Научные исследования по нейтринной астрофизике и физике космических лучей в ИЯИ РАН

Научные исследования по нейтринной астрофизике и физике космических лучей в ИЯИ РАН

I. Научно-экспериментальная база.

Экспериментальные установки ИЯИ РАН обеспечивает возможность проведения фундаментальных исследований по многим актуальным направлениям нейтринной астрофизики и физики космических лучей.

Среди этих установок следующие:

¨  Баксанский подземный сцинтилляционный телескоп БПСТ и нагорная установка АНДЫРЧИ.

¨  Комплекс наземных установок Баксанской нейтринной обсерватории КОВЁР (включающий в себя Большой мюонный детектор, сцинтилляционный телескоп, нейтронный монитор), предназначенный для исследования жёсткой компоненты космических лучей и широких атмосферных ливней и галлий-германиевый детектор солнечных нейтрино.

¨  Глубоководный нейтринный телескоп НТ-200+ на озере Байкал

¨  Российско–итальянский подземный нейтринный телескоп LVD (Гран Сассо, Италия) один из лучших в мире) и подземная установка КОЛЛАПС (Украина).

Следует отметить, что все вышеперечисленные установки являются установками мирового класса и, по-сути, являются экспериментальной базой для крупных международных исследований.

Институт принимает участие в следующих международных проектах:

¨  Российско-американский эксперимент SAGE по измерению потока солнечных нейтрино на Галлий-германиевом нейтринном телескопе Баксанской нейтринной обсерватории ИЯИ РАН

¨  Международная коллаборация BAIKAL по исследованию природных потоков частиц высоких энергий на Байкальском глубоководном нейтринном телескопе НТ-200+ ИЯИ РАН

¨  Международный проект «Физика космических лучей и редких распадов. Подземный нейтринный комплекс Гран Сассо»

II Основные научные результаты, полученные на экспериментальных установках в последнее время

На галлий-германиевом нейтринном телескопе Баксанской нейтринной обсерватории ИЯИ РАН в международном эксперименте SAGE из анализа 15-летних измерений получена скорость захвата полного потока солнечных нейтрино на металлическом галлии. Полученная величина с учётом результатов других экспериментов с солнечными нейтрино даёт прямое экспериментальное доказательство термоядерной природы энергии Солнца и наличия осцилляций нейтрино в веществе.

Произведена калибровка Галлий-германиевого нейтринного телескопа Баксанской нейтринной обсерватории ИЯИ РАН при помощи искусственного аргонового источника монохроматических нейтрино. Измерена скорость захвата нейтрино на металлическом галлии, оказавшаяся равной 0.79 от расчётной. Объединённый анализ результатов четырёх выполненных к настоящему времени экспериментов с искусственными источниками нейтрино на галлий-германиевых телескопах указывает на то, что величина сечения захвата нейтрино на 71Ga завышается.

В эксперименте на Байкальском нейтринном телескопе НТ-200 ИЯИ РАН получено новое, одно из двух наиболее сильных на сегодняшний день ограничений на интенсивность природного диффузного потока нейтрино всех типов (умноженного на квадрат энергии), которое составляет менее 1·10-6·ГэВ нейтрино на см2 cек ср в диапазоне энергий от 10 ТэВ до 10 ПэВ, а также ограничение на поток электронных антинейтрино с энергией в области W-резонанса E=6.3.ПэВ, составляющее менее 4.2·10-20 нейтрино на см2 cек ср ГэВ. Весной 2006 года завершён монтаж и введён в эксплуатацию глубоководный нейтринный телескоп НТ200+ с эффективным объёмом 107 куб м (для регистрации событий от нейтрино с энергией порядка 10 ПэВ), что позволит Байкальскому нейтринному эксперименту сохранить на ближайшие годы лидирующие (наряду с экспериментом АМАНДА на Южном полюсе) в мире позиции в задаче исследования природного диффузного потока нейтрино в диапазоне энергий от 100 ТэВ до 100 ПэВ (ИЯИ РАН, НИИПФ ИГУ, НИИЯФ МГУ, ОИЯИ).

