Исследования проводятся как с использованием собственной ускорительной базы, так и в крупнейших ускорительных центрах: ЦЕРН (Швейцария), BNL (США), GSI (Германия) и др.

Сотрудники лаборатории вносят большой вклад в проведение совместных исследований на экспериментальных установках: COMPASS, NA61, NA62, STAR, CMS, ALICE, ATLAS, HADES и др.

В лаборатории подготовлен и реализуется проект создания ускорительного комплекса, включающего модернизированный ускоритель Нуклотрон-М, бустер и коллайдер тяжелых ионов и поляризованных частиц NICA. Для проведения экспериментов разрабатываются и создаются две коллайдерные установки – MPD (многофункциональный детектор) и SPD (детектор для экспериментов с поляризованными пучками), а также установка BM@N (исследование барионной материи на нуклотроне) для проведения исследований на выведенных пучках нуклотрона.

Основная цель проекта NICA – проведение экспериментальных исследований по изучению экстремальных состояний адронной (сильновзаимодействующей) материи в областях фазовых переходов. Исследования будут проводиться на встречных пучках высокоинтенсивных ионов в диапазоне энергии 4–11 ГэВ на нуклон, на пучках поляризованных протонов и дейтронов (с продольной и поперечной поляризацией и энергией до 26 ГэВ на нуклон), а также на выведенных пучках ионов и поляризованных частиц.

Сотрудникам ускорительного отделения лаборатории принадлежит ряд оригинальных решений различных задач ускорительной техники, ими разработана уникальная технология сверхпроводящих магнитов, широко востребованная в крупнейших ускорительных центрах мира. Заслуженным авторитетом пользуются специалисты лаборатории, разрабатывающие детектирующую аппаратуру. Они внесли существенный вклад в создание экспериментальных установок в ЦЕРН, BNL, GSI. В настоящее время, в сотрудничестве с ведущими специалистами из этих центров, ведутся работы по созданию детектирующих систем для установок комплекса NICA, FAIR, апгрейда установок на LHC.

В рамках реализации совместного с РФ мегапроекта NICA планируется создание центра коллективного пользования для проведения исследований по релятивистской ядерной физике и целого ряда инновационных и прикладных работ с использованием уникальных пучков релятивистских ионов, предоставляемых ускорителями комплекса. Огромный инновационный потенциал связан с использованием уникальных пучков нуклотрона и бустерного синхротрона при проведении исследований по радиобиологии и тестированию электроники для задач, связанных с пребыванием живых организмов и аппаратуры в условиях жесткого космического облучения, медико-биологических исследований и лечения онкологических заболеваний при помощи лучевой терапии.

Очень высок потенциал исследований по программе «энергия и трансмутация», нацеленной на разработку методов переработки (деактивации) отходов ядерной энергетики с использованием ускорителей и решение вопроса создания электроядерных установок.

Приоритетными экспериментами являются проекты «Байкал» и DANSS на Калининской АЭС. Байкальский нейтринный телескоп входит в единую нейтринную исследовательскую сеть, что, наряду с получением фундаментальных результатов по изучению космических нейтрино, позволяет осуществлять глобальный мониторинг всего космического пространства. Проект DANSS нацелен на создание компактного спектрометра нейтрино, который не содержит никакой опасной жидкости и может быть расположен очень близко к рабочей зоне промышленного атомного реактора.

Ученые ЛЯП принимают участие в экспериментах мирового класса по поиску процесса двойного безнейтринного бета-распада (проекты SuperNEMO, GERDA–MAJORANA), по изучению нейтринных осцилляций (проекты Daya Bay/JUNO, NOvA, OPERA). На Калининской АЭС проводятся эксперименты по измерению магнитного момента нейтрино, поиску стерильных нейтрино, прямым измерениям антинейтрино из реактора, а также по изучению когерентного рассеяния нейтрино (проекты GEMMA, DANSS, νGeN).

Одно из направлений деятельности ЛЯП – поиск редких и/или запрещенных процессов. Специалисты лаборатории принимают участие в экспериментах, имеющих максимальную чувствительность к новой физике, таких как поиск радиационного распада на электрон и фотон (проект MEG) и поиск мюон-электронной конверсии на ядрах (проекты MU2E, COMET).

