им разработан новый метод изучения состава первичных частиц космического излучения сверхвысоких энергий и получены ограничения на состав первичных частиц с энергиями 10¹⁸ – 10²⁰ эВ и выше, в том числе, наиболее строгие в мире ограничения на поток первичных фотонов с такими энергиями;

в данных о направлениях прихода космических лучей сверхвысоких энергий обнаружены корреляции с положениями космологически удалённых активных галактик определенного класса, не объяснимые в рамках Стандартной модели и предложено экспериментально проверяемое объяснение в терминах новой лёгкой псевдоскалярной частицы, смешивающейся с фотоном;

в рамках теорий с дополнительными пространственными измерениями им предложено естественное объяснение иерархической структуры масс и смешиваний фермионов трёх поколений, основанное на модели с числом параметров, меньшим числа фитируемых величин – единственная модель, в которой иерархии заряженных фермионов и нейтрино естественным образом объясняются одним механизмом, и предсказания модели могут быть проверены в нынешних и будущих экспериментах, в том числе, на Большом адронном коллайдере;

на основе анализа данных атмосферных черенковских гамма-телескопов и FERMI LAT открыт эффект аномальной прозрачности Вселенной для гамма-излучения высоких энергий; предложено объяснение аномальной прозрачности Вселенной для высокоэнергичного гамма-излучения, а также наблюдавшегося гамма-излучения в диапазоне ТэВ от гамма-всплеска GRB 221009A;

разработана новая научная программа эксперимента Ковёр в Баксанской нейтринной обсерватории; сформулирована концепция аксионного гелиоскопа нового поколения в Троицке TASTE, которая стала основой эксперимента Baby-IAXO.

Он внёс основополагающий вклад в разработку теории туннельных переходов с изменением пространственной топологии в квантовой гравитации, предложил рассматривать массивный гравитон в качестве кандидата на роль тёмной материи; им (с соавторами) предложен формализм, позволяющий рассчитывать изменения в состоянии квантованных полей, происходящие в процессе таких переходов, обнаружен и количественно описан ряд нетривиальных эффектов, таких, как топологическое рождение частиц в конформно-плоской метрике, несохранение глобальных квантовых чисел, возможное нарушение квантовой когерентности; внесён определяющий вклад в решение задачи о вероятности туннельных процессов (в частности, аномального несохранения барионного числа и распада ложного вакуума) в столкновениях частиц при высоких энергиях; впервые разработано обобщение квазиклассического формализма, позволяющее вычислять соответствующие сечения в теориях со слабой связью, показана возможность численного расчёта вероятностей, сделан вывод об экспоненциальной малости сечений таких процессов в столкновениях высокоэнергичных частиц; получены известные результаты при исследовании свойств протяжённых объектов в теории поля, таких как струн в моделях с нетривиальным пространством модулей и нетопологических солитонов, в области теорий с дополнительными измерениями пространства.

Им с соавторами было показано, что активные галактические ядра определённого типа – так называемые лацертиды – являются вероятными источниками космических лучей сверхвысокой энергии; определено, что компактные астрономические объекты могут разрушаться в результате захвата ими тёмной материи; получены наиболее строгие ограничения на распространенность первичных чёрных дыр и модели слабо взаимодействующих массивных частиц тёмной материи; на базе измерений мер фарадеевского вращения излучения от удалённых радиоисточников построена широко используемая в настоящее время модель магнитного поля Галактики.