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走近俄罗斯科学院核研究所:粒子物理研究的重镇

粒子物理学 核研究 线性加速器
发布:2021-01-13 14:51:25     来源:新浪科技

 
位于莫斯科的俄罗斯科学院核研究所(INR RAS)成立至今已有50年,在世界中微子和高能物理学研究的版图上,该机构留下了许多重要的印记

俄罗斯科学院核研究所(INR RAS)成立于1970年12月24日,是位于莫斯科的一个大型粒子物理研究中心,也是众多国际研究项目的重要参与机构。INR RAS主要开展宇宙学、中微子物理、天体物理、高能物理、加速器物理与技术、中子研究和核医学等方面的工作,在俄罗斯各地拥有许多世界上独一无二的研究设施,如巴克桑中微子观测所(Baksan Neutrino Observatory)。另一方面,INR RAS与欧洲核子研究中心(CERN)等机构在中微子和高能物理等领域合作开展了许多大规模实验,包括CMS、ATLAS、LHCb、NA61和NA64等。

INR RAS是苏联科学院主席团根据苏联政府的指示而建立的,理论物理学家莫伊西·马尔科夫(Moisey Markov)在其中发挥了关键作用,并影响了后来进行的研究。INR RAS成立时以苏联科学院列别捷夫物理研究所的三个独立核实验室为基础,从这一点就可以看出莫伊西·马尔科夫的雄心。每个实验室都由顶尖的物理学家负责:诺贝尔奖得主伊利亚·米哈伊洛维奇·弗兰克领导原子核实验室;柳博夫·拉扎列夫领导光核反应实验室;格奥尔基·扎塞平和亚历山大·丘达科夫领导中微子实验室。监督这一切的是INR RAS的首任所长阿尔伯特·塔夫切利泽,他曾是杜布纳联合原子核研究所(JINR)的研究员。1987年,维克托·马特维耶夫接替他担任所长,之后在2014年由列昂尼德·克拉夫丘克接任。从2020年开始,马克西姆·利巴诺夫(Maxim Libanov)开始担任INR RAS的所长。

 
INR RAS发展时间线:(1)1971年,特罗伊茨克,理论物理学家莫伊西·马尔科夫在为介子研究设施奠基;(2)建设中的直线加速器第一阶段设施;(3)直线加速器装置俯视图;(4、8)贝加尔湖中微子望远镜水下光学模块的部署;(5)巴克桑中微子观测所中微子委员会成员;(6)巴克桑中微子观测所在隧道内的实验装置;(7)俯瞰巴克桑中微子观测所的实验室

从一开始,INR RAS就致力于大规模研究设施的建设和运行。INR RAS的总部建在一个名叫特罗伊茨克(Troitsk)的小镇上,距离莫斯科市内约20公里。1973年,INR RAS成立了一个加速器部门,其长期目标是建立一个介子研究设施,可容纳一个600MeV的质子和氢离子线性加速器。第一道波束在1988年射出,最终加速到20MeV,该设施也在1993年完全投入使用,被称为“莫斯科介子设施”(Moscow Meson Facility)。现在,该设施拥有欧亚地区最强大的质子直线加速器,可为核研究、中子物理、凝聚态等领域提供基础和应用研究手段,并为各种放射性同位素、放射治疗和许多其他应用的研发提供技术支持。

以中微子命名的小镇

在特罗伊茨克实验室以南1600多公里处的高加索山脉中,坐落着INR RAS的一个科学实验室——巴克桑中微子观测所(BNO)。该设施建于1967年,于1977年开始运作,是苏联同类观测所中的第一个。在巴克桑地下300米处有一台闪烁望远镜(BUST),于1978年开始采集数据。与观测所同时建造的还有一个名为“Neytrino”(俄语意为“中微子”)的小镇,可供科学家和他们的家人居住。1987年,BUST是首次直接探测到超新星SN1987A中微子的4台中微子探测器之一。

巴克桑观测所并没有就此止步,科学家们的下一步是建立镓-锗中微子望远镜(GGNT),这是“苏联-美国镓实验”(SAGE)的核心。这个实验对解决太阳中微子问题做出了巨大贡献,同时也引发了一个新的问题——镓异常(gallium anomaly),这个问题至今还没有得到解释。SAGE目前仍在运作,而随着镓-锗中微子望远镜在2019年完成最新升级,实验团队现在的目标是寻找惰性中微子。

