Байкал PR В ожидании нейтрино От Байкала до центра Галактики

Астрофизика в ИЯИ РАН
Материалы к обсуждению на заседания рабочей группы по направлению "Инфраструктура научных исследований" при Совете при Президенте РФ по науке и образованию по вопросу развития научных исследований в области астрономии и астрофизики;
поставленные вопросы:

1. Состояние сектора астрономии и астрофизики в России:
   - количество научных организаций, работающих в области астрономии и астрофизики, в том числе в разрезе организационно-правовых форм (возможно с региональной привязкой);
   - научно-исследовательская инфраструктура, в том числе, количество уникальных научных установок (УНУ), центров коллективного пользования (ЦКП);
   - персонал, занятый исследованиями и разработками в области астрономии и астрофизики, в том числе по категориям и учёным степеням исследователей;
2. Финансовые инструменты поддержки исследований в области астрономии и астрофизики в Российской Федерации (с указанием общих объёмов финансирования по каждому финансовому инструменту поддержки; объёмов финансирования, потраченных и планируемых на создание и поддержание исследовательской инфраструктуры по каждому финансовому инструменту поддержки);
3. Основные мировые тенденции развития астрономии и астрофизики и место Российской Федерации в каждой из мировых тенденций;
4. Наиболее значимые результаты научно-исследовательских работ в области астрономии и астрофизики, полученные в России за последние 3-5 лет, и ожидаемые в перспективе результаты;
5. Актуальные проблемы, требующие решения, в области астрономии и астрофизики.
6. Дополнение.

Состояние сектора астрономии и астрофизики в России:

Исследования в области нейтринной астрофизики занимают важнейшее место в научной программе Института ядерных исследований РАН (ИЯИ РАН). Результаты исследований, выполненных на Баксанской и Байкальской нейтринных обсерваториях ИЯИ РАН,Артёмовской Научной станции ИЯИ РАН, хорошо известны в мире, являются существенным вкладом в актуальные научные направления, определяя в ряде из них мировой уровень. ИЯИ РАН является головной организацией нескольких российских и международных коллабораций, основной из которых является Российско-итальянская коллаборация LVD, выступает полноправным участником важнейших международных экспериментов.

Проведение на территории России планируемых экспериментов фундаментальной значимости имеет исключительно важное значение, так как они будут способны своей актуальностью и перспективностью содействовать развитию уникальных национальных научных школ, подготовке учёных и специалистов высочайшей квалификации, возврату научных приоритетов в области, где сохранен научно-технический задел для быстрого развития.

Укрепление инфраструктуры Баксанской и Байкальской нейтринных обсерваторий ИЯИ РАН станет ключевым этапом развития Института, окажет серьезное положительное влияние на развитие других организаций, таких как, Иркутский государственный университет, Объединённый институт ядерных исследований (г.Дубна), Южный федеральный университет, Кабардино-Балкарский государственный университет, вновь привлечёт к участию в экспериментах на территории России ведущих зарубежных учёных.

- количество научных организаций, работающих в области астрономии и астрофизики, в том числе в разрезе организационно-правовых форм (возможно с региональной привязкой);

ИЯИ РАН (Москва) с Баксанской нейтринной обсерваторией (Кабардино-Балкария, СКФО) и Байкальской нейтринной обсерваторией (Иркутская область, оз. Байкал, ДВФО) в сотрудничестве с ОИЯИ (Дубна), ИГУ (Иркутск), НИИЯФ МГУ (Москва), СП МГТУ (Санкт Петербург), НН ГТУ (Нижний Новгород), КБГУ Кабардино-Балкария). Южный Федеральный исследовательский ниверситет (Ростов), Терскольский филиал Института астрономии РАН (ТФ ИНАСАН).

- научно-исследовательская инфраструктура, в том числе, количество уникальных научных установок (УНУ), центров коллективного пользования (ЦКП);

Исследования в ИЯИ РАН в области астрофизики проводятся по двум направлениям, определенных уставом ИЯИ РАН:
1) нейтринная астрофизика, нейтринная и гамма-астрономия, физика космических лучей, проблема солнечных нейтрино;
2) разработка и создание нейтринных телескопов в низкофоновых подземных лабораториях и глубоко под водой для исследования природных потоков нейтрино и других элементарных частиц.

В этих исследованиях занято 4 подразделения ИЯИ РАН:
- Отдел теоретической физики,
- Лаборатория нейтринной астрофизики высоких энергий,
- Отдел лептонов высоких энергий и нейтринной астрофизики,
- Баксанская нейтринная обсерватория.

В данных направлениях в ИЯИ РАН сложились две признанные научные школы со 116 исследователями, действует Научно-образовательный центр с 6 базовыми кафедрами, кафедра аспирантуры, диссертационный совет.

