走近INR RAS:俄羅斯粒子物理研究的重鎮
2021年01月12日09:19
位於莫斯科的俄羅斯科學院核研究所(INR RAS)成立至今已有50年,在世界中微子和高能物理學研究的版圖上,該機構留下了許多重要的印記
位於莫斯科的俄羅斯科學院核研究所(INR RAS)成立至今已有50年,在世界中微子和高能物理學研究的版圖上,該機構留下了許多重要的印記

  1月12日消息,俄羅斯科學院核研究所(INR RAS)成立於1970年12月24日,是位於莫斯科的一個大型粒子物理研究中心,也是眾多國際研究項目的重要參與機構。INR RAS主要開展宇宙學、中微子物理、天體物理、高能物理、加速器物理與技術、中子研究和核醫學等方面的工作,在俄羅斯各地擁有許多世界上獨一無二的研究設施,如巴克桑中微子觀測所(Baksan Neutrino Observatory)。另一方面,INR RAS與歐洲核子研究中心(CERN)等機構在中微子和高能物理等領域合作開展了許多大規模實驗,包括CMS、ATLAS、LHCb、NA61和NA64等。

  INR RAS是蘇聯科學院主席團根據蘇聯政府的指示而建立的,理論物理學家莫伊西·馬爾科夫(Moisey Markov)在其中發揮了關鍵作用,並影響了後來進行的研究。INR RAS成立時以蘇聯科學院列別捷夫物理研究所的三個獨立核實驗室為基礎,從這一點就可以看出莫伊西·馬爾科夫的雄心。每個實驗室都由頂尖的物理學家負責:諾貝爾獎得主伊利亞·米哈伊洛維奇·弗蘭克領導原子核實驗室;柳博夫·拉紮列夫領導光核反應實驗室;格奧爾基·紮塞平和亞曆山大·丘達科夫領導中微子實驗室。監督這一切的是INR RAS的首任所長阿爾伯特·塔夫切利澤,他曾是杜布納聯合原子核研究所(JINR)的研究員。1987年,維克托·馬特維耶夫接替他擔任所長,之後在2014年由列昂尼德·克拉夫丘克接任。從2020年開始,馬克西姆·利巴諾夫(Maxim Libanov)開始擔任INR RAS的所長。

INR RAS發展時間線:(1)1971年,特羅伊茨克,理論物理學家莫伊西·馬爾科夫在為介子研究設施奠基;(2)建設中的直線加速器第一階段設施;(3)直線加速器裝置俯視圖;(4、8)貝加爾湖中微子望遠鏡水下光學模塊的部署;(5)巴克桑中微子觀測所中微子委員會成員;(6)巴克桑中微子觀測所在隧道內的實驗裝置;(7)俯瞰巴克桑中微子觀測所的實驗室
INR RAS發展時間線:(1)1971年,特羅伊茨克,理論物理學家莫伊西·馬爾科夫在為介子研究設施奠基;(2)建設中的直線加速器第一階段設施;(3)直線加速器裝置俯視圖;(4、8)貝加爾湖中微子望遠鏡水下光學模塊的部署;(5)巴克桑中微子觀測所中微子委員會成員;(6)巴克桑中微子觀測所在隧道內的實驗裝置;(7)俯瞰巴克桑中微子觀測所的實驗室

  從一開始,INR RAS就致力於大規模研究設施的建設和運行。INR RAS的總部建在一個名叫特羅伊茨克(Troitsk)的小鎮上,距離莫斯科市內約20公里。1973年,INR RAS成立了一個加速器部門,其長期目標是建立一個介子研究設施,可容納一個600MeV的質子和氫離子線性加速器。第一道波束在1988年射出,最終加速到20MeV,該設施也在1993年完全投入使用,被稱為“莫斯科介子設施”(Moscow Meson Facility)。現在,該設施擁有歐亞地區最強大的質子直線加速器,可為核研究、中子物理、凝聚態等領域提供基礎和應用研究手段,並為各種放射性同位素、放射治療和許多其他應用的研發提供技術支援。

  以中微子命名的小鎮

  在特羅伊茨克實驗室以南1600多公里處的高加索山脈中,坐落著INR RAS的一個科學實驗室——巴克桑中微子觀測所(BNO)。該設施建於1967年,於1977年開始運作,是蘇聯同類觀測所中的第一個。在巴克桑地下300米處有一台閃爍望遠鏡(BUST),於1978年開始採集數據。與觀測所同時建造的還有一個名為“Neytrino”(俄語意為“中微子”)的小鎮,可供科學家和他們的家人居住。1987年,BUST是首次直接探測到超新星SN1987A中微子的4台中微子探測器之一。

