Наука

Объединенный институт ядерных исследований — это международная межправительственная организация, всемирно известный научный центр, объединяющий фундаментальные теоретические и экспериментальные исследования с разработкой и применением новейших технологий и университетским образованием. 

Институт располагает широким спектром крупной и очень крупной исследовательской инфраструктуры, которая в целом представляет собой одну из крупнейших в мире многодисциплинарных исследовательских инфраструктур, управление которой реализует глубоко интегрированную модель международного научно-технического сотрудничества

Экспертный анализ показывает, что почти половина современных проектов в области фундаментальных наук сопровождаются программами прикладных исследований, направленных на достижение целей устойчивого развития.

Научные направления ОИЯИ занимают приоритетное место в мировой научной повестке и обеспечивают развитие крупной исследовательской инфраструктуры. Международное измерение, междисциплинарная научная программа и крупные инфраструктурные проекты ОИЯИ гармонично дополняют глобальную научную повестку и мировой ландшафт крупной исследовательской инфраструктуры, предполагая, наряду с основными целями в области фундаментальных исследований, достижение определенных целей устойчивого развития.

Направления исследований ОИЯИ:

• Теоретическая физика
• Релятивистская физика тяжелых ионов
• Спиновая физика
• Физика частиц
• Ядерная физика низких энергий
• Нейтронная ядерная физика
• Физика конденсированных сред
• Физика нейтрино и астрофизика
• Науки о жизни: радиобиология, биомедицина, структурная биология, астробиология, экология
• IT и высокопроизводительные вычисления

В ОИЯИ 7 лабораторий, каждая по масштабам исследований сопоставима с большим академическим институтом:

• Лаборатория физики высоких энергий имени В. И. Векслера и А. М. Балдина (ЛФВЭ)
• Лаборатория ядерных проблем имени В. П. Джелепова (ЛЯП)
• Лаборатория теоретической физики имени Н. Н. Боголюбова (ЛТФ)
• Лаборатория нейтронной физики имени И. М. Франка (ЛНФ)
• Лаборатория ядерных реакций имени Г. Н. Флерова (ЛЯР)
• Лаборатория информационных технологий имени М. Г. Мещерякова (ЛИТ)
• Лаборатория радиационной биологии (ЛРБ)

Ученый совет ОИЯИ вырабатывает научную политику и формирует стратегические, среднесрочные и ежегодные планы исследований, опираясь на специализированные экспертные программно-консультативные комитеты и научно-технические советы лабораторий ОИЯИ.

Итоги исследований и деятельности ОИЯИ в целом проходят многоступенчатую экспертизу, от научно-технических советов лабораторий до Ученого совета Института, и утверждаются Комитетом полномочных представителей правительств государств-членов ОИЯИ.

Релятивистская физика тяжелых ионов и спиновая физика

В Институте реализуется проект класса «мегасайенс» — создание сверхпроводящего коллайдера тяжелых ионов NICA (Nuclotron-based Ion Collider fAcility) с детекторами BM@N, MPD и SPD, а также комплексом станций для прикладных исследований ARIADNA.

Поиск новых состояний ядерной материи

Физическая программа экспериментов BM@N (Baryonic Matter @ Nuclotron) и MPD (Multi-Purpose Detector) направлена на исследование критических состояний ядерной материи в экстремальных условиях сверхвысокой плотности барионной материи и высокой плотности энергии с использованием высокоинтенсивных пучков релятивистских тяжелых ионов. В эксперименте SPD (Spin Physics Detector) будет детально исследоваться структура нуклонов с использованием поляризованных пучков протонов и дейтронов.

NICA охватывает диапазон энергий, в котором протекает наиболее значимая и интересная физика — доминирование адронного эффекта сменяется партонным, возможен фазовый переход первого рода на фазовой диаграмме КХД, переход от барионного доминирования к мезонному в образовании частиц.