В течение 14 лет поиска нейтринных всплесков от коллапсирующих звезд на Детекторе большого объёма (LVD, ИЯИ РАН - Италия) гравитационных коллапсов в Галактике и Магеллановых облаках не обнаружено. С учётом данных детекторов «Коллапс»(1977, ИЯИ РАН), БПСТ(1978, ИЯИ РАН), LSD(1984, ИЯИ РАН - Италия) и LVD(1991) верхний предел частоты коллапсов в Галактике меньше одного события за 12 лет на 90% уровне достоверности.

Впервые изучены характеристики нейтронных потоков, генерируемых мюонами космических лучей под землёй на глубине 3300 м. в.э.: измерены энергетический спектр нейтронов до энергий 300 МэВ; пространственное распределение вплоть до расстояния 22 метров от трека мюонов. Экспериментальные данные, полученные с помощью детектора LVD (ИЯИ РАН – Италия), совместно с результатами, полученными на глубинах 25, 316, 570 м. в.э. на детекторах «Коллапс» ИЯИ РАН и LSD (ИЯИ РАН – Италия, глубина 5700 м. в.э.), подтверждают теорию генерации ядерно–активной компоненты под землёй, разработанную в 1964-65 гг.

Во второй половине августа 2006 года на детекторах LVD и OPERA в Gran Sasso, Италия успешно зарегистрирован пучок нейтрино, пропущенный сквозь землю из CERN на расстояние 732 км. (ИЯИ РАН в международной коллаборации, проект CNGS). Пучок и детекторы работают очень хорошо, в соответствии с расчётами. Регистрируются сотни нейтринных событий в сутки. Этот европейский нейтринный проект с длинной базой позволит досконально исследовать параметры нейтринных осцилляций - одной из самых животрепещущих тем современной физики, определяющей наши представления о природе как элементарных частиц, так и эволюции Вселенной.

Следует особо отметить, что высокие научные достижения ИЯИ РАН по данной проблематике стали возможным благодаря становлению, развитию и укреплению научных школ мирового уровня академика Георгия Тимофеевича Зацепина и академика Александра Евгеньевича Чудакова.

В настоящее время эти ведущие научные школы имеют государственную поддержку – они прошли конкурсный отбор и включены в список ведущих научных школ России:

«Нейтринная астрофизика и исследование внутреннего строения Солнца, динамики образования сверхновых звёзд, свойств мюонов высоких энергий и нейтрино и взаимодействий частиц высоких и сверхвысоких энергий» ( рук. школы – )

а также школа «Исследование характеристик потоков ядер, гамма-квантов и нейтрино высоких и сверхвысоких энергий первичного космического излучения. Поиск новых частиц и редких распадов» (руководители школы: и Домогацкий Гргорий Владимирович).

III. Взаимосвязь научных исследований, образования и подготовки научных кадров

Институт активно участвовал в реализации программы «Интеграция науки и высшей школы», взаимодействуя с такими ведущими вузами страны как МГУ, МФТИ, МИФИ, Иркутский, Ростовский и Кабардино-Балкарский государственные университеты.

С 2000 года в ИЯИ РАН работает Научно - образовательный центр, который объединяет подготовку высококвалифицированных научных кадров - студентов, дипломников, аспирантов, - в различных научных подразделениях Института, на уникальных научных установках Института, на основе всемирно известных научных школ, сложившихся в ИЯИ РАН. Состав НОЦ ИЯИ РАН:

ИЯИ РАН является базой кафедры «Фундаментальные взаимодействия и космология» Факультета проблем физики и энергетики МФТИ, заведует которой директор Института академик . ИЯИ РАН является базой кафедр Физического факультета МГУ «Квантовая статистика и теория поля», «Физика атомного ядра и квантовой теории столкновений», «Космические лучи и физика космоса», Совместная научно-образовательная лаборатория ИЯИ РАН и РГУ (Ростовский) «Астрофизика элементарных частиц», Совместная научно-образовательная лаборатория ИЯИ РАН и КБГУ (Кабардино-Балкарский) «Астрофизика и физика космических лучей», Аспирантура ИЯИ (пять научных специальностей).