Уникальные научные установки:
* Байкальский глубоководный нейтринный телескоп ИЯИ РАН.
Балансовая стоимость 102 766 000 рублей;
* Баксанская нейтринная обсерватория ИЯИ РАН с комплексом экспериментальных установок:
- Галлий германиевый нейтринный телескоп (ГГНТ) – размещён в низкофоновой подземной камере на глубине 4700 метров водного эквивалента, 60 тонн металлического галлия ;
- Баксанский подземный синтилляционный телескоп (БПСТ) – камера объёмом 12 тыс куб м, минимальная глубина 850 метров водного эквивалента, 330 тонн жидкого органического сцинтиллятора;
- установка «Андырчи» - установка для регистрации широких атмосферных ливней космических лучей площадью 10000 кв. м., расположенная на поверхности горы непосредственно над БПСТ (расстояние по вертикали 300 м);
- установка «Ковёр» для изучения космических лучей, в составе которой сцинтилляционный Ковер площадью 200 кв. м. с шестью выносными пунктами общей площадью 54 кв. м., мюонный детектор площадью 450 кв.м. и нейтронный супермонитор.
- Низкофоновая лаборатория с несколькими камерами на разных глубинах (до 3000 м) и набором детекторов для измерения микроколичеств радиоактивных примесей в ультрачистых веществах, для поиска сверхредких процессов.
Балансовая стоимость – 1 088 067 510 рублей.
- Артёмовский Сцинтилляционный Детектор (АСД) – камера в соляной шахте на минимальной глубине 570 м в.э., 105 тонн жидкого органического сцинтиллятора.
- LVD – Российский детектор в Лаборатории Гран Сассо, 2-х килотонный железно-сцинтилляционный калориметр, разработанный, изготовленный в России, привезённый в Италию и размещённый в низкофоновых подземных помещениях в Лаборатории Гран Сассо. Средняя глубина грунта – 3650 м в.э.

Центры коллективного пользования:
* Баксанская нейтринная обсерватория
* Байкальская нейтринная обсерватория ИЯИ РАН

- персонал, занятый исследованиями и разработками в области астрономии и астрофизики, в том числе по категориям и учёным степеням исследователей;

Подготовка астрофизиков в КБГУ

Финансовые инструменты поддержки исследований в области астрономии и астрофизики в Российской Федерации (с указанием общих объёмов финансирования по каждому финансовому инструменту поддержки; объёмов финансирования, потраченных и планируемых на создание и поддержание исследовательской инфраструктуры по каждому финансовому инструменту поддержки);

Исследования в ИЯИ РАН выполняются и финансируются
- по программе (госзадание) фундаментальных научных исследований государственных академий наук на 2013-2020 годы –17 тем по астрофизическим исследованиям (направление 15 "Современные проблемы ядерной физики, в том числе физики элементарных частиц и фундаментальных взаимодействий, включая физику нейтрино и астрофизические и космологические аспекты, а также физики атомного ядра, физики ускорителей заряженных частиц и детекторов, создание интенсивных источников нейтронов, мюонов, синхротронного излучения и их применения в науке, технологиях и медицине" и направлению 16 «Современные проблемы астрономии, астрофизики и исследования космического пространства»;
- по инициативным исследовательским проектам, поддерживаемых целевым финансированием фондов РНФ, РФФИ, Минобрнауки РФ;
- внебюджетным финансированием в рамках научных коллабораций;
- вкладов иностранных организаций.

Финансирование по двум направлениям исследований за 2014 год:

Основные мировые тенденции развития астрономии и астрофизики и место Российской Федерации в каждой из мировых тенденций;

Одно из ключевых направлений развития современной астрофизики связано с исследованиями в области астрономии очень высоких энергий. Основным и наиболее перспективным подходом здесь является так называемый «метод многих носителей» (multimessenger approach; русскоязычный термин не устоялся), предполагающий одновременное использование информации от гамма-квантов, нейтрино и космических лучей высоких и сверхвысоких энергий в изучении астрофизических объектов и процессов. Поскольку потоки астрофизических фотонов, нейтрино и заряженных частиц падают с ростом энергии, этот подход предполагает использование крупных установок с большой, а порой гигантской, апертурой и экспозицией. Только таким способом можно получить информацию о наиболее энергичных процессах, идущих во Вселенной (в том числе в активных ядрах галактик, остатках сверхновых, крупномасштабных ударных волнах и т.д.). Современная астрономия высоких энергий решает также ряд задач фундаментальной физики, связанных с поиском частиц тёмной материи; описанием адронных взаимодействий при энергиях, существенно превышающих достижимые на Большом адронном коллайдере; решением ряда проблем Стандартной модели элементарных частиц; проверкой подходов к описанию сильной гравитации в окрестностях чёрных дыр и т.д. Это позволяет говорить о новой междисциплинарной области знания, астрофизике частиц, включающей в себя описанные области. Эта молодая область науки характеризуется бурным развитием и рядом прорывных результатов, одним из наиболее известных из которых является открытие в 2013 году высокоэнергичных нейтрино астрофизического происхождения международным экспериментом IceCube на Южном полюсе. Мировое научное сообщество уделяет серьезное внимание этой области, в которую сейчас интенсивно вкладываются средства в Европе (напр., координационная программа ASPERA), США, Японии и Китае.