Параметры NICA

Окружность кольца коллайдера: 503 м

Энергия: √S = 4 – 11 ГэВ/нуклон

Ускоряемые ядра: от водорода до висмута, включая золото

Выведенные пучки:

• энергии: до 4,5 ГэВ/нуклон
• интенсивности:
  5•10⁸ с^-1 для тяжелых ионов
  10¹⁰ с^-1 для пучков протонов
  

Проектная светимость коллайдера:

• 10²⁷ см^-2 с^-1 для тяжелых ионов
  
• 10³² см^-2 с^-1 для поляризованных протонов и дейтронов, а также легких ядер
  

На комплексе NICA разрабатываются и вводятся в эксплуатацию каналы транспортировки пучков заряженных частиц и облучательные станции. Они предназначены для исследований в области наук о жизни, радиационного материаловедения, радиационной стойкости электроники, разработки передовых технологий для задач ядерной энергетики. Полномасштабный запуск ARIADNA (Applied Research Infrastructure for Advanced Developments at NICA fAcility) произведен в 2023 году.

ОИЯИ в международных экспериментах по физике частиц

Институт принимает активное участие в крупных международных коллаборациях. В рамках экспериментов на LHC в CERN физики ОИЯИ участвуют в анализе полученных данных и в модернизации детекторов:

• поиск физики за рамками Стандартной модели: CMS, ATLAS, COMET;
• структура спина и орбитального импульса протона: COMPASS/AMBER;
• спектроскопия производства очарованных частиц в электрон-позитронных аннигиляциях: BES–III;
• также в CERN: ALICE, NA61, NA62, NA64 и др.

RHIC@BNL — сканирование энергии пучка, выполняемое коллаборацией STAR, выступает одним из компонентов физической программы на NICA. Сотрудничество FAIR/GSI и NICA представляет взаимный интерес для членов коллаборации:

• технология кремниевых трекеров в CBM будет применяться в экспериментах BM@N и SPD;
• высокоскоростная электроника с чипом PASTTRECK от HADES будет использоваться для строу-трекера SPD;
• сверхпроводящий дипольный магнит CBM, R&D для газовых детекторов и сцинтилляционные детекторы с SiPM считыванием используются при подготовке экспериментов на NICA.

Ядерная физика низких энергий

В этой области исследований ОИЯИ проводит передовые эксперименты по синтезу новых сверхтяжелых элементов.

Научная программа включает в себя эксперименты по исследованию ядерных и химических свойств новых сверхтяжелых элементов, реакций деления, синтеза и многонуклонных передач при столкновении тяжелых ионов.

Пять новых сверхтяжелых элементов, замыкающих 7-й период таблицы Менделеева, были открыты в ОИЯИ за последние 25 лет

Одним из достижений мирового значения ученых ОИЯИ является экспериментальное доказательство существования «острова стабильности» сверхтяжелых элементов с центром вблизи Z=114 и N=184.

В ноябре 2021 года Юрий Оганесян, научный руководитель ЛЯР ОИЯИ, в честь которого назван новый элемент 118 за его выдающийся вклад в исследование трансактиноидных элементов, был удостоен премии ЮНЕСКО–России им. Д. И. Менделеева в области фундаментальных наук «в знак признания прорывных открытий, дополняющих Периодическую таблицу, и популяризацию фундаментальных наук в целях развития в глобальном масштабе».

Юрий Оганесян и Анна-Мария Четто на вручении премии ЮНЕСКО–России им. Д. И. Менделеева в Париже, 15 ноября 2021 г.

В настоящее время

Развитие работ в области синтеза и изучения свойств сверхтяжелых элементов связано с созданием нового ускорительного комплекса «Фабрика сверхтяжелых элементов» (Фабрика СТЭ) на базе специализированного циклотрона ДЦ–280. Основная задача Фабрики — синтез новых химических элементов с атомными номерами 119, 120 и выше, а также детальное изучение ядерно-физических и химических свойств ранее синтезированных сверхтяжелых элементов.

