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 опубликованыв 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 5 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 существуют. 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 — попадании 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 т. д.

"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 ультра-низкофоновым 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.