Ученые Российского химико-технологического университета им. Д. И. Менделеева, НИИ ядерной физики МГУ, Объединенного института ядерных исследований и Белгородского государственного университета разработали гибридный материал на основе пластика и редкоземельного металла гадолиния. Полученный материал сам не обладает радиоактивным фоном и при этом может фиксировать и поглощать постороннее излучение. Эти уникальные свойства позволят использовать его для изготовления оболочек огромных детекторов, предназначенных для обнаружения частиц темной материи. Результаты работы опубликованы в журнале Materials, а сам материал предназначен для эксперимента DarkSide 20K, который планируют запустить в Италии в 2025-2026 гг. Об исследовании рассказал отдел научной коммуникации РХТУ.
По последним данным, темная материя составляет не менее 26,8 % наблюдаемой Вселенной. Она не взаимодействует с электромагнитными волнами, а значит, невидима для большинства существующих приборов. Однако частицы темной материи вступают в гравитационные взаимодействия, благодаря чему присутствие темной материи проявляется в нетипичном поведении некоторых галактик и искажении света далеких звезд.
Частицы темной материи пытаются поймать в огромных камерах-мишенях, наполненных веществом — например, инертным газом аргоном. Эти частицы, 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, 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 низким 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 ультранизкофоновым 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.
Оболочку гигантской камеры-мишени с аргоном химики РХТУ предложили создать из гибридного материала на основе пластика — полиметилметакрилата, более известного как оргстекло. Этот недорогой и низкофоновый материал 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. 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 ультранизкофоновым. Это значит, что его нужно очистить от радиоактивных урана и тория, которые обычно сопровождают гадолиний при добыче и переработке. Найти нужное количество — более 500 килограммов — 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 1×10-11 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 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 м на 1 м, требуется 20–30 суток. Быстрее нельзя. Мне рассказывал коллега из Китая, что он попробовал ускорить процесс — так у него там всё 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 содержание радиоактивных урана и тория в этом материале и показали, что его чистоты достаточно для изготовления корпуса детектора темной материи.
До запуска эксперимента на установке DarkSide 20K еще немало времени: он запланирован на 2025-2026 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 ультранизкофоновый материал.
«Мы давно ведем исследования в области особо чистых материалов. Например, несколько лет назад разработали ультранизкофоновый материал на основе селена и молибдена для проекта по изучению неуловимых нейтрино NEMO во Франции», — рассказывает Игорь Аветисов.