На Фабрике сверхтяжелых элементов достигнуты рекордные параметры пучков ускоренных тяжелых ионов. Интенсивность пучка ⁴⁸Ca превысила 8 pμA. Интенсивность ⁴⁰Ar на Фабрике СТЭ достигла проектных 10 pμA.

Научная инфраструктура Фабрики СТЭ постепенно совершенствуется. Также развиваются ускорители У–400 и У–400M, создается новая установка ДЦ–140 для прикладных исследований в области трековых мембран и материаловедения.

Базовая установка — ускорительный комплекс DRIBs–III

Фабрика сверхтяжелых элементов

Стратегические направления исследований:

• тяжелые и сверхтяжелые ядра;
• легкие экзотические ядра;
• радиационные эффекты и нанотехнологии;
• ускорительные технологии.

Итоги экспериментов (2020–2026):

• получено ~250 новых событий синтеза сверхтяжелых нуклидов (при этом ~100 событий было получено на всех объектах в мире, включая Дубну, с 1999 года);
• изучены свойства распада ~50 изотопов;
• открыто 9 новых изотопов: ²⁸⁸Lv, ²⁸⁹Lv, ²⁸⁶Mc, ²⁸⁰Cn, ²⁷⁶Ds, ²⁷⁵Ds, ²⁷²Hs, ²⁶⁸Sg, ²⁶⁴Lr.

Физика нейтрино и астрофизика

Оптический модуль телескопа Baikal-GVD

Исследовательская программа ОИЯИ в области физики нейтрино и астрофизики включает ряд проектов, среди которых Baikal–GVD выступает главным инфраструктурным исследовательским объектом.

Нейтринный детектор Baikal–GVD расположен в озере Байкал на расстоянии 3,6 км от берега, на глубине около 1300 метров. Это крупнейший в Северном полушарии и второй в мире нейтринный телескоп. Baikal–GVD — один из трех действующих нейтринных телескопов в мире и, наряду с крупнейшими телескопами IceCube на Южном полюсе и KM3NeT в Средиземном море, входит в Глобальную нейтринную сеть (GNN).

Задача проекта: определение астрофизических источников потоков нейтрино сверхвысоких энергий (превышающих десятки ТэВ).

Актуальность: источники нейтрино все еще неизвестны. Их обнаружение поможет прояснить механизмы появления и эволюции галактик. Этот уникальный научный объект является важным инструментом многоканальной астрономии — нового эффективного метода исследования Вселенной.

Нейтринный телескоп Baikal–GVD строится силами международной коллаборации с ведущей ролью Института ядерных исследований РАН (ИЯИ РАН) и Объединенного института ядерных исследований.

Участие ОИЯИ в экспериментах по осцилляциям нейтрино

• Определение фазы CP-нарушения: DUNE
• Определение иерархии масс нейтрино: NOvA, JUNO
• Точное определение элементов матрицы смешивания лептонов: JUNO, DUNE

Физические свойства нейтрино

• Определение, является ли нейтрино майорановский частицей: SuperNEMO, GERDA–LEGEND
• Процесс когерентного упругого нейтринно-ядерного рассеяния в ядерных реакторах: νGEN (GEMMA)
• Стерильная осцилляция нейтрино: DANSS

Открытие темной материи

• Существование частиц темной материи: DarkSide, EDELWEISS
• Источники высокоэнергетических (превышающих десятки ТэВ) гамма-излучений: TAIGA
• Определение элементов ядерной матрицы с помощью захвата мюонов: MONUMENT

Физика конденсированных сред и нейтронная ядерная физика

Данная научная программа реализуется преимущественно, но не исключительно, на двух базовых установках: импульсном реакторе периодического действия ИБР–2 и ИРЕН — источнике резонансных нейтронов на базе линейного ускорителя электронов.