В нейтринной астрофизике наша страна традиционно занимает одно из ведущих мест в мире. Здесь были предложены, разработаны и впервые применены многие методы детектирования природных потоков нейтрино, получены результаты, на десятилетия определившие развитие этой области. Сегодня в России в составе ИЯИ РАН функционируют уникальные экспериментальные комплексы – Байкальская и Баксанская нейтринные обсерватории, позволяющие развивать на мировом уровне исследования по всему спектру проблем нейтринной астрофизики, астрофизики космических лучей и гамма-астрономии.

Область наиболее высоких энергий нейтрино (свыше 1ТэВ). Мощный толчок развитию этого направления исследований дало открытие в экспериментах на антарктическом нейтринном телескопе IceCube в 2013 году первых нейтрино высоких энергий, родившихся за пределами солнечной системы. На Байкальской нейтринной обсерватории весной 2015 года успешно введён в строй первый структурный модуль создаваемого глубоководного нейтринного телескопа Байкал-GVD с рабочим объёмом водной массы порядка кубического км, который уже сам по себе представляет собой сегодня один из трех крупнейших в мире нейтринных телескопов (наряду с антарктическим IceCube и европейским ANTARES в Средиземном море). Проработанность проекта и успешный опыт создания на оз.Байкал нейтринных телескопов первого поколения позволяют рассчитывать на то, что в ближайшие 5-6 лет его рабочий объём будет доведён до уровня, сравнимого с детектором IceCube. Вместе с ним и средиземноморской установкой KM3NеT (если проект последней будет реализован), детектор Байкал-GVD составит единую международную сеть нейтринных телескопов, обеспечивающую равномерное покрытие всего неба в задаче исследования астрофизических нейтрино. Понимая необходимость тесного взаимодействия в решении научных и технических вопросов и учитывая, что только глубоководные детекторы Северного полушария способны обеспечить хорошее угловое разрешение большей части событий от астрофизических нейтрино, руководители всех трех проектов подписали в 2013 году соглашение о создании консорциума «Глобальная нейтринная обсерватория».

Область энергий нейтрино порядка МэВ. Единственная в России (и одна из двух в мире) разветвленная сеть подземных специализированных лабораторных помещений Баксанской нейтринной обсерватории обеспечивает оптимальные условия для развития исследований этой области спектра нейтринного излучения. Здесь функционирует Баксанский поземный сцинтилляционный телескоп, на котором были зарегистрированы нейтрино при гравитационном коллапсе ядра Сверхновой 1987А, здесь работает Галлий-германиевый нейтринный телескоп, на котором был исследован поток нейтрино, генерируемых в реакции водородного цикла на Солнце, внесен во многом определяющий вклад в решение проблемы солнечных нейтрино и созданы предпосылки для постановки уникального эксперимента по поиску стерильных нейтрино – одного из возможных кандидатов на роль частиц тёмной материи. Однако бурное развитие в мире этого нового экспериментального направления, так называемой «подземной нейтринной физики», привело к созданию группы подземных детекторов нового класса в Италии, Японии, Канаде, Китае, которые обладают несоизмеримо большими возможностями в задаче поиска всплесков нейтринного излучения при гравитационных коллапсах звёзд. На детекторе LSD, прототипе LVD, впервые в мире был зарегистрирован сигнал от нейтринного излучения (электронные нейтрино) сверхновой SN1987A. Позиции России в этом важнейшем направлении исследований будут целиком определяться темпом реализации проекта создания в подземной выработке Баксанской нейтринной обсерватории на глубине 4800 метров водного эквивалента сцинтилляционного детектора с массой рабочего вещества до десятков килотонн, который в настоящее время разрабатывается в ИЯИ РАН. Помимо чисто астрофизических, такой детектор будет определять мировой уровень в решении ряда междисциплинарных задач на стыке физики частиц, астрофизики и геофизики.

Астрофизика космических лучей высоких энергий. Запутанность траекторий заряженных частиц с энергией ниже 10^19.5 эВ в магнитном поле Галактики определяет нижнюю границу энергетического диапазона в котором можно говорить об астрономии космических лучей. В мире существуют лишь два мощных экспериментальных комплекса для исследований в этой области энергий - Обсерватория им. Пьера Оже в Аргентине и Telescope Array в США. В настоящее время не проглядываются перспективы создания таких гигантских установок в России и следует идти по пути расширения поддержки участия специалистов ИЯИ РАН в работе установки Telescope Array.