Физики ЛЯП участвуют в изучении космических лучей высоких энергий, в экспериментах по поиску темной материи (проекты «Байкал», TAIGA, EDELWEISS). Физические результаты фундаментального значения получены сотрудниками лаборатории на коллайдере LHC в эксперименте ATLAS.

Большую значимость имеют работы по развитию и модернизации фазотрона для проведения физических и прикладных исследований, разработка полупроводниковых, сцинтилляционных и криогенных детекторов, а также создание детектирующих систем нового поколения. Физики ЛЯП участвуют в работах по модернизации циклотронов как в России, так и за рубежом (Польша, Сербия, Япония). В стадии разработки – проекты специализированных циклотронов для радиологической медицины: для адронной терапии и наработки ПЭТ-изотопов (изотопы для позитронно-эмиссионных томографов).

На базе фазотрона успешно функционирует Медико-технический комплекс (МТК). Здесь впервые в России была реализована и применяется методика трехмерного прецизионного облучения глубоко залегающих опухолей протонным пучком, при которой максимум формируемого распределения доз наиболее точно соответствует форме мишени, что позволяет с высокой эффективностью лечить онкологических больных с различными новообразованиями. В течение последних лет на протонных пучках МТК ежегодно проходят лечение около 100 пациентов.

Тематика исследований по физике элементарных частиц, проводимых в ЛТФ, определяется физическими программами международных экспериментальных коллабораций (LHC, RHIC, FAIR, K2K и т. д.) и базовых установок ОИЯИ, в первую очередь, – проекта NICA/MPD.

В центре внимания – прецизионная проверка стандартной модели, новая физика за ее пределами, структура адронов и спиновая физика, фазовые переходы в горячей и плотной адронной материи и смешанная кварк-адронная фаза, физика нейтрино, проблема темной материи и астрофизические аспекты физики элементарных частиц.

Важное значение в области ядерной физики и физики тяжелых ионов имеют исследования структуры ядер, далеких от линии стабильности; ядерных реакций; малочастичных систем; взаимодействий тяжелых ионов при промежуточных и высоких энергиях. В контексте этих исследований получают развитие новые методы, выходящие за рамки приближений среднего поля и случайной фазы, новые строгие подходы в теории ядерных реакций, модели и методы описания уравнения состояния ядерной материи.

Теоретические исследования конденсированных сред направлены на поддержку экспериментального изучения характеристик разнообразных современных наноматериалов и наноструктур. Особое внимание уделяется анализу систем с сильной электронной корреляцией, изучению новых кооперативных явлений, новых видов упорядочения, магнетизма в низкоразмерных системах и квантовых критических явлений.

Ведущиеся в ЛТФ исследования носят междисциплинарный характер, они непосредственно интегрированы в международные проекты и тесно скоординированы с экспериментальными программами ОИЯИ.

Традиционная деятельность ЛТФ как образовательного центра для молодых ученых и студентов из многих стран приобрела еще больший размах благодаря реализации научно-образовательного проекта «Дубненская международная школа теоретической физики (DIAS-TH)» и открытию новых кафедр теоретической физики Московского физико-технического института и Международного университета «Дубна», тесно ассоциированных с Учебно-научным центром (УНЦ) ОИЯИ.

Структура, уровень и стиль научной и образовательной работы лаборатории соответствуют задачам и вызовам современной теоретической физики.

За последние годы в ЛЯР было синтезировано шесть новых химических элементов с атомными номерами 113−118 и около 50 новых изотопов трансактиноидных элементов. Впервые получено прямое экспериментальное доказательство существования «острова стабильности» сверхтяжелых элементов с центром вблизи Z = 114 и N = 184.

Ярким событием 2012 г. явилось официальное признание совместным комитетом Международных союзов чистой и прикладной химии (IUPAC) и физики (IUPAP) приоритета российско-американского коллектива ученых в открытии на ускорительном комплексе ЛЯР ОИЯИ новых сверхтяжелых элементов таблицы Д.И.Менделеева − 114 и 116.

Эти элементы названы флеровий (Fl) − в честь Лаборатории ядерных реакций и ее основателя академика Г.Н.Флерова и ливерморий (Lv) − в честь Ливерморской национальной лаборатории и города Ливермора (США).

В лаборатории успешно развиваются исследования химических свойств сверхтяжелых элементов с Z = 112, 113 и 114. В частности, установлено, что элемент 112 по своим химическим свойствам является более тяжелым гомологом Zn-Cd-Hg, т. е. относится к 12-й группе Периодической таблицы Д.И.Менделеева.

