Новый конструкционный материал для детекторов частиц темной материи
Рисунок 1. Распределение гадолиния по толщине в образцах нового гибридного материала. В правом верхнем углу Рис. приведена фотография среза одного из образцов, демонстрирующая однородность распределения гадолиния в полиметилметакрилате.
Будущий детектор DarkSide-20k — установка второго поколения эксперимента DarkSide по обнаружению темной материи. Темная материя — это форма материи, которая не участвует в электромагнитном взаимодействии, из-за чего она практически недоступна прямому наблюдению, но может, как предполагают ученые, проявляться в слабом и гравитационном взаимодействиях. В частности, наличие во Вселенной тёмной материи объяснило бы наблюдаемое гравитационное линзирование (эффект искажения света далеких звезд) и аномально высокую скорость вращения внешних областей галактик. Состав и природа темной материи до сих пор неизвестны: её частицы не обнаружены. Наиболее вероятные кандидаты на роль темной материи — слабо взаимодействующие массивные частицы (или “вимпы” от английского WIMPs, Weakly Interacting Massive Particles).
Ученые пытаются регистрировать такие частицы, используя их возможные взаимодействия с ядрами атомов обычного вещества. Чтобы исключить сигналы от других процессов, детекторы частиц темной материи помещают глубоко под землю в условия низкого радиационного фона, а их мишени заключают в многослойные оболочки из активной и пассивной защиты. Главным источником фоновых событий являются нейтроны, которые могут легко имитировать рассеяние частиц тёмной материи на ядрах рабочего вещества. Конфигурация детектора DarkSide-20k требовала создания нового конструкционного материала для стенок внутренних буферных слоёв (вето), предназначенных для уменьшения уровня нейтронного фона в аргоновой мишени. Новый гибридный материал должен замедлять и поглощать нейтроны, испуская одновременно гамма-кванты, чтобы помечать фоновые события.
Поиск редких процессов накладывает крайне высокое требование на эффективность регистрации нейтронов. За 10-15 лет работы детектора суммарный нейтронный фон в чувствительной области мишени после всех процедур обработки данных не должен превышать одного события. Обеспечить такую степень защиты можно лишь путём максимального подавления собственной радиоактивности материалов, вызванной присутствием в них долгоживущих изотопов урана и тория, которые инициируют (α,n)-реакции. Отсюда вытекает требование ультранизкофоновости нового материала.
Внешней оболочкой детектора DarkSide-20k будет криостат, аналогичный криостату экcперимента ProtoDUNE. Все внутренние материалы не должны терять своих механических качеств при температуре 87 К (-186 0С).
Удовлетворить всем перечисленным требованиям можно путём создания гибридного материала на основе полиметилметакрилата (более известного как оргстекло) с добавлением (желательно равномерно по объёму) некоторого соединения гадолиния. Расчёты показали, что чистого гадолиния надо добавить очень много: примерно 1-2% по массе. Конфигурация детектора предусматривает суммарную массу пластиковой конструкции с гадолинием около 12 т, причём составлена она должна быть из листов с габаритными размерами 1x1x0,05 м. Это означает, что перед группой учёных ставилась задача не просто разработать материал с конкретными свойствами, а создать технологию, которая допускала бы масштабирование производства до уровня промышленного выпуска. Облегчающим фактором было отсутствие требования прозрачности материала, так как он не планировался к использованию в качестве сцинтиллятора. С точки зрения физики было необходимо лишь улавливать нейтроны, при захвате которых на ядрах рождались гамма-кванты, легко регистрируемые в буферных аргоновых слоях.
Поставленная цель была успешно достигнута. В цепочке сменяющих друг друга операций химического синтеза и очистки удалось получить сверхчистые ацетилацетонат гадолиния и метилметакрилат, которые потом были успешно смешаны, а получившийся истинный раствор термически полимеризован. Важно отметить, что достигнуты и гарантированы технологией беспрецедентные уровни чистоты по урану и торию, 0,011 ppb и 0,016 ppb соответственно. Указанные значения являются пределами точности использованного метода масс-спектрометрии (ИСП-МС).
“На текущий момент опытные образцы прошли все необходимые испытания. Ведутся работы по созданию инфраструктуры для производства нового конструкционного материала в промышленных масштабах. Материал перспективен для использования не только в фундаментальных исследованиях, но и в различных ядерных установках народно-хозяйственного назначения, а также в приборах, предназначенных для работы в экстремальных погодных условиях, например в зимние периоды или на Крайнем Севере. Хочется обратить внимание на определяющий идейный и организационный вклад в исследование со стороны наших коллег Игоря Христофоровича Аветисова (РХТУ) и Александра Сергеевича Чепурнова (НИИЯФ МГУ)”, – отметил один из авторов исследования, научный сотрудник Лаборатории ядерных проблем им. В. П. Джелепова ОИЯИ, к. ф.-м. н. Максим Громов.
Максим Громов | Фото Ирины Сидоровой
Разработка ультранизкофонового конструкционного материала для нейтронного вето — важный этап в создании детектора DarkSide-20k. Уже сейчас планируется дальнейшее развитие проекта, подразумевающее строительство ещё большей установки Argo, которая позволит охватить почти всю возможную для наблюдения область параметров частиц тёмной материи. Наличие ультранизкофонового конструкционного материала, способного не терять своих качеств при криогенных температурах и обеспечивать эффективное замедление и захват нейтронов, является необходимым условием успешности эксперимента.