  巴克桑觀測所並沒有就此止步,科學家們的下一步是建立镓-鍺中微子望遠鏡(GGNT),這是“蘇聯-美國镓實驗”(SAGE)的核心。這個實驗對解決太陽中微子問題做出了巨大貢獻,同時也引發了一個新的問題——镓異常(gallium anomaly),這個問題至今還沒有得到解釋。SAGE目前仍在運作,而隨著镓-鍺中微子望遠鏡在2019年完成最新升級,實驗團隊現在的目標是尋找惰性中微子。

  1990年,根據馬爾科夫和丘達科夫最初的建議,另一個中微子探測器也開始建造。INR RAS與杜布納聯合原子核研究所合作,在世界上最大的淡水湖貝加爾湖建設一個水下中微子望遠鏡,如今已經成型。這台水下中微子望遠鏡採用裝有光電倍增管的玻璃球,可探測中微子與湖水相互作用產生的帶電粒子發出的切倫科夫輻射。第一個為貝加爾湖開發的探測器是NT200,它從1993年到1998年花了5年時間建造,並進行了超過10年的宇宙中微子探測。現在,NT200已經被貝加爾湖立方千米深水中微子望遠鏡“Baikal-GVD”取代,該望遠鏡的第一階段計劃已於2015年完成,預計在2021年建成。Baikal-GVD的有效體積為1立方千米,將用於記錄和研究來自天體物理源的超高能量中微子流。

  留下印記

  毫無疑問,INR RAS在高能物理學領域已經留下了深刻印記。儘管該研究所最受認可的工作是在中微子物理領域,但莫斯科介子設施對其他高能物理學研究也做出了巨大貢獻。有一個實驗通過氚的β衰變,對反電中微子的質量進行了直接測量。“Troitsk nu-mass”實驗始於1985年,多年以來,該實驗對反電中微子質量極限的測量一直是世界上最好的。直到2019年,德國的KATRIN實驗才改變了這一結果。事實上,KATRIN實驗的建立也有INR RAS的參與,而Troitsk nu-mass實驗被認為是KATRIN的原型。

  INR RAS的研究人員已經獲得了中等能量質子和中子參與的核反應的實驗數據,以及光核反應——包括利用主動極化靶研究質子的自旋結構——的數據。他們還觀察到了相對論核碰撞的新效應,一個新的科學方向已經誕生——核光子學(nuclear photonics)。天體粒子物理學中的兩種效應以INR RAS科學家的名字命名:一個是“GZK截止”(GZK cut-off),這是超高能量宇宙射線光譜中的高能上限,以美國的肯尼斯·格雷森(Kenneth Greisen)與INR RAS的格奧爾基·紮塞平(Georgy Zatsepin)和瓦迪姆·庫茲敏(Vadim Kuzmin)三人的姓氏首字母命名;另一個是與中微子振盪有關的“MSW效應”(Mikheyev–Smirnov–Wolfenstein effect),以INR RAS的斯坦尼斯拉夫·米赫耶夫和阿列克謝·斯米爾諾夫與美國的林肯·沃爾芬斯坦三人的姓氏命名。

2020年4月,工作人員正在為Baikal-GVD水下中微子望遠鏡安裝新的光學模塊集群
2020年4月,工作人員正在為Baikal-GVD水下中微子望遠鏡安裝新的光學模塊集群

  INR RAS的理論研究也聞名遐邇,包括攝動理論的方法研究、測量理論中的基態(真空)研究、攝動理論框架外強子強相互作用的動力學研究、膜世界模型研究,以及尋找宇宙重子不對稱形成機製的研究等。

  INR RAS的科學家積極參與CERN和JINR的合作項目,也參加了德國、日本、意大利、美國、中國、法國、西班牙等國家的一些大型國際實驗的工作。INR RAS還經常開展教育活動,設有自己的研究生院,並在莫斯科物理技術學院等鄰近機構中設有教學部。

  INR RAS的未來深深植根於正在建設的新型大規模基礎設施。Baikal-GVD將與南極的IceCube實驗一道,對來自深空天體的中微子進行探測,並有望幫助科學家最終確定它們的性質。INR RAS還在準備利用超導無線電頻率腔對特羅伊茨克的線性質子加速器進行現代化改造,同時也計劃在線性加速器中心的基礎上建造一個大型核醫學中心。還有一個提議是在巴克桑中微子觀測所建造一台“巴克桑大體積閃爍探測器”,該探測器將含有10噸級的超純液體閃爍體,能夠以極高的精度記錄由太陽碳-氮-氧(CNO)聚變循環所產生的中微子,足以區分不同的太陽模型。

  過去50年來,INR RAS一直在持續進步,而隨著世界領先的新項目陸續上線,這個研究所或許將帶給我們更多驚人的發現。(任天)

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