Реактор ИБР–2 входит в топ–5 наиболее «ярких» источников нейтронов в мире, на его установках реализуется международная пользовательская программа для решения широкого спектра задач в области физики, химии, биологии, геологии, материаловедения, экологии и т. д. Для проведения экспериментов доступен комплекс из 16 высокопроизводительных приборов, на которых ежегодно проводятся сотни экспериментов при участии ученых со всего мира.

Исследования на ИРЕН посвящены ядерным данным, вопросам, связанным с фундаментальными симметриями ядерных взаимодействий, элементному анализу методом нейтронных резонансов и прикладным исследованиям для изучения объектов культурного наследия.

ОИЯИ рассматривает возможность создания нового высокоинтенсивного импульсного источника нейтронов. В сочетании с современным комплексом замедлителей, системами вывода нейтронов, системами окружения образцов и спектрометров такой источник обещает стать лучшим в мире и открыть беспрецедентные возможности для ученых из стран-участниц ОИЯИ и всего нейтронного сообщества.

Схематическое изображение работы реактора ИБР-2

Науки о жизни

Исследования в науках о жизни по широкому спектру направлений опираются на различные источники излучения, доступные в лабораториях Института. Координация межлабораторных исследований возложена на Лабораторию радиационной биологии, а экспертное сопровождение осуществляет Межлабораторный совет ОИЯИ по биофизическим исследованиям.

Преимущества ОИЯИ как платформы для международного междисциплинарного сотрудничества в науках о жизни:

• Множество источников излучения с каналами для прикладных исследований (протоны, нейтроны, тяжелые ионы, радионуклиды).
• Разнообразие дополнительных инструментов для исследований в области структурной биологии.
• Инфраструктура для крупномасштабных исследований на животных, включая приматов.

Огромный опыт и экспертиза, накопленные за десятилетия работы, помноженные на постоянное развитие инфраструктуры, позволяют осуществлять разнообразные исследования:

• В ЛРБ ОИЯИ запатентован совершенно новый метод повышения биологической эффективности медицинских протонных пучков и гамма-установок.
• Проведены уникальные в мире эксперименты по изучению влияния высокоэнергетических тяжелых заряженных частиц на мозг и поведение обезьян.
• В ЛРБ, ЛНФ и ЛИТ ведутся исследования молекулярных и генетических механизмов тяжелых заболеваний мозга, включая болезнь Альцгеймера и эпилепсию.
• ЛЯП ОИЯИ проводит генетические исследования по определению гена долголетия и склонности к различным аллергическим реакциям.
• Исследования на нейтронных пучках каналов ИБР–2 углубляют понимание механизмов сохранения и восстановления здоровья.
• Метод нейтронно-активационного анализа используется в ЛНФ для оценки состояния объектов окружающей среды, безопасности продуктов питания и разработки методов ремедиации.
• Участники коллаборации TANGRA на базе ЛНФ разрабатывают мобильную установку на основе метода меченых нейтронов для определения содержания углерода в почвах.
• ОИЯИ сотрудничает с Институтом космических исследований Российской академии наук (ИКИ РАН) для создания и развития нейтронных и гамма-детекторов, а также детекторов заряженных частиц для космических аппаратов. Детекторы нейтронов высокой энергии HEND и LEND работают на орбитальных аппаратах NASA; прибор DAN, работающий на борту ровера Curiosity, входит в состав Марсианской научной лаборатории.
• В ЛРБ ОИЯИ разработан и запатентован новый метод моделирования на ускорителях смешанных радиационных полей, генерируемых галактическими космическими лучами внутри космического аппарата в открытом космосе.
• В 2024 году в ОИЯИ издана монография «Астробиология». В книге изложена история развития взглядов на вопрос происхождения жизни, этапы становления астробиологии как науки, описаны фактология и модели, на которых эти взгляды основаны, и очерчен круг нерешенных вопросов и перспективных направлений астробиологии.
• Впервые синтез пребиотических соединений наблюдался после облучения формамида и метеоритного вещества адронными пучками высокой энергии.
• ЛРБ и ЛИТ совместно с Белградским университетом проводят исследования по разработке и внедрению алгоритмов автоматизации радиобиологических исследований.
• В дальнейших планах ОИЯИ — развитие колебательной спектроскопии и микроскопии: рамановской и FTIR, а также микроспектроскопическое исследование запрограммированной гибели клеток — нетоза и апоптоза.

