ВІДДІЛ ФІЗИКИ ЛЕПТОНІВ

    Відділ фізики лептонів було утворено рішенням Президії НАН України в 1986 р. з відділу розробки та конструювання систем низькофо­нових вимірювань (відділ № 23) Спе­ціального конструкторсько-техноло­гічного бюро з експериментальним виробництвом (СКТБ з ЕВ) ІЯД АН УРСР. У 1986 - 2004 рр. відділ очолю­вав д.ф.-м.н., проф., чл.-кор. НАН України Юрій Георгійович Здесенко. З 1 вересня 2004 р. відділом завідує д.ф.-м.н., проф. Федір Анатолійович Даневич.
    Початком відділу фізики лептонів можна вважати лабораторію фізичних методів досліджень у Дослідному під­приємстві Інституту геохімії та фізики мінералів АН УРСР (зараз Інститут геохімії, мінералогії та рудоутворення ім. М. П. Семененка НАН України),  де Ю. Г. Здесенко працював у 1971 - 1980 рр. старшим інженером, а потім завідувачем лабораторії. Уже тоді Ю. Г. Здесенко розпочав роботи над експериментальною установкою для дослідження подвійного бета-розпаду атомних ядер, що стали основним напрямком роботи відділу. У цій лабораторії під керівництвом Ю. Г. Здесенка розпочали свою наукову діяльність майбутні співробітники відділу І. А. Мицик, А. С. Ніколайко, В. М. Куц, Б. М. Кропи­вянський, Ф. А. Даневич. У 1986 р. група була переведена до відділу розробки та конструювання систем низькофонових вимірювань (відділ № 23 СКТБ з ЕВ ІЯД). Відділ очолював Ю. Г. Здесенко. З квітня 1986 р. цей відділ було реорганізовано у відділ фізики лептонів ІЯД АН УРСР. У 1984 р. за ініціативою Ю. Г. Здесенка було споруджено підземну лабораторію на глибині близько 430 м у соляній шахті в с. Солотвино на Закарпатті, де проводились дослідження 2b-розпаду, рідкісних альфа- і бета-розпадів, кластерної активності ядер, розробка методів низькофонової спектрометрії. У кінці 1990-х років група ІЯД НАН України розпочала міжнародну співпрацю в підземних лабораторіях Модан (Франція), Гран Сассо (Італія), Каміока (Японія).

    Основні напрямки досліджень:
     дослідження властивостей нейтрино і слабкої взаємодії, подвійного бета-розпаду атомних ядер, рідкісних ядерних розпадів та пошук екзотичних ядер, гіпотетичних частинок та ефектів за межами стандартної моделі елементарних частинок;
     розробка методів наднизькофонової ядерної спектрометрії.

    Основні наукові досягнення та науково-технічні розробки:
     спостережено двонейтринний подвійний бета-розпад ядер 48Ca, 82Se, 96Zr, 100Mo, 116Cd та 150Nd на основні рівні дочірніх ядер, а також двонейтринний подвійний бета-розпад ядра 100Mo на перший 0+ збуджений рівень дочірнього ядра;
     на новому рівні чутливості досліджено процеси 2b-розпаду ядер 40Ca, 46Ca, 48Ca, 64Zn, 70Zn, 82Se, 96Ru, 104Ru, 96Zr, 100Mo, 106Cd, 108Cd, 114Cd, 116Cd, 136Ce, 138Ce, 142Ce, 150Nd, 156Dy, 158Dy, 160Gd, 180W, 186W, 184Os, 192Os, 190Pt, 198Pt, 196Hg;
     в експериментах з пошуку безнейтринного подвійного бета-розпаду ядер 82Se, 96Zr, 100Mo, 116Cd, 150Nd встановлено жорсткі обмеження на ефективну масу нейтрино Майорани на рівні 0,3 - 1,7 еВ, а також на параметри домішок правих токів у слабкій взаємодії та на константу зв’язку нейтрино з майороном, параметр порушення R-парності в мінімальній суперсиметричній стандартній моделі з незбереженням R-парності;
     отримано нові обмеження на масу аксіонів, що можуть випромінюватись Сонцем, електричний заряд фотону та на ймовірності процесів із порушенням законів збереження електричного та баріонного зарядів, перевірено принцип Паулі в атомах та атомних ядрах;
     уперше виміряно потік нейтрино від розпаду ядер 7Be в Сонці, що дало змогу отримати нову інформацію про осциляції, маси та параметри змішування нейтрино, виміряно потік нейтрино від p-p циклу у Сонці;
     зареєстровано антинейтрино з глибини Землі, установлено обмеження на потік антинейтрино від Сонця, на магнітний момент нейтрино та на змішування важких стерильних нейтрино;
     досліджено рідкісний бета-розпад ядер 113Cd, відкрито альфа-активність природних вольфраму і європію, альфа-розпад платини та бета-розпад індію на збуджені рівні дочірніх ядер;
     розроблено методи наднизькофонової ядерної спектрометрії, глибокого очищення матеріалів, запропоновано нові та вдосконалено існуючі детектори ядерних випромінювань та методи аналізу даних;
     уперше розроблено й застосовано сцинтилятори із збагачених ізотопів кадмію і молібдену, запропоновано сцинтилятори молібдатів літію та цинку як низькотемпературні сцинтиляційні болометричні детектори безнейтринного подвійного бета-розпаду ядра 100Mo.

