Ученые из РФ представили материал для определения темной материи
Ученые РХТУ им. Д.И. Менделеева, НИИЯФ МГУ, ОИЯИ и НИУ БелГУ разработали гибридный материал, который не имеет радиоактивного фона и может фиксировать, а также поглощать стороннее излучение. Материал выполнен на основе пластика и редкоземельного металла гадолиний. Его свойства позволят изготавливать оболочки детекторов, предназначенных для обнаружения частиц темной материи, говорят разработчики.
Гибридный сверхнизкорадиоактивный материал для защиты детектора темной материи от фоновых нейтронов
Результаты работы опубликованы в журнале Materials. Материал предназначен для эксперимента DarkSide 20K, который планируют запустить в Италии в 2025–2026 гг. Проект реализуется в подземной лаборатории Гран Сассо в Италии. Там 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.
Ученые объясняют, что темная материя, которая составляет до 95% массы Вселенной, никак не взаимодействует с электромагнитными волнами, а значит, невидима для большинства существующих приборов. Однако частицы темной материи вступают в гравитационные взаимодействия. До настоящего времени исследователям не удавалось поймать хотя бы одну такую частицу или зафиксировать сигнал или факт взаимодействия такой частицы с атомами привычного вещества. Частицы темной материи пытаются уловить в огромных камерах-мишенях, наполненных веществом, в качестве которого иногда выступает инертный газ аргон. Проходя через такую ловушку, частицы могут столкнуться с атомами аргона и рассеяться на них, обнаружив свое присутствие характерными сигналами.
По словам ученых, сигналы можно получить и при попадании частиц темной материи 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.
Ловушки темной материи обычно сооружают глубоко под Землей и дополнительно упаковывают в оболочки из материалов с максимально низкими радиационным фоном, которые поглощают остаточные тепловые нейтроны.
Химики РХТУ предложили создать гибридный материал на основе пластика — полиметилметакрилата или оргстекла. Он является недорогим и низкофоновым, а также содержит большое количество водорода, атомы которого способствуют захвату посторонних фоновых нейтронов. Кроме того, для гибридного материала использовали гадолиний. Он лучше других нерадиоактивных элементов захватывает тепловые нейтроны. Гадолиний уже активно применяют для контрастирования в МРТ-исследованиях, делают из него контейнеры для захоронения радиоактивных отходов и т.д. Он позволит усилить пластик в защите камеры-мишени от радиоактивного излучения и фиксировать текущий нейтронный фон, чтобы потом отделять от него сигналы от частиц темной материи.
Гибридный материал потребовалось сделать однородным по всему объему и ультра-низкофоновым. Для этого его нужно было очистить от радиоактивных урана и тория, которые обычно сопровождают гадолиний при добыче и переработке. Однако найти более 500 кг чистого гадолиния на рынке металлов практически невозможно. Поэтому ученые взяли различное гадолиний-содержащее сырье и оценили содержание урана и тория. В качестве исходного гадолиниевого сырья использовали хлорид гадолиния. Его хлорировали, а потом термически отжигали, нагревая в вакууме.
Установка для хлорирования порошковых препаратов: 1 — сосуд Дрекселя; 2 — вентиль реактора из кварцевого стекла; 3 — отводящая система с противогрибковым уплотнением; 4 — стеклоуглеродный контейнер для GdCl3; 5 — стеклоуглеродный контейнер для NH4Cl; 6 — двухзонная резистивная печь с термоизоляцией из керабланкет; 7 — впускной трубопровод с противогрибковым уплотнением; 8 — соединитель капиллярной трубки для ввода газа; 9 — двухканальный регулятор температуры; 10 и 11 — регулятор массового расхода; 12 — блок управления регуляторами массового расхода; 13 — баллон с HCl; 14 — баллон с аргоном.
При нагревании хлориды урана и тория выделялись в отдельные фракции, оставляя гадолиниевый препарат чистым.
Концентрации тория и урана в различном гадолиниевом сырье
Затем гадолиний потребовалось внедрить в пластик. Эту операцию провели путем термическая полимеризации: пластик синтезировали из его мономера в присутствии ацетилацетоната гадолиния, который синтезировали из ультра-низкофонового хлорида гадолиния. Ацетилацетонат гадолиния постепенно растворялся в мономере и равномерно распределялся по объему полиметилметакрилата.
Нагрев будущего полимера проводится поступенчато, градус за градусом. Для того, чтобы полимеризовать образец материала толщиной в 5 см размером 1×1 м, потребовалось 20–30 суток. При этом для реализации проекта DarkSide 20K ученым потребуется материал толщиной минимум в 15 см.
В результате ученые получили небольшие плитки полиметилметакрилата толщиной в 5 см с массовым содержанием гадолиния в 1,5%. Низкое содержание радиоактивных урана и тория позволило изготовить из материала корпус детектора темной материи.
В рамках проекта DarkSide 20K емкость с аргоном начнут строить уже через пару лет. Одновременно по всему миру сооружаются еще несколько мегаустановок для изучения редких физических событий, которым тоже может потребоваться ультра-низкофоновый материал, говорят ученые.