Студенты старших курсов принимают участие в научных исследованиях, проводимых в Институте, защищают бакалаврские квалификационные работы, магистерские и кандидатские диссертации на основе своей научной работы в реальных современных физических исследованиях на переднем крае науки.

Ежегодно проводится школа-семинар молодых учёных «Фундаментальные взаимодействия и космология», собирающая студентов, аспирантов и молодых учёных различных вузов Москвы и других регионов России.

Институт организует совместную постоянную научную экспедицию на оз. Байкал с участием студентов МГУ, ИГУ (Иркутский), НГТУ (Нижегородский), СПГМТУ (Санкт-Петербургский)

Основная задача НОЦ ИЯИ РАН - подготовка молодых специалистов для работы в ИЯИ, научное руководство преддипломной и дипломной практикой студентов, научное руководство аспирантами. Основная тематика подготовки научных кадров – фундаментальные исследования в области физики элементарных частиц, астрофизики и космологии. Студенты старших курсов и аспиранты выполняют научную работу непосредственно в Институте. Более 30 научных сотрудников ИЯИ РАН участвуют в преподавательской деятельности непосредственно в Институте. В последние несколько лет НОЦ является основным источником молодых научных кадров для Института.

НОЦ ИЯИ РАН получает поддержку по программе Президиума РАН «Поддержка молодых учёных», по программе «Поддержка ведущих научных школ РФ», выигрывают конкурсы целевой программы РФ для ведущих научных школ. Молодые учёные Института получают гранты Президента РФ «Молодые учёные - кандидаты наук», гранты Фонда содействия отечественной науке «Лучшие учёные РАН», гранты фонда «Династия», стали победителями в конкурсе-экспертизе научных проектов молодых учёных РАН.

Институт способствует участию студентов и аспирантов в российских и крупных международных конференциях и школах, работе в международных коллаборациях в том числе зарубежных, за границей.

Ученый Совет ИЯИ РАН также уделяет этому вопросу внимание: на своих заседаниях он засушивал вопросы:

- о проблемах подготовки научных кадров высшей квалификации,

- о работе Научно-образовательного центра ИЯИ РАН, аспирантуры, профилирующих кафедр МФТИ и МГУ,

- о совместных лабораторий с РГУ и КБГУ на Кавказе;

- о возможности предоставления жилья молодым учёным;

- о присуждении стипендий ИЯИ РАН имени выдающихся академиков: , , и ; о проведении школы-семинара ИЯИ РАН для студентов и молодых учёных.

Следует отметить высокую активность ИЯИ РАН в вопросах интеграции науки и образования на региональном уровне.

Так, например, Баксанская нейтринная обсерватория на Северном Кавказе, известная своими достижениями мирового уровня, оказывает большое влияние на научную и культурную жизнь всего региона. Здесь Институт регулярно проводит представительную международную конференцию «Фундаментальные взаимодействия и космология» и участвует в организации сопутствующей школы для студентов вузов России. Здесь Институтом организованы совместные научно-образовательные лаборатории с Кабардино-Балкарским и Ростовским государственными университетами, студенты которых обучаются и участвуют в научно-исследовательской работе на уникальных установках Баксанской нейтринной обсерватории.

Байкальская нейтринная обсерватория с уникальным глубоководным нейтринным телескопом привлекает во время ежегодных весенних научных экспедиций молодых учёных и студентов Иркутского государственного университета. Проведение, помимо фундаментальных исследований по физике элементарных частиц, экологического мониторинга свойств байкальской воды вносит существенный вклад в расширение знаний о Байкале и антропогенном влиянии в регионе.

IV. Перспективное использование экспериментальной базы

Среди наиболее существенных задач современной физики являются

является обнаружение частиц невидимой материи и поиск геонейтрино.

Имеющаяся экспериментальная база ИЯИ РАН с успехом может быть использована для работ в этих направлениях.

1. Поиск невидимой материи.

