Российские ученые разработали материал для детектора темной материи

Если собрать всю известную ученым материю — планеты, звезды, галактики, газ, — то она составит, по разным оценкам, только от 5 до 15% массы Вселенной. Все, что за пределами этого небольшого числа, ученые называют темной материей. Она никак не взаимодействует с электромагнитными волнами, а значит, невидима для большинства существующих приборов. Однако частицы темной материи вступают в гравитационные взаимодействия, и поэтому ученые уверены, что они всё-таки существуют. Иначе сложно объяснить нетипичное поведение некоторых галактик, искажение света далеких звезд и многие другие наблюдения.

Пока ученые не поймали ни одной частицы темной материи, то есть не смогли достоверно зафиксировать по каким-нибудь сигналам, пускай даже косвенным, факт взаимодействия такой частицы с атомами привычного вещества. Тем не менее они запускают всё новые и новые эксперименты. Чаще всего частицы пытаются поймать в огромных камерах-мишенях, наполненных веществом - например, инертным газом аргоном. Частицы темной энергии, пролетая сквозь такую ловушку, могут столкнуться с атомами аргона и рассеяться на них, обнаружив свое присутствие характерными сигналами.

Но схожие сигналы могут появиться и от других, менее интересных событий. Например, при попадании в детектор высокоэнергетичных нейтронов: они выделяются при делении урана или других радиоактивных элементов, входящих в виде примесей в материал детектора, а также могут образоваться при взаимодействии космических лучей с ядрами детектора. Чтобы спрятаться от всепроникающего космического излучения, ловушки темной материи обычно сооружают глубоко под Землей. Дополнительно их упаковывают в оболочки из материалов с максимально низкими радиационным фоном, которые поглощают остаточные тепловые нейтроны.

«В международном проекте DarkSide 20К, который реализуется в подземной лаборатории Гран Сассо в Италии, строят 20-тонную камеру с жидким аргоном, которая потенциально сможет уловить частицы темной материи. Этой камере нужна оболочка, поглощающая фоновые нейтроны, чтобы они не влияли на взаимодействие частиц темной материи с ядрами аргона. К тому же, материал оболочки сам по себе должен быть ультра-низкофоновым по радиоактивным элементам. Это наша часть проекта: мы работаем над созданием конструкционных элементов из такого материала», — поясняет заведующий кафедрой химии и технологии кристаллов РХТУ и один из авторов работы, Игорь Аветисов.

Чище, еще чище

Оболочку гигантской камеры-мишени с аргоном химики РХТУ предложили создать из гибридного материала на основе пластика — полиметилметакрилата более известного как оргстекло. Это недорогой и низкофоновый материал, который к тому же содержит большое количество водорода, атомы которого способствуют захвату посторонних фоновых нейтронов. Другой составляющей гибридного материала станет редкоземельный металл гадолиний. Он лучше других нерадиоактивных элементов захватывает тепловые нейтроны. Это свойство гадолиния уже активно используют, например, для контрастирования в МРТ-исследованиях, делают из него контейнеры для захоронения радиоактивных отходов и т.д. Гадолиний с одной стороны усилит пластик в защите камеры-мишени от радиоактивного излучения, а с другой позволит фиксировать и оценивать текущий нейтронный фон, чтобы потом отделять от него сигналы от частиц темной материи.

Гибридный органо-неорганический материал должен быть однородным по всему объему — и к тому же ультра-низкофоновым. Это значит, что его нужно очистить от радиоактивных урана и тория, которые обычно сопровождают гадолиний при добыче и переработке. Найти нужное количество — более 500 килограмм — чистого гадолиния на рынке металлов практически невозможно. Поэтому ученые взяли различное гадолиний-содержащее сырье и оценили содержание урана и тория. Во всех образцах оно оказалось слишком высоким для оболочки камеры-мишени, поэтому нужно было продумать технологию очистки.

В качестве исходного гадолиниевого сырья использовали хлорид гадолиния. Его хлорировали, а потом термически отжигали, то есть нагревали в вакууме. При нагревании хлориды урана и тория выделялись в отдельные фракции, оставляя гадолиниевый препарат чистым - содержание посторонних примесей в хлориде гадолиния после очистки составляло не более 1х10^-11 процента. Такой чистоты уже было достаточно для создания гибридного низкофонового материала. Следующим шагом стало внедрение гадолиния в пластик. Для этого использовалась термическая полимеризация: пластик синтезировали из его мономера в присутствии ацетилацетоната гадолиния, который синтезировали из ультра-низкофонового хлорида гадолиния. Ацетилацетонат гадолиния постепенно растворялся в мономере равномерно распределялся по объему полиметилметакрилата.

«Нагрев будущего полимера проводится поступенчато, градус за градусом. Для того, чтобы полимеризовать образец материала толщиной в 5 см размером 1 м на 1 м, требуется 20-30 суток. Быстрее нельзя. Мне рассказывал коллега из Китая, что он попробовал ускорить процесс — так у него там все взорвалось! Хорошо, что объем образца был небольшой. А для проекта нам потребуется толщина материала в 15 см, а может быть и больше», — говорит Игорь Аветисов.

В результате ученые получили желаемый гибридный полимер - небольшие плитки полиметилметакрилата толщиной в 5 см с массовым содержанием гадолиния в 1.5 %. Также они оценили содержания радиоактивных урана и тория в этом материале и показали, что его чистоты достаточно для изготовления корпуса детектора темной материи.

Задача, достойная попасть в историю науки

До запуска эксперимента на установке DarkSide 20K еще немало времени — он запланирован на 2025-26 гг, но емкость с аргоном начнут строить через пару лет. Кроме того, одновременно с DarkSide в мире сооружают еще несколько мегаустановок для изучения редких физических событий, которым тоже может потребоваться ультра-низкофоновый материал.

«Задача, подобная нашей — создание гибридного материала на основе гадолиния, — до сих пор еще никем не решалась. Это область совершенно не рыночная, а исключительно научная. Такие низкофоновые материалы нужны только в экспериментах по изучению явлений, подобных поиску темной материи. Мы давно ведем исследования в области особо чистых материалов. Например, несколько лет назад разработали ультра-низкофоновый материал на основе селена и молибдена для проекта по изучению неуловимых нейтрино NEMO во Франции, — говорит Игорь Аветисов. — Сегодня нам известно не больше 15% материи во Вселенной. Остальное — тайна за семью печатями. Что она хранит? Гадать можно бесконечно. И поэтому новые знания в этом направлении всегда нужны. Можно ставить перед собой реальные задачи. А можно — амбициозные. Вопрос — как сделать, чтобы задача была с одной стороны выполнимой, а с другой — не мелкой, не обыденной, достойной попасть в историю науки».

Справочная информация

РХТУ им. Д.И. Менделеева — опорный университет химической отрасли России, работа которого направлена не только на получение новых знаний, но и на внедрение их в промышленность. Исследование проведено сотрудниками кафедры химии и технологии кристаллов РХТУ в коллаборации с учеными из НИИ ядерной физики имени Д. В. Скобельцына МГУ, Объединённого института ядерных исследований и Белгородского государственного национального исследовательского университета при финансовой поддержке Министерства образования и науки.

Статья: M. Zykova et al, Hybrid Ultra-low-radioactive material for protecting dark matter detector from background neutrons, Materials (Q2), 2021, DOI: 10.3390/ma14133757