W Instytucie działa osiem Laboratoriów Naukowych i Oddziałów na prawach Laboratoriów:

lp	Nazwa laboratorium	Skrót nazwy
1	Laboratorium Wysokich Energii	LFWE
2	Laboratorium Problemów Jądrowych	LJP
3	Laboratorium Fizyki Teoretycznej	LTF
4	Laboratorium Fizyki Neutronowej	LNF
5	Laboratorium Reakcji Jądrowych	LJR
6	Laboratorium Technologii Informatycznych	LIT
7	Laboratorium Fizyki Cząstek	LFC
8	Laboratorium Biologii Radiacyjnej	LRB
9	Centrum Naukowo-Dydaktyczne	UNC

 

W ramach tego tradycyjnego dla Instytutu podziału, poszczególne Laboratoria rozwijają własną infrastrukturę badawczą i prowadzą badania w swoich dziedzinach, realizując poszczególne tematy badawcze samodzielnie lub we współpracy z innymi Laboratoriami. Tradycją Instytutu jest także wysoka ranga naukowa dyrektorów Laboratoriów; zwykle są nimi członkowie akademii nauk.

Na infrastrukturę badawczą Instytutu składa się szereg unikalnych urządzeń badawczych stanowiących wyposażenie poszczególnych Laboratoriów:

• Synchrocyklotron oddany do użytku w 1949 roku, przyśpieszający protony do najwyższej wówczas w świecie energii 680 MeV, był pierwszym urządzeniem ZIBJ zainstalowanym w Laboratorium Problemów Jądrowych ( LPJ). Po modernizacji, od 1984 roku jako Fazotron, pracuje do dzisiaj – obecnie głównie jako źródło wiązek protonów dla radioterapii nowotworowej oraz dla badań radiacyjnych (LRB).
• Synchrofazotron, uruchomiony w 1957 roku w Laboratorium Fizyki Wysokich Energii - LWE i przyśpieszający protony do energii 10 GeV był także w swoim czasie akceleratorem o najwyższej w świecie energii. Akcelerator ten był eksploatowany do początków naszego wieku.
• Nuklotron, pierwszy w świecie akcelerator z magnesami nadprzewodzącymi, rozpoczął pracę w roku 1993. Z czasem zastąpił Synchrofazotron i umożliwił rozwój relatywistycznej fizyki jądrowej w ZIBJ. Nuklotron pozwala przyśpieszać jądra od wodoru do uranu z natężeniem wiązki 108 -1013 cząstek w impulsie o energii 6-7 GeV na nukleon. Po modernizacji, jako Nuklotron-M, jest od 2011 roku wykorzystywany do prowadzenia badań z dziedziny fizyki ciężkich jonów wysokich energii i fizyki cząstek elementarnych. Podstawowe kierunki tych badań to analiza struktury spinowej nukleonów, weryfikacją Modelu Standardowego, łamanie symetrii CP i poszukiwanie nowych teorii struktury materii jądrowej.
• Cyklotrony U-200, U-400, U-400M, IC-100 i mikrotron T-25 znajdujące się w Laboratorium Reakcji Jądrowych (LRJ) stanowią unikalny w skali światowej kompleks akceleratorów. Wykorzystując ten kompleks, w LRJ prowadzone są badania o randze światowej: synteza nowych pierwiastków w obszarze tzw. wyspy stabilności, badanie własności fizycznych i chemicznych izotopów superciężkich, badanie charakterystyk spontanicznego i wymuszonego rozpadu jąder, spektroskopia izotopów pierwiastków ciężkich i transuranowych, a także badanie struktury lekkich egzotycznych systemów jądrowych w reakcjach z jądrami stabilnymi i niestabilnymi (radioaktywnymi).

Laboratorium dysponuje dwoma analizatorami ciężkich produktów reakcji jądrowych, wykorzystujących technikę „evaporation residua” w reakcjach z ciężkimi jonami. Jeden z nich to separator magnetyczny, z pomocą którego zarejestrowano nowe jądra atomowe o liczbach porządkowych Z=114-118, zaś drugi to separator elektrostatyczny, wykorzystywany w badaniach spektroskopowych izotopów pierwiastków superciężkich. Dla precyzyjnego pomiaru mas izotopów pierwiastków superciężkich wykorzystywany jest spektrometr masowy MASHA pracujący w czasie rzeczywistym z wiązką cyklotronu U-400M. Spektroskopia α, β i γ transuranowców wykonywana będzie w ramach projektu GABRIELA.