Теоретическая физика

Исследования в области теоретической физики в ОИЯИ проводятся Лабораторией теоретической физики имени Н. Н. Боголюбова (ЛТФ), а также теоретическими группами в экспериментальных лабораториях. Как один из крупнейших центров, ЛТФ выступает в роли «генератора» междисциплинарных исследований и международного сотрудничества, определяя тем самым глобальную научную повестку как теоретических, так и экспериментальных исследований.

Тематика исследований в области теоретической физики связана с фундаментальными проблемами современной физики и задачами, которые определены базовыми установками ОИЯИ, прежде всего проектом NICA, а также физическими программами международных коллабораций (LHC, RHIC, FAIR, K2K и др.). В лаборатории работают ведущие мировые эксперты в области квантовой теории поля и физики частиц, современной ядерной физики, физики конденсированных сред и математической физики. Передовые достижения дубненских теоретиков получили всемирное признание.

Направления исследований:

• Теория фундаментальных взаимодействий
• Теория атомного ядра
• Теория конденсированных сред
• Современная математическая физика

Вклад ЛТФ:

• 1/3 от общего числа публикаций ОИЯИ
• >500 научных публикаций в год
• 230 ученых
• ~15 научных конференций, рабочих совещаний и школ ежегодно

Информационные технологии и высокопроизводительные вычисления

Базовый проект — Многофункциональный информационно-вычислительный комплекс (МИВК).

Распределенные вычисления и хранение данных на основе Grid–технологий и облачных вычислений, гиперконвергентная высокопроизводительная вычислительная инфраструктура с системой жидкостного охлаждения для суперкомпьютерных приложений.

Направления исследований:

• Разработка IT-технологий и математических методов для обработки, хранения и анализа данных
• Большие данные
• Квантовые вычисления
• Машинное и глубокое обучение

Каналы телекоммуникаций:

• ОИЯИ – Москва 4х100 Гбит/с
• ОИЯИ – CERN (100 Гбит/с) и ОИЯИ – Амстердам (100 Гбит/с)
• Локальная вычислительная сеть 2х100 Гбит/с
• Кластерная сеть между ЛИТ и ЛФВЭ 4×100 Гбит/с

Grid-инфраструктура ОИЯИ

• Tier–1 для для CMS@LHC и экспериментов на NICA
• Тier–2 для ALICE, ATLAS, CMS, LHCb, BM@N, MPD, SPD, NOvA, ILC и др.

Облачная инфраструктура ОИЯИ

• Нейтринные эксперименты Baikal-GVD, JUNO, NOvA
• Входит в состав РИВК — распределенной информационно-вычислительной среды (ОИЯИ и страны-участницы)

Платформа «HybriLIT» состоит из суперкомпьютера «Говорун» и учебно-тестового полигона «HybriLIT».

Суперкомпьютер «Говорун»

• Гиперконвергентная программно-определяемая система
• Пиковая мощность: 2,2 Пфлопс для DP
• Производительность системы хранения данных > 300 ГБ/с

Главные проекты СК «Говорун»

• Мегапроект NICA
• Расчеты квантовой хромодинамики на решетке
• Исследования в области радиационной биологии
• Расчеты радиационной безопасности установок ОИЯИ
• «Говорун» включен в единую суперкомпьютерную инфраструктуру на базе Национальной исследовательской компьютерной сети России (НИКС)

Для обработки и хранения данных создана гетерогенная вычислительная среда на базе платформы DIRAC.