Гамма-астрономия высоких энергий, оперирующая наземными установками. Здесь ситуация в России достаточно плачевна. Российские ученые не участвуют в работе ни одного из современных наземных гамма-телескопов, работающих в диапазоне энергий 100 ГэВ – 100 ТэВ (как черенковских - HESS, VERITAS, MAGIC и др., так и постоянного действия - HAWC). Отсутствуют и планы участия в крупном международном проекте CTA (Cerenkov Telescope Array). Безусловно, представляется необходимым создание собственной российской гамма-обсерватории нового поколения, определяющей мировой уровень исследований в этой области. Такой проект может быть реализован совместно ФТИ им. Иоффе РАН и ИЯИ РАН в Приэльбрусье, с использованием инфраструктуры и кадрового потенциала Баксанской нейтринной обсерватории (проект «ЭГО»: Эльбрусская гамма-обсерватория). Проектная чувствительность этой установки, сочетающей низкопороговый наземный черенковский детектор (5 ГэВ – 1 ТэВ) и сцинтилляционный детектор большой площади (0.1-100 ТэВ), в области 5-50 ГэВ будет лучшей в мире даже после запуска CTA, а при более высоких энергиях - сравнима с самыми амбициозными мировыми проектами, CTA и LHAASO. Эта обсерватория будет служить центром коллективного пользования для всего сообщества российских астрофизиков, работающих в области гамма-астрономии высоких энергий. Ориентировочная стоимость проекта 6,5 миллиардов рублей, срок реализации - 6 лет.

Наиболее значимые результаты научно-исследовательских работ в области астрономии и астрофизики, полученные в России за последние 3-5 лет, и ожидаемые в перспективе результаты;

В области астрофизики частиц, нейтринной и гамма-астрономии:

1) В Байкальском и Баксанском нейтринных экспериментах проведён анализ данных по детектированию нейтрино высоких энергий, направленный на решение проблемы тёмной материи во Вселенной – одной из фундаментальных проблем современного естествознания. По измеренному потоку нейтрино, приходящих в направлении от Солнца, получено одно из лучших в мире ограничений на величину эффекта, ожидаемого от аннигиляции массивных частиц тёмной материи, аккумулированных в центре Солнца (ИЯИ РАН в коллаборации Байкал).

2) Анализ углового распределения космических лучей с энергиями выше 57 ЭэВ, зарегистрированных за 5 лет наблюдения в обсерватории Telescope Array, показал наличие области на небесной сфере радиусом 20 градусов в созвездии Большая Медведица, в которую попадает 19 из известных 72 событий. Это «горячее пятно» может быть указанием на положение ближайшего к нам источника космических лучей предельно высоких энергий. (ИЯИ РАН в коллаборации Telescope Array).

3) На основе анализа большой выборки астрофизических источников гамма-излучения открыт, на уровне статистической достоверности 12.4 стандартных отклонения, эффект аномально высокой прозрачности Вселенной для гамма-излучения высоких энергий. Этот эффект может указывать на существование ранее неизвестной аксионоподобной частицы, предсказываемой в ряде расширений Стандартной модели (ИЯИ РАН).

4) По данным работы нейтринных телескопов ИЯИ РАН (Баксанский подземный сцинтилляционный телескоп, Артемовская научная станция) и российско-итальянской установки LVD (Гран Сассо, Италия) в течение 37 лет (1977-2014) получено самое строгое в мире экспериментальное ограничение на полную частоту нейтринных всплесков от гравитационных коллапсов звёзд в Галактике, в том числе в областях сильного поглощения, недоступных для наблюдения обычными методами (ИЯИ РАН).

5) В апреле 2015 года введён в эксплуатацию первый кластер гирлянд глубоководных регистрирующих модулей Байкальского нейтринного телескопа гигатонного объёма Baikal-GVD. Кластер представляет собой автономный нейтринный телескоп, чувствительность которого позволяет начать исследования потока астрофизических нейтрино (ИЯИ РАН в коллаборации Байкал).

6) Ожидается, что в 2015 году на основе разработанного учёными из ИЯИ РАН метода с использованием данных Telescope Array будут получены лучшие в мире ограничения на потоки астрофизических фотонов предельно высоких (выше 10¹⁹ эВ) энергий.

7) На установке «Ковёр-2» на Баксанской нейтринной обсерватории установлен и в 2015 году вводится в эксплуатацию уникальный мюонный детектор площадью 420 кв. м. Через год работы детектора (конец 2016 – 2017 г.) должна быть достигнута лучшая в мире чувствительность к астрофизическим фотонам с энергиями порядка 100 ТэВ (как для точечных источников, так и для диффузного фона). Этой точности будет достаточно для проверки нескольких основных сценариев галактического происхождения зарегистрированных IceCube нейтринных событий (ИЯИ РАН).

Актуальные проблемы, требующие решения, в области астрономии и астрофизики.