Realizowany jest systematyczny program badań z użyciem jonowych wiązek izotopów radioaktywnych otrzymywanych zarówno metodą fragmentacji wiązki pierwotnej z cyklotronu U-400M jak też produkowanych metodą ISOL na stanowisku DRIBs (Dubna Radioactive Ion Beams). Wykorzystanie magnetycznego separatora wtórnych wiązek ACCULLINA (Accurate Line) umożliwiło wykonanie wielu badań o charakterze pionierskim.

Wiązki ciężkich jonów stanowią doskonały instrument do badań z dziedziny fizyki stosowanej, stanowiąc unikalne narzędzie do badania uszkodzeń radiacyjnych w materiałach używanych np. w konstrukcjach reaktorów jądrowych. Dzięki możliwości otrzymywanie w krótkim czasie gęstości defektów radiacyjnych porównywalnej z gęstościami występującymi w wyniku wieloletniej ekspozycji w intensywnych strumieniach neutronów reaktorowych, możliwe jest badanie zmian własności konstrukcyjnych materiałów istotnych dla bezpieczeństwa jądrowego. W innych zastosowaniach wiązek jonowych wykorzystuje się ich zdolność do modyfikacji struktury napromienianego materiału w skali nanometrowej, celem wytworzenia materiałów o własnościach pożądanych np. w optoelektronice, czy innych gałęziach techniki. Dla przykładu, wyprodukowane w LRJ nanometrowe membrany filtrujące znalazły już zastosowanie w medycynie. Innowacyjne materiały będące w trakcie opracowywania mogą być wykorzystane w badaniach mikroprzepływów, konstrukcji czujników molekularnych oraz do innych zastosowań współczesnej biotechnologii.

W najbliższych latach kompleks cyklotronów LRJ poddany będzie modernizacji i wejdzie do eksploatacji jako DRIBs-III. W ramach tego projektu zostaną zmodernizowane cyklotrony U-400 i U-400M, wybudowana zostanie nowa hala eksperymentalna, skonstruowany uniwersalny separator do syntezy i badań pierwiastków superciężkich oraz detektor kriogeniczny do badania ich właściwości chemicznych. Zbudowane zostaną również: laboratorium radiochemiczne, separator jąder radioaktywnych i neutrononadmiarowych, uniwersalny spektrometru do badania reakcji z jądrami egzotycznymi z wiązki separatora, a także detektory promieniowania γ i neutronowe. Pozwoli to utrzymać pozycję ZIBJ jako światowego lidera w badaniach z wykorzystaniem jonów niskich i średnich energii.

Reaktor IBR (Impulsnyj Bystryj Reaktor) zbudowany pod kierownictwem pierwszego dyrektora ZIBJ, D. I. Błochincewa i oddany do użytku w 1960 roku, był pierwszym w świecie impulsowym reaktorem wykorzystującym neutrony prędkie. W 1984 roku zastąpił go IBR-2. Po modernizacji został uruchomiony w 2011 roku jako IBR-2M, który wraz urządzeniem IREN (Istocznik Rezonansowych Neutronów) oraz EG-5 (Elektrostaticzeskij Generator) stanowią podstawowe urządzenia badawcze Laboratorium Fizyki Neutronowej (LFN).

Z wykorzystaniem tych urządzeń prowadzone są w LFN kompleksowe badania z dziedziny neutronowej fizyki jądrowej: reakcji jądrowych wywołanych neutronami, podstawowych własności neutronów, fizyki neutronów ultrazimnych jak również badania w obszarze skondensowanej fazy materii: struktury krystalicznej i dynamiki strukturalnej w innowacyjnych materiałach.

Neutronowe metody badania materii pozwalają na otrzymanie szczegółowych informacji o strukturze atomowej i magnetycznej oraz dynamice struktur różnych materiałów. Podstawowymi kierunkami badań są magnetyzm nanostruktur warstwowych, nanodiagnostyka magnetycznych układów koloidalnych i nanomateriałów węglowych oraz polimerów nanodyspersyjnych, badanie struktury i funkcji biologicznych makromolekuł białek, DNA, RNA oraz struktury kompleksów lipidowo-białkowych.

