В лабораториях Института

Mатериал для детекторов темной материи

Научным коллективом при участии ОИЯИ был разработан новый гибридный материал на основе пластика и редкоземельного металла гадолиния. Полученный материал обладает уникальными свойствами, позволяющими использовать его для изготовления оболочек детекторов для обнаружения частиц темной материи. Речь идет об эксперименте по обнаружению темной материи DarkSide-20K. Результаты работы опубликованы в журнале Materials.

О работе рассказывает научный сотрудник ЛЯП Максим Громов: "Над задачей разработки и изготовления опытной партии этого нового ультранизкофонового конструкционного материала несколько лет трудился коллектив ученых из Российского химико-технологического университета имени Д.И.Менделеева, НИИЯФ имени Д.В.Скобельцына МГУ, Международной научно-образовательной лаборатории радиационной физики НИУ "БелГУ" и Объединенного института ядерных исследований. Исследования выполнялись в рамках участия в международном эксперименте DarkSide-20k, являющимся одним из крупнейших проектов в своей области. Детектор планируют запустить в Италии в 2025-2026 годах в подземной низкофоновой лаборатории Гран-Сассо.

Было необходимо создать конструкционный материал для стенок внутренних буферных слоев детектора DarkSide-20k, предназначенных для уменьшения уровня фона в аргоновой мишени. При этом главным источником фоновых событий являются нейтроны, которые могут легко имитировать рассеяние частиц темной материи на ядрах рабочего вещества. Таким образом, новый гибридный материал должен замедлять и поглощать нейтроны, испуская одновременно гамма-кванты, чтобы пометить 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 путем максимального подавления собственной радиоактивности материалов, вызванной присутствием в них долгоживущих изотопов урана и тория, которые инициируют (,n) реакции. Отсюда вытекает требование ультранизкофоновости нового материала.

Внешней оболочкой детектора DarkSide-20k является криостат, аналогичный криостату эксперимента ProtoDUNE. Все внутренние материалы обязаны не терять своих механических качеств при температуре 87 К или -186°С.

Удовлетворить все перечисленные требования можно путем создания гибридного материала на основе полиметилметакрилата, более известного как оргстекло, с добавлением, желательно равномерно по объему, некоторого соединения гадолиния. Расчеты показали, что чистого гадолиния надо добавить очень много - примерно 1-2% по массе. Дизайн детектора предусматривает суммарную массу пластиковой конструкции с гадолинием около 12 т, причем составлена она должна быть из листов с габаритными размерами 1x1x0,05 м. Эти факты означают, что перед группой ученых ставилась задача не просто разработать материал с конкретными свойствами, а создать технологию, которая бы допускала 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 рамках цепочки 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 фактически есть пределы точности использованного метода масс-спектрометрии. В заключение хотелось бы отметить определяющий идейный и организационный вклад в исследование со стороны наших коллег Игоря Христофоровича Аветисова из РХТУ и Александра Сергеевича Чепурнова из НИИЯФ МГУ".

На текущий момент опытные образцы прошли все необходимые испытания. Ведутся работы для создания инфраструктуры для производства нового конструкционного материала в промышленных масштабах. Как отмечает М.Б.Громов, материал перспективен для использования не только в фундаментальных исследованиях, но и для практического применения в различных ядерных установках, в том числе хозяйственного назначения, а также в приборах, предназначенных для работы в экстремальных погодных условиях, например в зимние периоды или на Крайнем Севере.

О проекте DarkSide

Существует множество частиц-кандидатов на роль темной материи, но наиболее распространенными являются так называемые вимпы - Weakly Interacting Massive Particles (WIMPs), что в переводе означает слабо взаимодействующие массивные частицы. Это отсутствующие в Стандартной модели физики элементарные частицы, но предсказываемые рядом теоретических моделей за ее пределами.

Проект DarkSide - это обширная программа прямого поиска частиц темной материи - вимпов, которая ориентирована на серию экспериментов на основе жидкого аргона. Детектор, используемый в проекте DarkSide, относится к типу двухфазных время-проекционных камер.

Сегодня DarkSide - это крупная научная коллаборация, в которую входят ученые из 45 научных центров разных стран.

Группа научных коммуникаций ЛЯП,
фото www.lngs.infn.it/