Некоторые из наиболее интересных актуальных проблем в области астрофизики частиц, нейтринной и гамма-астрономии:

1) Частицы тёмной материи и астрофизические проявлений расширений Стандартной модели элементарных частиц.
Пути решения в астрофизических наблюдениях:
- поиск сигналов от аннигиляции или распадов тёмной материи в чувствительных детекторах нейтрино (Байкал-GVD, Баксанский сцинтилляционный детектор большого объёма);
- изучение астрофизических проявлений новых элементарных частиц, в т.ч. аксионов, с помощью анализа спектров далёких объектов в диапазоне (1-100 ГэВ) (ЭГО);
- изучение детальных характеристик нейтринного сигнала при взрыве сверхновой с коллапсирующим ядром в нашей Галактике (Баксанский сцинтилляционный детектор большого объёма) ), LVD детектор (Гран Сассо, Италия), АСД (Артёмовск).

2) Происхождение астрофизических нейтрино высоких энергий, открытых в 2013 г. в экспериментах на детекторе IceCube.
Пути решения:
- создание и совместная эксплуатация нейтринных детекторов гигатонного масштаба с хорошим угловым разрешением, расположенных в Северном и Южном полушариях (Байкал-GVD и другие участники консорциума «Глобальная нейтринная обсерватория»);
- гамма-астрономия выше 10 ТэВ, с задачей регистрации сопутствующего фотонного излучения («Ковёр-2+», LHAASO).

3) Физические процессы, приводящие к сбросу оболочки при взрыве сверхновых с коллапсирующим ядром.
Пути решения:
- регистрация всех типов нейтрино от сверхновой типа II при взрыве таковой в нашей Галактике (ряд установок, в том числе АСД, LVD – способные детектировать все типы нейтрино, Баксанский сцинтилляционный детектор большого объёма);
- регистрация суммарного нейтринного потока от реликтовых сверхновых (только Баксанский сцинтилляционный детектор большого объёма).

4) Механизмы высокоэнергичного излучения пульсаров.
Пути решения:
- определение максимальной энергии излучения и формы обрезания спектра в области энергий выше 10 ГэВ (ЭГО).

5) Происхождение, свойства и взаимодействия наиболее энергичных частиц во Вселенной.
Пути решения:
- исследование анизотропии направлений прихода, состава, энергетического спектра космических частиц сверхвысоких (выше 10¹⁹ эВ) энергий; изучение структуры и развития рождаемых ими широких атмосферных ливней на установках с большой статистикой (ТАх4);
- поиск сопутствующего нейтринного и гамма-излучения при энергиях (10¹⁵-10¹⁸) эВ (Байкал-GVD, LHAASO).

Дополнение.

УФН 2013. Об экспериментах в подземной физике.

Состояние сектора астрономии и астрофизики в России

Российский детектор LVD в LNGS

Важнейшим направлением фундаментальных астрофизических исследований является нейтринная астрофизика промежуточных энергий 5 – 50 МэВ. Потоки нейтрино этого диапазона энергий связываются с гравитационным коллапсом ядра звезды в конце её эволюции, который сопровождается вспышкой сверхновой второго типа.

Центральной задачей экспериментальной нейтринной астрофизики является обнаружение редкого события – всплеска нейтринного излучения длительностью от единиц до нескольких десятков секунд. Возможная средняя частота гравитационных коллапсов в нашей Галактике – одно событие в 30 – 100 лет. Это задаёт долговременность проводимых экспериментов.

В Европе основным экспериментом по поиску нейтринных всплесков от коллапсирующих звёздных ядер является эксперимент на базе сцинтилляционного Детектора Большого Объема (LVD – Large Volume Detector), сцинтилляционные счётчики которого были разработаны, созданы в России и привезены в Италию. Детектор находится в подземной Лаборатории Гран Сассо Национального института ядерной физики Италии. LVD содержит около 1 кт жидкого сцинтиллятора и 1 кт железа, в силу чего он обладает уникальной способностью определять состав нейтринного всплеска. Это дает возможность решить основные проблемы явления сверхновой типа II – установить динамику коллапса звёздного ядра и механизм сброса оболочки звезды.

Сцинтилляционный метод регистрации нейтрино от гравитационного коллапса был разработан в ОЛВЭНА ИЯИ РАН. Именно таким методом был впервые зафиксирован поток нейтрино от Сверхновой 1987А в Большом Магеллановом Облаке на установке LSD, созданной в 1984 году в рамках научного сотрудничества с итальянскими физиками.

Детектор LVD представляет собой расширенный вариант установки LSD. Масса его сцинтилляционной и железосодержащей мишени превышает массу LSD в 12 раз. Детектор обладает рекордным эффективным временем работы 99% при пороге регистрации 5 МэВ. Это позволяет установить самое строгое на сегодня ограничение на частоту коллапсов. При увеличении длительности наблюдений величина ограничения будет повышаться, что позволит исключить модели звёздной эволюции, приводящие к более частым коллапсам.

В силу непрерывного набора статистического материала на детекторе LVD помимо основной задачи выполняются измерения не требующие длительных наблюдений. В 2006 – 2007 годах, при настройке нейтринного пучка из ЦЕРНа в LNGS для эксперимента OPERA по nu_mu - > nu_tau осцилляциям, с помощью LVD проводился мониторинг nu_mu пучка по мюонам, генерируемым этим пучком.

