Российские ученые разработали гибридный материал на основе пластика и редкоземельного металла гадолиния. Полученный материал сам не обладает радиоактивным фоном, но при этом может фиксировать и поглощать постороннее излучение. Эти уникальные свойства позволяют использовать его для изготовления оболочек детекторов для обнаружения частиц темной материи. Результаты работы опубликованы в журнале Materials. Материал предназначен для эксперимента по обнаружению темной материи DarkSide 20K, который планируют запустить в Италии в 2025-2026 годах.
Все известное ученым вещество, из которого состоят планеты, звезды, галактики, межзвездный газ, составляет, по разным оценкам, от пяти до 15 процентов массы Вселенной. Остальное — темная материя, которая никак не взаимодействует с электромагнитными волнами, а значит, невидима для большинства существующих приборов. Однако она участвует в гравитационных взаимодействиях, и поэтому ученые уверены, что она все-таки существует. Иначе сложно объяснить нетипичное поведение некоторых галактик, искажение света далеких звезд и многие другие астрономические наблюдения.
Пока ученые не смогли достоверно зафиксировать по каким-либо сигналам, пусть даже косвенным, ни одной частицы темной материи. Тем не менее они запускают все новые и новые эксперименты, в которых планируют установить взаимодействия таких частиц с атомами привычного вещества. Один из таких экспериментов — DarkSide — реализуется в Национальной лаборатории Гран-Сассо в Ассерджи, Италия. Исследователи здесь пытаются поймать частицы темной энергии в огромных камерах-мишенях, наполненных инертным газом аргоном. По предположению ученых, частицы темной энергии, пролетая сквозь такую ловушку, могут столкнуться с атомами аргона и рассеяться на них, обнаружив свое присутствие в виде характерных сигналов.
Чтобы исключить сигналы от других, не связанных с темной энергией событий, например всепроникающего космического излучения, камеры спрятаны глубоко под землей. Но есть и другая проблема — попадание в детектор высокоэнергетичных нейтронов, которые выделяются при делении урана или других радиоактивных элементов, входящих в виде примесей в материал детектора.
Ученые РХТУ им. Д. И. Менделеева, НИИЯФ МГУ, ОИЯИ и НИУ БелГУ предложили для оболочки детектора гибридный материал 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. Другая составляющая гибридного материала — редкоземельный металл гадолиний. Он лучше других нерадиоактивных элементов захватывает тепловые нейтроны. Это свойство гадолиния уже активно используют, например, в МРТ-исследованиях, делают из него контейнеры для захоронения радиоактивных отходов и так далее.
"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 ультранизкофоновым по радиоактивным элементам. Это наша часть проекта: мы работаем над созданием конструкционных элементов из такого материала", — приводятся в пресс-релизе РХТУ слова одного из авторов исследования, Игоря Аветисова, заведующего кафедрой химии и технологии кристаллов. Исследователи произвели опытное количество нового материала и показали, что его чистоты достаточно для изготовления корпуса детектора темной материи.
