Фундаментальные исследования в области ядерной физики и физики частиц

Текущая организация исследований в области физики атомного ядра направлена на изучение структуры и формы экзотических ядер (ядер далеких от линии стабильности), на происки эффективных подходов к микроскопическому описанию ядера основе их квантовых и статистических свойств, а также на создание и обновление ядерных баз данных для разработок перспективных ядерных технологий и для ядерной астрофизики. В экспериментах на циклотронах НИЦ "Курчатовский институт" и Университета Ювяскуля (Jyvaskyla, Финляндия), а также на ускорительном комплексе в GSI (Дармштадт, Германия) были проведены исследования особенностей структуры и электромагнитной диссоциации экзотических легких ядер, проведен поиск состояний с аномальными радиусами, выполнено изучение ядерных реакций, в том числе механизмов ядерных реакций с полутяжелыми ионами. Ведется плодотворное сотрудничество с ОИЯИ с использованием нового экспериментального оборудования.

Проводятся работы в области квантовой нуклеоники с приложением к задаче генерации когерентных пучков ядерно-резонансных фотонов с использованием синхротронного излучения. С участием сотрудников НИЦ "Курчатовский институт" созданы несколько прототипов источников в Европейском (ESRF) и Японском (Spring8) Центрах синхротронного излучения, где уже проводятся уникальные эксперименты по исследованию вещества в экстремальных условиях.

Активно ведутся теоретические работы по нахождению основных характеристик ядер в рамках самосогласованной теории конечных ферми-систем, по описанию реакций и распадов в мезоатомных и ядерных системах, а также радиоактивности ядер на границах нуклонной стабильности, специальными методами квантовой теории нескольких тел.

Центральные задачи исследований в области физики элементарных частиц направлены на расширение Стандартной модели (СМ) фундаментальных частиц и их взаимодействий, т.е. поиск новых частиц, взаимодействий и эффектов за рамками СМ. Сегодня имеются твердо установленные наблюдаемые факты: барионная асимметрия Вселенной, малость масс нейтрино, существование темной материи и другие, которые СМ не в состоянии объяснить. Экспериментальные работы ученых НИЦ "Курчатовский институт" в этой области сосредоточены, в основном, на исследованиях в мегапроектах LHCb и ALICE на Большом адронном коллайдере (CERN, Швейцария).

В эксперименте LHCb – предполагается изучить причины исчезновения антиматерии после Большого взрыва, и выживания материи, составляющей вещество современной Вселенной. Основная цель этих исследований состоит в поиске ответа на вопрос о различиях между динамикой материи и антиматерии (CP-симметрия). В период работы эксперимента был получен ряд первоклассных результатов в области физики адронов, в особенности, содержащих b-кварк и его антикварк, динамика которых наиболее чувствительна к нарушению СР-симметрии. Для долгосрочного функционирования детектирующего комплекса LHCb и подготовки его масштабной модернизации, проводится замена внешнего трекового детектора (проект SciFi). Новый внешний трекер создается на основе модулей, собранных из сцинтилляционных оптических волокон, сигнал с которых считывается многоканальными кремниевыми фотоумножителями (SiPM). Сооружение трекового детектора большой площади (более 400 м².) осуществляется впервые на площадке НИЦ "Курчатовский институт". В 2017-19 гг. уже изготовлено и поставлено в CERN 138 модулей (на что ушло более миллиона метров оптического волокна). Детекторы подобного дизайна со временем могут стать новым стандартом трековых детекторов в физике высоких энергий.

Основной задачей экспериментальных работ в мегапроекте ALICE является детальное изучение кварк-глюонной материи в ядро-ядерных и протон-ядерных столкновениях при сверхвысоких энергиях. Цель исследований состоит в изучении свойств ядерной материи в экстремальных условиях, воспроизводящих параметры первых мгновений Вселенной после гипотетического Большого взрыва. В НИЦ "Курчатовский институт"  в ходе выполнения проекта была разработана технология и внедрено производство кристаллов вольфрамата свинца, на основе которых был сооружен уникальный спектрометр PHOS, являющийся одним из основных компонентов детектирующего комплекса ALICE.  PHOS - это электромагнитный калориметр с высоким разрешением, который детектирует фотоны, испущенные чрезвычайно горячей плазмой, создаваемой в ядерных столкновениях на LHC.

Теоретические исследования в этой области направлены на изучение свойств плотной сильно взаимодействующей материи, формирующейся в ядерных столкновениях. Ведется поиск характеристик, чувствительных к образованию кварк-глюонной плазмы, проводится моделирование ядро-ядерных столкновений при релятивистских и ультрарелятивистских энергиях.

Физика нейтрино и астрочастиц – это ключевая область физики элементарных частиц, которая объединяет фундаментальные исследования свойств нейтрино и частиц космического происхождения, а также междисциплинарные исследования в области астрофизики, космологии, геофизики и прикладные работы с использованием нейтринного излучения. В области физики нейтрино и слабых взаимодействий в последние годы сделаны крупнейшие открытия: получены убедительные доказательства массивности нейтрино, смешивания и осцилляций нейтрино разных поколений и, таким образом, впервые найдены явления, расширяющие Стандартную модель физики частиц.

Особенностью этого направления является разработка и внедрение высокочувствительных методов детектирования ядерных излучений, основанных на разработке новейших технологий. Их использование открывает перспективы наиболее актуальных сегодня экспериментальных исследований, среди которых поиски и изучение Темной материи. Другая тенденция внедрения нейтринных методов связана с решением научных и тических задач атомной отрасли, наук о Земле, физики Солнца и пр.

Текущая деятельность ученых НИЦ "Курчатовский институт" сосредоточена на фундаментальных, междисциплинарных и прикладных исследованиях в нескольких международных проектах с использованием совместной экспериментальной базы в зарубежных лабораториях (эксперименты Double Chooz, Borexino, DarkSide, GERDA/LEGEND) и на реализации крупных отечественных проектов (iDREAM, RED-100). Проводится разработка новых исследований на ускорительном комплексе У-70.

Целью фундаментальных исследований в экспериментах является изучение нейтринных осцилляций в вакууме и веществе; проверка фундаментальных симметрий, изучение масс и природы нейтрино, поиск новых состояний нейтрино и частиц Темной материи. Важное место занимают теоретические и расчетные работы, направленные на  построение более фундаментальной модели частиц и их взаимодействий. Изучаются  астрофизические аспекты физики ядра и элементарных частиц: моделирование неравновесных процессов в ходе эволюции звёзд, описание ядерной материи при взрывах сверхновых и при слиянии нейтронных звезд, поиск астрофизических эффектов, обусловленных взаимодействием обычного вещества с тёмной материей.

В последние годы были достигнуты определенные успехи в области нейтринной астрофизики и гео-физики. Были развиты прецизионная спектроскопия солнечных нейтрино и техника мониторирования вспышек Сверхновых, зарегистрированы потоки гео-нейтино,  допускающие оценки радиогенной составляющей в тепловом балансе Земли. В интересах атомной отрасли проводится разработка нейтринного метода контроля энерговыработки, выгорания и состава топлива ядерных реакторов, в том числе, для технической поддержки гарантий нераспространения.