    Перспективи подальших досліджень.
     Подальший розвиток методів низькотемпературних сцинтиляційних болометричних детекторів для дослідження властивостей нейтрино в експериментах з пошуку безнейтринного подвійного бета-розпаду ядер 100Mo і 116Cd, пошук нових сцинтиляційних матеріалів, зокрема для дослідження 82Se, 96Zr, 150Nd. Найбільш перспективними, з огляду на можливість визначення маси нейтрино та природи нейтрино, є пошуки безнейтринного подвійного бета-розпаду ядер 82Se, 100Mo, 116Cd і 130Te, вимірювання двонейтринного подвійного бета-розпаду ядер 100Mo, 116Cd, 150Nd, пошук електронного поглинання з випромінюванням позитрону у 106Cd. Дослідження подвійного бета-розпаду методами низькофонової гамма-спектрометрії (зокрема, ядер ербію, ітербію, самарію) за допомогою напівпровідникових детекторів з надчистого германію, пошуки резонансного подвійного електронного поглинання в ядрах 164Er і 152Gd за допомогою сцинтиляторів з гадолінієм та ербієм.
     Буде продовжено участь в експериментах Borexino та SoX з метою вимірювання нейтрино від Сонця та інших джерел, дослідження осциляцій нейтрино на малих відстанях. Пошуки ефектів та частинок за межами стандартної моделі елементарних частинок. Зокрема, пошуки аксіонів, масивних слабковзаємодіючих частинок, стерильних нейтрино, перевірка законів збереження заряду, лептонного та баріонного чисел, принципу Паулі та інших гіпотетичних процесів будуть вестися шляхом аналізу наявних даних низькофонових експериментів.
     Перспективними є також дослідження рідкісних бета- та альфа-розпадів, пошуки надважких елементів.

     Державні та академічні премії.
    Премія імені К. Д. Синельникова НАН України 2007 р. за серію праць «Експериментальні дослідження рідкісних процесів у фізиці атомного ядра та елементарних частинок» (Ф. А. Даневич, В. В. Коби­чев, В. І. Третяк).
    Премія Президента України для молодих учених 2010 р. за цикл робіт «Рідкісні ядерні процеси» (С. С. Нагорний, Д. В. Пода, О. Г. По­ліщук, С. С. Юрченко).
    Державна премія України в галузі науки і техніки 2016 р. за роботу «Властивості нейтрино і слабкої взаємодії, пошуки ефектів за межами стандартної моделі елементарних частинок» (Ф. А. Даневич, Ю. Г. Здесенко, В. В. Кобичев, В. І. Третяк).

