1940-2021). При его непосредственном участии были сооружены и запущены в физическую эксплуатацию крупные научно-исследовательские установки «Ковер» и Баксанский подземный сцинтилляционный телескоп.

С 1999 г. по 2020 г. Обсерваторией руководил доктор физико-математических наук Кузьминов Валерий Васильевич. Известный в мире физик-экспериментатор в области исследований редких процессов с помощью газовых детекторов в условиях низкого фона естественной радиоактивности и космических лучей в подземных лабораториях БНО. Внес большой личный вклад в создание одной из лучших в мире подземной низкофоновой лаборатории.

С 2020 года филиалом руководит доктор физико-математических наук Петков Валерий Борисович.

Лаборатория подземного сцинтилляционного телескопа

Первый научный объект Обсерватории — наземный экспериментальный зал «Эллинг» с установкой «Ковер» из 400 типовых сцинтилляционных счетчиков (ТСЧ) — был введен в эксплуатацию в 1973 году. Характеристики установки улучшались и в 1998 году в строй была введен «Ковер-2». В настоящее время проводится модернизация установки до версии «Ковер-3». Для этого площадь МД детектора уже доведена до 410 м², а число наземных ливневых пунктов будет увеличено до 39. В новой конфигурации установка будет иметь наилучшую чувствительность к потоку первичных гамма-квантов с энергиями в диапазоне 100 ТэВ – 1 ПэВ.

Баксанский подземный сцинтилляционный телескоп (БПСТ) представляет собой четырехэтажное здание размером 17х17 м и высотой 11 м, стены и перекрытия которого собраны из 3200 жидкостных сцинтилляционных детекторов. Полное количество сцинтиллятора в установке - около 330 тонн. БПСТ расположен в горной выработке объемом 12000 м³ на расстоянии 550 м от начала горизонтального тоннеля. Эффективная глубина, на которой находится телескоп, составляет 850 гг см^-2. Этот детектор мюонов и нейтрино является одним из первых детекторов так называемой подземной физики. БПСТ с самого начала был создан как комбинированный прибор для исследований в области физики нейтрино, астрофизики, и физики космических лучей.

Разработка и создание ливневой установки «Андырчи», проведение исследований спектра и массового состава космических лучей в диапазоне энергий 10¹³–10¹⁶ эВ на комплексе установок БПСТ — «Андырчи».

Установка расположена на склоне одноименной горы над Баксанским подземным сцинтилляционным телескопом (БПСТ) и состоит из 37 пластических сцинтилляционных детекторов площадью 1 м² каждый. Общая площадь установки 5 x 10⁴ м², ее центр находится на высоте 2050 м над уровнем моря. Установка способна работать как самостоятельный детектор ШАЛ и в комбинации с БПСТ для определения энергии ливней, ассоциированных с группами мюонов высокой энергии под землей.

Лаборатория низкофоновых исследований

Для решения ряда задач, в которых исследуются чрезвычайно редкие реакции и распады с энерговыделением, не превышающим ~ 4 МэВ, требуются условия, в которых не только фон космических лучей снижен до максимально возможного уровня, но одновременно до предела снижен фон ионизирующих излучений от распада естественных радиоактивных элементов в окружающей среде. Результат достигается экранированием экспериментальной подземной установки комбинированным слоем высокочистых защитных материалов, поглощающих эти излучения, и использованием высокочистых материалов в конструкции самой установки.

В БНО эти исследования проводятся в трех специально созданных подземных низкофоновых лабораторных помещениях (камерах):

• низкофоновая камера (НИКА) на расстоянии 385 м от входа;
• камера прецизионных измерений (КАПРИЗ) на расстоянии 620 м от входа;
• низкофоновая лаборатория глубокого заложения на расстоянии 3670 м от входа/

Поиск различных мод двойного бета-распада ряда изотопов, поиск частиц-кандидатов на «темную» массу Вселенной, проверка закона сохранения электрического заряда, поиск гипотетических частиц — аксионов, которые могут рождаться в ядерных реакциях на Солнце и др.

Лаборатория галлий-германиевого нейтринного телескопа

Комплекс лаборатории ГГНТ размещен на расстоянии 3600 м от устья горной штольни, где в толще горного массива (4700 м водного эквивалента) интенсивность мюонов от горных пород практически достигает минимума.

Галлий-германиевый нейтринный телескоп (ГГНТ) предназначен для проведения измерений потока солнечных нейтрино. Данные о потоке содержат уникальную информацию о протекании термоядерных реакций в центральных областях Солнца и о свойствах нейтрино.

Исследования на ГГНТ проводились в рамках Российско-Американского эксперимента SAGE (Soviet-American Gallium Experiment). Результаты первых измерений SAGE (1990–1992 гг.) показали значительное подавление потока солнечных нейтрино во всем энергетическом диапазоне и исключили возможность решение проблемы солнечных нейтрино в рамках только физики Солнца, и дали доказательство изменения ароматов (осцилляций) нейтрино на их пути из центра Солнца к Земле. Результаты эксперимента SAGE стали основополагающим вкладом в решение проблемы солнечных нейтрино.

Для проверки правильности результатов, полученных на ГГНТ в эксперименте SAGE, были проведены эксперименты с искусственными источниками нейтрино. Галлиевые мишени были облучены источниками нейтрино на основе изотопов ⁵¹Сr и ³⁷Ar, полученных в ядерных реакторах. Средневзвешенное значение отношения измеренной скорости образования ⁷¹Ge к ожидаемой величине, вычисленной на основе мощности источников, оказалось неожиданно низким, более чем на два стандартных отклонения меньше единицы. Этот результат получил название «галлиевая аномалия».

В поисках объяснения галлиевой аномалии, как и аномалий, наблюдаемых в ускорительных и реакторных нейтринных экспериментах, внимание мирового научного сообщества сконцентрировалось на гипотезе существования стерильных нейтрино. В эксперименте BEST (Baksan Experiment on Sterile Transitions) проводится исследование осцилляционных переходов электронных нейтрино от компактного высокоинтенсивного искусственного источника в стерильные нейтрино на очень коротких расстояниях, не доступных для других проектов.

Лаборатория астрофизики и физики космических лучей (ЛАФКЛ)