В 2012 г. в данных LVD было найдено указание на возможную ошибку в эксперименте OPERA, получившем сверхсветовую скорость нейтрино. В 2013 году на LVD с использованием дополнительной быстрой электроники была измерена скорость нейтрино с максимальной на сегодня точностью. Коллективом международной коллаборации LVD было сделано заключение о скорости ускорительных нейтрино, согласующейся с положениями специальной теории относительности.

В настоящее время на LVD проводятся исследования космогенных источников фона, создающего ложные события в экспериментах по поиску эффектов за рамками Стандартной модели, таких как взаимодействия частиц тёмной материи, безнейтринный двойной beta-распад и других редких событий. Установление характеристик фона в низкофоновых экспериментах является первоочередной задачей подземной физики.

С этой целью на LVD измеряется выход нейтронов, образуемых мюонами со средней энергией 280 ГэВ в различных веществах: сцинтилляторе, железе, свинце. В 2011 году детектором LVD были обнаружены сезонные вариации потока космогенных нейтронов, схожие с вариациями событий в эксперименте DAMA/LIBRA по поиску частиц тёмной материи. В дальнейшем планируется расширить число исследуемых материалов при измерении выхода нейтронов, а также установить параметры сезонных вариаций потока космогенных нейтронов под землёй.

1 июля 2015г.

Перспективная программа развития института

1. Проект EuroSNEWS.

Мотивация

Регистрация нейтринного излучения от гравитационного коллапса звездного ядра является одной из важнейших задач экспериментальной астрофизики. Сегодня в мире имеется девять детекторов, научная программа которых содержит поиск нейтринных всплесков от гравитационного коллапса: LVD, Borexino, АСД, БПСТ, SNO, SK, Amanda, IceCube, KamLand. Четыре из них (LVD, SK, IceCube, Borexino) объединены в сеть для регистрации нейтринного сигнала с единым компьютерном центром в BNL, USA (http://snews.bnl.gov/). Объединение установок повышает чувствительность регистрации нейтринного сигнала в разы за счет снижения необходимой кратности событий в сигнале, а также уменьшает влияние фона.

Поиск нейтринной вспышки требует многолетних наблюдений при том, что длительность вспышки порядка десяти секунд. Опыт регистрации нейтринного сигнала от SN1987A продемонстрировал техническую уязвимость таких долговременных экспериментов.

Из пяти детекторов, способных в то время зарегистрировать поток нейтрино от SN1987A (LSD, БПСТ, АСД, KII, IMB), четыре имели технические проблемы: у KII и БПСТ был сбой в работе часов, в результате чего точность определения времени событий оказалась порядка 1 мин; у IMB из-за отключения блока питания не работала ? всех фотоумножителей; детектор АСД был выключен для замены блоков электроники. Эти нарушения осложнили анализ полученных данных, интерпретация которых остается неоднозначной.

Как известно, компьютерные сети также уязвимы с точки зрения долговременной стабильной работы. Все это указывает на необходимость независимых систем регистрации событий и обработки экспериментальных данных при поиске нейтринных вспышек от гравитационных коллапсов.

Для создания независимой сети логично объединить сцинтилляционные детекторы. Компьютерный центр сети, аккумулирующий данные детекторов, следящих за нейтринными вспышками по единой методике, предпочтительней расположить в LNGS.

Участники

Детекторами, расположенными на территории Европы, являются LVD (Италия) [1], BOREXINO (Италия) [2], АСД (Донецкая обл.) [3], БПСТ (Россия) [4]. Первые два находятся в LNGS, детекторы АСД и БПСТ принадлежат ИЯИ РАН. Помимо основной научной программы, благодаря высокой эффективности регистрации нейтронов, эти детекторы используются для исследования фона от нейтронов, образуемых мюонами в подземных экспериментах. Вхождение установок LVD и BOREXINO в новую сеть не исключает их участия в SNEWS. Территориально детекторы располагаются в Европе, что упрощает контакты между коллективами экспериментаторов. Правовой основой для создания независимой сети нейтринных детекторов (EuroSNEWS) мог бы послужить Межправительственный договор о научно-техническом сотрудничестве между Италией и РФ в части астрофизических исследований.

Необходимое оборудование

* Однотипная электроника с временной синхронизацией, для всех четырех экспериментов
* единый компьютерный центр по обработке информации.

Ссылки на описание установок

[1] The LVD experiment at Gran Sasso - LVD Coll. Nuovo Cimento 18C 628 (1995).
[2] Borexino coll., C. Arpesella et al., Phys. Rev. Lett. 101, 091302 (2008); NIM Volume 600, Issue 3, (2009), Pages 568–593.
[3] F. Khalchukov, Kuznetsov V.A., V. Ryasny, O. Ryazhskaya, G. Zatsepin “Search for antineutrino fluxes from collapsing stars at the Arteomovsk scientific station”, Proc. of 20 ICRC, Moscow, Russia, v.6, 1987, p. 281-283.
[4] E.N.Alexeyev et al., “Baksan underground scintillation telescope”. Proc. of 16th ICRC, Kyoto, 1979, v.10, p.276-281.

