После перехода Ю. Д. Прокошкина в ИФВЭ оставшуюся в ЛЯП группу в 1964 г. возглавил 31-летний Валентин Иванович Петрухин.

В группу в течение 1964-69 гг. вошли: Давид Михайлович Хазинс (физик, 27 лет, позднее перешедший в сектор Л. Л. Неменова, уехал в США), Зенон Цисек (инженер-электронщик, ~30 лет, Польша), Николай Николаевич Хованский (инженер-электронщик, ~30 лет), Зиновий Владимирович Крумштейн (физик, 25 лет), Анатолий Иванович Ронжин (физик, 24 года, позднее перешёл в ИФВЭ, уехал в США), Георгий Александрович Шелков (физик, 24 года), Татьяна Александровна Агудина-Молоканова (радиомонтажница, ~20 лет), Нина Николаевна Хованская (радиомонтажница, ~30 лет).

Стратегия работы группы осталась традиционной для ЛЯП раннего периода — группы сначала разрабатывали методику и детекторы для её воплощения и после этого приступали к решению физических задач, для которых она была адекватной.

Первой методикой, освоенной группой, стала времяпролетная методика. Созданный на базе сцинтилляционных счетчиков и разработанный в группе электроники спектрометр по времени пролета имел рекордное для тех лет временное разрешение (2τ_1/2 = 0,44 нс). Первым экспериментом, выполненным на пучке ускорителя ЛЯП, стал эксперимент по сравнению времен жизни π⁺ и π^--мезонов. Полученный результат показал, что разность времен жизни τ⁺ / τ^- - 1 = (0,14 ± 0,29)%, что на момент опубликования статьи было в 1,6 раза лучше имеющихся мировых данных.

Следующими работами были эксперименты по измерению спектра дейтронов, испускаемых при взаимодействии протонов с энергией 670 МэВ с рядом ядер от дейтерия до свинца. Эти исследования являлись фактически продолжением на более высоком уровне эксперимента, выполненного в 1957 г. в ЛЯП группой М. Г. Мещерякова и Л. С. Ажгирея, в котором были обнаружены (и зарегистрированы как открытие) «прямые ядерные реакции». Было показано, что при бомбардировке ядер протонами образуются высокоэнергичные дейтроны, кинематически соответствующие процессу упругого рассеяния протонов на квазидейтронных группах внутри ядра. Это было еще одним подтверждением того, что ядро — это не упаковка с определенным числом протонов и нейтронов, а сложная динамическая система, в которой, в частности, с заметной вероятностью появляются связанные состояния протона с нейтроном — дейтрон и другие более сложные «ядра». В этих работах активно участвовал, а в 1975 г. по этим материалам защитил кандидатскую диссертацию З. В. Крумштейн.

Еще одним активно развивавшимся направлением исследований, по результатам которого В. И. Петрухин защитил кандидатскую и докторскую диссертации, было сначала открытие, а затем и детальное изучение эффекта образования на водороде π-мезоатомов в результате торможения и остановки в водороде отрицательных π^--мезонов. Как можно выделять такие случаи? Свободный π^--мезон распадается на отрицательный мюон и мюонное антинейтрино π^- → μ^- + ν с временем жизни ~26 нс. Но если π^--мезон останавливается и захватывается на уровень атома водорода, то с большой вероятностью происходит реакция с образованием нейтрального π⁰-мезона, который тут же распадается на два гамма-кванта с энергией ~ 70 мэВ каждый: π^- + p → n + π⁰ → 2γ.

По этому очень характерному признаку (2γ) такой процесс надежно идентифицируется. Это позволяет исследовать своеобразие мезоатомных и мезомолекулярных процессов в различных водородосодержащих веществах.