W związku z uruchomieniem mikroskopu CARS (Coherent Anti-Stokes Raman) przewiduje się wykonanie badań DNA i widm ramanowskich struktur białkowych.

We współczesnych badaniach naukowych wymagane jest podejście interdyscyplinarne wykorzystujące różne metody fizyki jądrowej. Unikalna infrastruktura doświadczalna oraz szeroki zakres prowadzonych w ZIBJ badań teoretycznych umożliwiają prowadzenie badań podstawowych i stosowanych w dziedzinach biologii i medycyny, materiałoznawstwa, geofizyki, czy diagnostyki przemysłowej.

Plany rozwoju programu naukowego Instytutu związane są przede wszystkim z rozbudową i modernizacją własnej infrastruktury badawczej. Po zwiększeniu energii i natężenia wiązek jonowych wytwarzanych w akceleratorach, możliwe będzie kontynuowanie prowadzonych obecnie badań w znacznie szerszym zakresie.

Największym urządzeniem odnowionej bazy doświadczalnej ZIBJ będzie zderzacz jonowy wiązek przeciwbieżnych NICA (Nuclotron-based Ion Collider fAcility), przeznaczony do badań w dziedzinie fizyki ciężkich jonów wysokich energii. Projekt NICA przewiduje powstanie unikalnego kompleksu – kaskady akceleratorów, który pozwoli na realizację bogatego programu podstawowych badań fizycznych w obecnie niedostępnych obszarach energii i mas oddziaływujących cząstek. W celu pełnego wykorzystania możliwości tego kompleksu niezbędne jest stworzenie odpowiednich kompleksowych stanowisk pomiarowych. Planuje się budowę dwóch takich stanowisk detektorów: MPD (Multi Purpose Detector) i SPD (Spin Physics Detector).

Stanowisko MPD umożliwi badane silnych oddziaływań w materii hadronowej o wysokiej gęstości i temperaturze, gdzie spodziewane jest wystąpienie stanu tzw. fazy mieszanej, w której jądro składa się równocześnie z hadronów i materii kwarkowo-gluonowej. Podstawowy cel badawczy stanowi tu wykrycie przejścia fazowego związanego z tymi stanami.

Stanowisko SPD umożliwi badanie oddziaływań wiązek jonów o wysokim natężeniu w zakresie aż do jonów Au+79 przy średniej świetlności L=1027 cm-2 s-1 w przedziale energii √sNN =4-11 GeV a także wiązek spolaryzowanych protonów (√sNN do 20 GeV) i deuteronów (√sNN do 12 GeV) z polaryzacją podłużną i poprzeczną, co umożliwi badanie spinowej struktury nukleonów w znacznie szerszym niż dotychczas zakresie.

ZIBJ uczestniczy również w pracach związanych z planami budowy akceleratora i detektorów w ramach projektu ILC (International Linear Collider). Okolice Dubny stanowią jedną z pięciu możliwych lokalizacji tego zderzacza. Naturalną konsekwencją tych starań jest uczestnictwo Instytutu w projektowaniu detektorów i przygotowaniu programu badań z wykorzystaniem ILC. Przewiduje się kontynuację prac projektowych dotyczących udziału ZIBJ także w innych programach europejskich: elementów lasera na swobodnych elektronach, prototypu fotoinżektora, kriogenicznych modułów czwartej generacji, oraz laserowego kompleksu metrologicznego, planowanych do realizacji w ramach europejskiej infrastruktury badawczej.

ZIBJ włączył się w projekt modernizacji gospodarki rosyjskiej zainicjowany przez prezydenta D. Miedwiediewa. Partnerami ZIBJ są Fundacja „Skołkowo” i Rosyjska Korporacja Nanotechnologii „Rusnano” (Biuletyn PISM nr 44 z 30.04.2013 r.: Pomimo jakościowych badań teoretycznych i ogromnych wydatków przemysł nanotechnologiczny nie odnosi sukcesu komercyjnego, ponieważ jest zdominowany przez państwowa firmę Rusnano).