2. Проект M-INYDM (Muon-Induced Neutron Yield in Different Material).

Мотивация

Нейтроны, генерированные мюонами космических лучей, представляют большой интерес с точки зрения исследования фона в экспериментах по регистрации редких событий. Нейтроны могут отходить далеко от мюонного трека (при этом сам мюон не задевает детектор), попадать во внутренний объем детектора (активная защита в этом случае может не сработать) и, взаимодействуя с ядрами имитировать искомые события, например, регистрацию нейтрино или темной материи. Таким образом, для корректного учета фона в таких экспериментах необходимо знать поток нейтронов, генерированных мюонами космических лучей.

Несмотря на интенсивные исследования вычислительными методами процессов генерации нейтронов мюонами с помощью постоянно улучшаемых программных кодов FLUKA и Geant [1], зависимость характеристик нейтронов от энергии мюонов и атомного веса вещества исследуется до сих пор.

Недавно представлены расчеты [2], с помощью Geant4, величин генерации нейтронов в различных материалах для мюонов со средней энергией 100 ГэВ и 280 ГэВ. Расчеты сделаны для большого набора ядер и получена неоднозначная зависимость генерации для материалов, содержащих четно-четные ядра. Основным интересом представляется получение экспериментальных данных по генерации нейтронов мюонами в различных материалах.

Идея измерений

Идея эксперимента по измерению генерации нейтронов мюонами основана на конструкционных особенностях установки LVD, позволяющей поместить внутрь (между счетчиками или колоннами в проходах) дополнительное вещество (исследуемый материал), например: пластины свинца, алюминия, гранита или жидкого агрона в специальных емкостях и т.д. Используя счетчики LVD, окружающие дополнительное вещество, как детектор мюонов и нейтронов, можно измерять число нейтронов генерированных мюонами в доп. веществе.

Полученные экспериментальные данные, могут быть использованы для разработки и создания новых низкофоновых детекторов. Они расширят набор данных для установления закономерностей генерации нейтронов мюонами, что позволит повысить точность определения фона в низкофоновых экспериментах по поиску редких событий.

Необходимое оборудование

Вещество для исследования: гранит, алюминий, кальций (мел), агон, ксенон (с системой охлаждения) и т.д.

Ссылки

[1] D.-M. Mei and A. Hime, «Muon-induced background study for underground laboratories» Phys. Rev., (2006), D 73, p. 053004.
[2] К.В. Мануковский, О.Г. Ряжская, Н.М. Соболевский, А.В. Юдин «Генерация нейтронов мюонами космических лучей в различных материалах», Изв. РАН Сер. физ., 2014 (в печати).
[3] K.V. Manukovskiy, O.G. Ryazhskaya, N.M. Sobolevskiy, A.V. Yudin "Muon-induced neutron background study for underground experiments with liquid scintillator searching for rare event physics" Proc. of 16th Lomonosov Conference on Elementary Particle Physics:, 22-28 August, 2013, MSU.

Подготовка астрофизиков в КБГУ

ФГБОУ ВПО «Кабардино-Балкарский государственный университет Х.М. Бербекова»

1. Перечень направлении образовательной организации, по которым осуществляется подготовка специалистов в секторе астрономии и астрофизики (03.00.00 Физика и астрономия)
Бакалавриат : 011200.62 - Физика, 03.03.02 – Физика.
Магистратура: 011200.68 - Физика, 03.04.02 – Физика.

2. Сведения о количестве студентов, поступивших на указанные направления за 2013-2015 годы
Бакалавриат:
011200.62 Физика 2013г. – 40 студентов
03.03.02 Физика 2014г. – 40 студентов
03.03.02 Физика 2015г. – 40 студентов
Магистратура:
011200.68 Физика 2013г. – 25 студентов
03.04.02 Физика 2014г. – 20 студентов
03.04.02 Физика 2015г. – 44 студентов

3. Сведения о количестве выпущенных специалистов по указанным направлениям за 2013-2015 годы
Бакалавриат:
011200.62 Физика 2013 год – 27
011200.62 Физика 2014 год – 18
011200.62 Физика 2015 год – 51
Магистратура:
011200.68 Физика 2013 год – 13
011200.68 Физика 2014 год – 18
011200.68 Физика 2015 год – 22
В том числе по магистерской программе «Астрофизика. Физика космических лучей и космоса»:
2013г. – 6 выпускников
2015г. – 11 выпускников

4. Сведения о наличии в образовательной организации научно-исследовательской астрономической и астрофизической инфраструктуры, в том числе уникальных научных установок и центров коллективного пользования, их количестве и наименовании и их характеристика.