В рамках Семилетнего плана развития ОИЯИ первоприоритетным для лаборатории является проект DRIBs-III, включающий создание первой в мире «Фабрики сверхтяжелых элементов» на базе нового ускорителя ДЦ-280, нацеленного на получение высокоинтенсивных (10−20 pµA) пучков ионов средних масс (Ca-48, Ti-50, Ni-64 и др.) для дальнейшего развития работ по синтезу и изучению свойств сверхтяжелых элементов. Развитие проекта предусматривает модернизацию ускорительного комплекса радиоактивных пучков на базе циклотронов У-400 и У-400М, предназначенного для получения монохроматических пучков радиоактивных и стабильных ядер.

Прикладные работы ЛЯР связаны с исследованиями в области нанотехнологий, радиационной стойкости материалов, модификацией поверхностей. Их дальнейшее развитие предполагает создание специализированного корпуса, оснащенного современным аналитическим и испытательным оборудованием (совместный проект ОИЯИ и ГК Роснано).

Особое место в прикладных исследованиях ЛЯР получило создание ускорительных комплексов тяжелых ионов для промышленного производства трековых мембран: циклотрон ДЦ-60 для Евразийского государственного университета (Астана, Казахстан); циклотрон ДЦ-110 для компании НАНОКАСКАД особой экономической зоны «Дубна». В последние годы существенно возрос объем экспериментов по тестированию электронных компонентов в интересах Федерального космического агентства (Роскосмос).

Исследования проводятся в широком международном сотрудничестве со странами-участницами ОИЯИ и ведущими ядерно-физическими центрами мира.

Ежегодно более 400 студентов-старшекурсников и аспирантов из университетов стран-участниц ОИЯИ проходят обучение и практику в лабораториях Института под руководством ведущих ученых. Поддержание достаточно большого потока студентов позволяет отбирать наиболее способных молодых людей для работы в Институте.

На сайте УНЦ регулярно обновляется содержание базы данных учебных курсов по физике частиц и квантовой теории поля, математической и статистической физике, физике конденсированных сред, физике наноструктур и нейтронной физике, ядерной физике, физическим установкам и информационным технологиям.

Важнейшим инструментом привлечения талантливой молодежи в Институт являются международные студенческие практики по направлениям исследований ОИЯИ и летняя студенческая программа. Участники этих программ слушают лекции ведущих ученых и специалистов ОИЯИ и выполняют учебно-исследовательские проекты в лабораториях Института. УНЦ принимает непосредственное участие в организации летних международных научных школ.

Большой интерес научной молодежи из стран-участниц ОИЯИ к участию в этих программах подтверждается неуклонным ростом количества заявок.

В рамках международного сотрудничества поддерживаются тесные связи с университетами Белоруссии, Болгарии, Польши, Румынии, Словакии, Украины и Чехии. С 2014 г. стартовала программа, позволяющая студентам и аспирантам стран-участниц ОИЯИ принимать участие в фундаментальных и прикладных исследованиях, проводимых в научных центрах Чехии.

В 2020 г. Учебно-научный центр ОИЯИ запустил новую программу для студентов со всего мира. Она получила название INTEREST – сокращение от английского INTErnational REmote Student Training. Программа позволяет знакомиться с деятельностью Института и выполнять исследовательские проекты удаленно.

УНЦ ОИЯИ совместно с ЦЕРН организует ежегодные научные школы для учителей физики из стран-участниц ОИЯИ.

УНЦ оснащен современным оборудованием для организации встреч ученых ОИЯИ и ЦЕРН со школьниками и студентами из стран-участниц ОИЯИ в формате видеоконференций.

На базе УНЦ создана научно-инженерная группа для реализации учебных программ по подготовке инженеров-физиков на действующих и сооружаемых современных физических установках, а также отдел разработки и создания образовательных программ.

Для подготовки специалистов-физиков базовых кафедр ведущих российских технических университетов и университета «Дубна» в ОИЯИ создан комплекс учебных лабораторий, оснащенных современным оборудованием и рядом уникальных установок. Здесь проводятся лабораторные практикумы по атомной физике, оптике и молекулярной физике, работает учебная лаборатория ядерной физики.

В УНЦ осуществляется подготовка и повышение квалификации рабочих, ИТР и служащих.