     Міжнародна співпраця.
    Дослідження подвійного бета-розпаду, рідкісних альфа- та бета-розпадів, пошук гіпотетичних процесів та частинок, розробка низькофонових детекторів для дослідження рідкісних ядерних розпадів ведуться у співпраці з групою DAMA (університети у Римі «Ла Сапієнца» і «Тор Вергата», Національна лабораторія Гран Сассо, Італія).
    Відділ бере участь у великому міжнародному експерименті Borexino, основною метою якого є вимірювання потоків нейтрино від Сонця. Крім того, колаборація використовує унікальний детектор для дослідження нейтринних осциляцій, пошуку сонячних аксіонів, дослідження антинейтрино з надр Землі (так звані гео-нейтрино), пошук ефектів за рамками стандартної моделі елементарних частинок. Метою колаборації SoX, яка планує використовувати детектор Borexino, є пошуки осциляцій нейтрино на відстанях у кілька метрів або кілька десятків метрів за допомогою радіоактивних джерел нейтрино, а також пошуки стерильних нейтрино.
    Група відділу є учасником проекту LUMINEU Національного агентства наукових досліджень Франції, метою якого є вивчення маси і природи нейтрино в подвійному бета-розпаді ядра 100Mo. Розвитком цих досліджень є великий міжнародний проект низькотемпературного сцинтиляційного болометричного експерименту CUPID для пошуку безнейтринного подвійного бета-розпаду ядер 82Se, 100Mo, 116Cd, 130Te на рівні чутливості до маси нейтрино, що відповідає інвертованій схемі масових станів нейтрино.
    Учені відділу беруть участь у колаборації AMoRE, метою якої є здійснення великомасштабного кріогенного експерименту з пошуку безнейтринного подвійного бета-розпаду ядра 100Мо за допомогою низькотемпературних сцинтиляційних кристалів молібдату кальцію, збагачених ізотопом молібдену 100 і збіднених на кальцій 48.
    Після завершення експериментів NEMO-2 та NEMO-3, у яких відділ брав участь, у рамках проекту SuperNEMO ведеться підготовка великомасштабного експерименту з пошуку безнейтринного подвійного бета-розпаду ядер 82Se і 150Nd з чутливістю до маси нейтрино на рівні 0,05 - 0,1 еВ.
    Пошуки темної матерії ведуться в рамках колаборації DarkSide, метою якої є пошук частинок темної матерії за допомогою низькофонової часово-проекційної камери з рідким аргоном, добутим із глибин Землі для зменшення фону від космогенно утвореного ізотопу 39Ar.
    Продовжується співробітництво в дослідженнях рідкісних альфа-розпадів та подвійного бета-розпаду з Інститутом стандартних матеріалів та вимірювань Об’єднаного дослідницького центру Європейської комісії (Геель, Бельгія). Група також співпрацює з Об’єднаним інститутом ядерних досліджень у Дубні в дослідженнях подвійного бета-розпаду атомних ядер.

    Список найбільш важливих публікацій відділу.

• Yu.G. Zdesenko. Double ? decay and conservation of lepton charge. Sov. J. Part. Nucl. 11 (1980) 542 (review).
• V.I. Tretyak, Yu.G. Zdesenko. Tables of double beta decay data. At. Data Nucl. Data Tables 61 (1995) 43 (review).
• Yu.G. Zdesenko. The future of double ? decay research. Rev. Mod. Phys. 74 (2002) 663 (review).
• V.I. Tretyak, Yu.G. Zdesenko. Tables of double ? decay data - an update. At. Data Nucl. Data Tables 80 (2002) 83 (review).
• F.T. Avignone III et al. Next generation double-beta decay experiments: metrics for their evaluation. New J. Phys. 7(6) (2005) 46 p. (review).
• F.A. Danevich, V.V. Kobychev, V.I. Tretyak. Search for effects beyond the Standard Model of particles in low counting experiments. Chapter 7 in book: “Dark Energy and Dark Matter in the Universe”. Ed. by V. Shulga. Vol. 3. “Observational Manifestation and Experimental Searches” (Kyiv: Akademperiodyka, 2015) 375 p. (pp. 245 - 335).
• P. Belli, R. Bernabei, F.A. Danevich, A. Incicchitti, V.I. Tretyak. Experi­mental searches for rare alpha and beta decays. Eur. Phys. J. A 55 (2019) 140 ((review).