Частицы невидимой материи должны чрезвычайно слабо взаимодействовать с обычным веществом. В связи с этим их прямая регистрация, если она вообще возможна, представляет собой сложнейшую задачу экспериментальной физики. Весьма перспективным является другой путь к обнаружению частиц невидимой материи, связанный с поиском продуктов их аннигиляции в центре Земли, Солнца или центре Галактики. Среди этих продуктов должны быть нейтрино довольно высоких энергий (миллиарды – сотни миллиардов электронвольт), которые в свою очередь крайне слабо взаимодействуют с веществом и проходят сквозь Землю или Солнце практически без поглощения. Для регистрации нейтрино именно таких энергий предназначены крупномасштабные ядерно-физические установки – нейтринные телескопы, размещаемые в подземных лабораториях или глубоко под водой (льдом), где резко снижен уровень фона проникающего космического излучения.

Лидирующие позиции в этом направлении занимают Подземный сцинтилляционный телескоп Баксанской нейтринной обсерватории ИЯИ РАН, подземный черенковский детектор Супер-Камиоканде (Япония), Байкальский глубоководный нейтринный телескоп и подледный детектор АМАНДА на Южном полюсе. Существенно, что эти установки дополняют друг друга, поскольку они предназначены для регистрации нейтрино в разных областях энергий.

Предлагается существенное развитие Байкальского глубоководного нейтринного телескопа и модернизация подземного сцинтилляционного телескопа БНО ИЯИ РАН с целью значительного расширения их возможностей по решению проблемы невидимой материи.

2. Поиск геонейтрино

Высокая значимость задачи изучения потока антинейтрино от распадов элементов уранового и ториевого рядов для определения общего содержания этих элементов в Земле, для получения информации о распределении источников радиогенного тепла в глубоких слоях земной коры, мантии и центральных областях Земли была осознана еще в 60-е годы. В настоящее время успехи в развитии техники больших подземных нейтринных детекторов позволяют в практическом плане поставить на повестку дня вопрос о создании на Баксанской нейтринной обсерватории ИЯИ РАН большого сцинтилляционного спектрометра типа KamLand для изучения природных потоков нейтрино земного происхождения.

Первые признаки существования потока антинейтрино с ожидаемым уровнем интенсивности, по-видимому, уже обнаружены в эксперименте KamLand (Япония). Стало очевидным, что для уверенного выделения сигнала от земных антинейтрино необходим детектор большего объема, расположенный на большей глубине и в районе с более низким уровнем фона от атомных реакторов. Более того, серьёзная постановка задачи изучения распределения элементов уранового и ториевого рядов в земных недрах требует проведения измерений в нескольких точках Земли с различающейся геологической структурой.

По совокупности этих обстоятельств становится очевидной актуальность задачи создания на БНО ИЯИ РАН, где уровень антинейтринного фона от реакторов значительно (на порядок) меньше и глубина размещения детектора может быть значительно больше (~5000 м. в.э.), чем в KamLand, низкофонового низкопорогового детектора на основе жидкого сцинтиллятора с массой несколько килотонн. Наряду с решением своей основной задачи такой детектор позволит провести изучение низкоэнергичной компоненты солнечных и атмосферных нейтрино, исследовать изотропную составляющую природного потока нейтрино малых энергий во Вселенной, вести поиск всплесков нейтринного излучения от гравитационных коллапсов звезд и исследовать динамику таких процессов как в нашей Галактике, так и в ее окрестности.

Планом совместных работ РНЦ “Курчатовский институт” и ИЯИ РАН предусматривается разработка к 2010 году рабочих проектов спектрометра, систем заполнения и очистки сцинтиллятора, подземного помещения для спектрометра, электронной системы сбора и обработки информации.

V. Выводы

1. Научные исследования по нейтринной астрофизике и физике космических лучей проводятся в ИЯИ РАН на высоком мировом уровне, о чем свидетельствуют достигнутые научные результаты.

2. Руководству ИЯИ РАН и его сотрудникам за последние годы удалось не только сохранить и поддерживать на необходимом уровне дорогостоящие экспериментальные установки, но и существенно укрепить их.

3.Следует приветствовать и поддерживать работы ИЯИ РАН в таких новых перспективных направлениях современной физики как поиск невидимой материи и геонейтрино.

Член комиссии,

доктор физико - математических наук

2 декабря 2006 г.