В основе научно-исследовательской и учебно-образовательной инфраструктуры подготовки студентов по магистерской программе "Астрофизика. Физика космических лучей и космоса" лежит совместная подготовка кадров физического факультета КБГУ с Баксанской нейтринной обсерваторией Института ядерных исследований РАН (БНО ИЯИ РАН).

Имеется договор КБГУ с Институтом ядерных исследований РАН (БНО ИЯИ РАН) № 518 (срок действия с 01.04.2013 по 30.06.2018). Договор является продолжением договоров между КБГУ и ИЯИ РАН начиная с 1995 года.

В рамках этого договора проводится совместная подготовка кадров по астрофизике и физике космических лучей. На сегодняшний день большинство молодых специалистов БНО ИЯИ РАН являются выпускниками КБГУ, прошедшими подготовку в рамках магистерской программы «Астрофизика. Физика космических лучей». В КБГУ имеется научно-учебная Лаборатория астрофизики и физики космических лучей (АФКЛ). В рамках договора КБГУ с ИЯИ РАН идёт работа по открытию базовой кафедры на БНО ИЯИ РАН. Подготовка магистров осуществляется с использованием уникальной научно-исследовательской базы, имеющейся на Баксанской нейтринной обсерватории ИЯИ РАН, включая низкофоновые лаборатории и космофизические установки (низкофоновая лаборатория глубокого залегания, галлий-германиевый нейтринный телескоп, установка «Ковёр» для регистрации широких атмосферных ливней), что необходимо для реализации учебного процесса по магистерской программе "Астрофизика. Физика космических лучей и космоса".

КБГУ обладает следующей научно-учебной инфраструктурой.
- Имеется и эксплуатируется самый высотный в России нейтронный монитор 3НМ64 на пике Тескол (высота 3100 метров над уровнем моря), кроме того, на высоте 1700 метров имеется He-3 нейтронный монитор 6НМ-64;
- Имеется Лаборатория астрофизики и физики космических лучей (АФКЛ) КБГУ в распоряжении которой имеется следующее ядерно-спектрометрическое оборудование: большой сцинтилляционный детектор 20х20 на основе NaI(Tl) с колодцем для измерений в 4-пи геометрии, три малых сцинтилляционных спектрометрических детектора (диаметр кристалла NaI(Tl) 40 мм, высота - 40мм ); газонаполненные пропорциональные счётчики для регистрации тепловых нейтронов с рабочими газами трехфторид бора (B-10) -СНМ-15 и гелий-3 счётчик СН-04; спектрометрические тракты для временного анализа (схемы совпадений-антисовпадений), цифровые осциллографы, счётные платы ADLINK; миниатюрный ксеноновый счётчик для регистрации рентгеновского излучения, пропорциональный счётчик СРПО с системой откачки и заполнения газовыми смесями для рентгено-флюоресцентного анализа, ультранизких активностей; имеется мастерская с токарным, слесарным и сварочным оборудованием.
- Имеется линейный ускоритель электронов ЭЛУ-4 для энергий до 4 МэВ.
- На стадии запуска имеется система криостатирования для проведения измерений при гелиевых температурах.
- Имеется гелиевая станция с производительностью 20 л. гелия в сутки.
- Имеется высокопроизводительный компьютерный кластер с производительностью 6 tflop. Имеется UNIX сервер с пакетами программ моделирования GIANT-4, PYTHIA, CORSICA.

5. Сведения о количестве научно-педагогического состава, занятого исследованиями и разработками в области астрономии и астрофизики, в том числе по категориям и учёным степеням исследователей.
1. Хоконов М.Х. – доктор физ.-мат. наук, профессор, зав.кафедрой теоретической физики КБГУ, руководитель магистерской программы программе "Астрофизика. Физика космических лучей и космоса";
2. Хоконов А.Х. - доктор физ.-мат. наук, профессор, зав. Лабораторией астрофизики и физики космических лучей КБГУ,
3. Кузьминов В.В. - доктор физ.-мат. наук, профессор, заведующий БНО ИЯИ РАН, научный сотрудник лаборатории АФКЛ КБГУ, осуществляет совместную подготовку кадров в рамках магистерской программы "Астрофизика. Физика космических лучей и космоса";
4. Гаврин В.Н. – доктор физ.-мат. наук, член корр. РАН, зав. Лабораторией галлий-германиевого нейтринного телескопа в Баксанской нейтринной обсерватории;
5. Петков В.Б. - доктор физ.-мат. наук, зав. Лабораторией подземного сцинтилляционного телескопа БНО ИЯИ РАН;
6. Хамукова Л.А. – кандидат физ.-мат. наук, доцент кафедры теоретической физики КБГУ;
7. Масаев М.Б.- кандидат физ.-мат. наук, инженер Лаборатории астрофизики и физики космических лучей КБГУ.
8. Савойский Ю.В. - кандидат физ.-мат. наук, научный сотрудник Лаборатории астрофизики и физики космических лучей КБГУ.