1990年,根据马尔科夫和丘达科夫最初的建议,另一个中微子探测器也开始建造。INR RAS与杜布纳联合原子核研究所合作,在世界上最大的淡水湖贝加尔湖建设一个水下中微子望远镜,如今已经成型。这台水下中微子望远镜采用装有光电倍增管的玻璃球,可探测中微子与湖水相互作用产生的带电粒子发出的切伦科夫辐射。第一个为贝加尔湖开发的探测器是NT200,它从1993年到1998年花了5年时间建造,并进行了超过10年的宇宙中微子探测。现在,NT200已经被贝加尔湖立方千米深水中微子望远镜“Baikal-GVD”取代,该望远镜的第一阶段计划已于2015年完成,预计在2021年建成。Baikal-GVD的有效体积为1立方千米,将用于记录和研究来自天体物理源的超高能量中微子流。

留下印记

毫无疑问,INR RAS在高能物理学领域已经留下了深刻印记。尽管该研究所最受认可的工作是在中微子物理领域,但莫斯科介子设施对其他高能物理学研究也做出了巨大贡献。有一个实验通过氚的β衰变,对反电中微子的质量进行了直接测量。“Troitsk nu-mass”实验始于1985年,多年以来,该实验对反电中微子质量极限的测量一直是世界上最好的。直到2019年,德国的KATRIN实验才改变了这一结果。事实上,KATRIN实验的建立也有INR RAS的参与,而Troitsk nu-mass实验被认为是KATRIN的原型。

INR RAS的研究人员已经获得了中等能量质子和中子参与的核反应的实验数据,以及光核反应——包括利用主动极化靶研究质子的自旋结构——的数据。他们还观察到了相对论核碰撞的新效应,一个新的科学方向已经诞生——核光子学(nuclear photonics)。天体粒子物理学中的两种效应以INR RAS科学家的名字命名:一个是“GZK截止”(GZK cut-off),这是超高能量宇宙射线光谱中的高能上限,以美国的肯尼斯·格雷森(Kenneth Greisen)与INR RAS的格奥尔基·扎塞平(Georgy Zatsepin)和瓦迪姆·库兹敏(Vadim Kuzmin)三人的姓氏首字母命名;另一个是与中微子振荡有关的“MSW效应”(Mikheyev–Smirnov–Wolfenstein effect),以INR RAS的斯坦尼斯拉夫·米赫耶夫和阿列克谢·斯米尔诺夫与美国的林肯·沃尔芬斯坦三人的姓氏命名。

2020年4月,工作人员正在为Baikal-GVD水下中微子望远镜安装新的光学模块集群

  INR RAS的理论研究也闻名遐迩,包括摄动理论的方法研究、测量理论中的基态(真空)研究、摄动理论框架外强子强相互作用的动力学研究、膜世界模型研究,以及寻找宇宙重子不对称形成机制的研究等。

INR RAS的科学家积极参与CERN和JINR的合作项目,也参加了德国、日本、意大利、美国、中国、法国、西班牙等国家的一些大型国际实验的工作。INR RAS还经常开展教育活动,设有自己的研究生院,并在莫斯科物理技术学院等邻近机构中设有教学部。

INR RAS的未来深深植根于正在建设的新型大规模基础设施。Baikal-GVD将与南极的IceCube实验一道,对来自深空天体的中微子进行探测,并有望帮助科学家最终确定它们的性质。INR RAS还在准备利用超导无线电频率腔对特罗伊茨克的线性质子加速器进行现代化改造,同时也计划在线性加速器中心的基础上建造一个大型核医学中心。还有一个提议是在巴克桑中微子观测所建造一台“巴克桑大体积闪烁探测器”,该探测器将含有10吨级的超纯液体闪烁体,能够以极高的精度记录由太阳碳-氮-氧(CNO)聚变循环所产生的中微子,足以区分不同的太阳模型。

过去50年来,INR RAS一直在持续进步,而随着世界领先的新项目陆续上线,这个研究所或许将带给我们更多惊人的发现。

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