Тёмная материя: источник нейтронов в Белгороде?

В лаборатории НИУ «БелГУ» под руководством доктора физико-математических наук Александра Кубанкина проводят эксперименты с нейтронами. Человек, который далёк от проблем Вселенной, скажет, что это дела научные и лезть в них простому человеку нет смысла – всё равно ничего непонятно. Для корреспондента ИА «Бел.Ру» это прозвучало как вызов – узнать, понять и рассказать другим доступным человеческим языком.

Источник нейтронов в Белгороде?

В одном из корпусов Белгородского госуниверситета проектируется источник нейтронов. Это один из пунктов в большом плане под названием «Как найти тёмную материю?». Источник, по словам одного из исследователей, на выходе должен быть полностью чистым для этого эксперимента. В данный момент все источники имеют большой фон, а этот – нет. Это чистый источник нейтронов.

Почему это важно? Во-первых, никто не знает, что есть тёмная материя. Есть наша галактика, есть барионное вещество нашей галактики – то, из чего мы сделаны. Этого вещества, если изображать на диаграмме, всего 6 %, 26 % – это тёмная материя, всё остальное – это тёмная энергия. Из этого и складывается наша галактика. Иван Никулин старший научный сотрудник лаборатории радиационной физики

Как «поймать» тёмную материю?

Чтобы всё-таки подтвердить существование тёмной материи и каким-то образом её зафиксировать, существует несколько способов. Самый популярный способ регистрации всех частиц – ускоритель, например, большой адронный коллайдер (БАК). Это коллаборационный проект, в котором участвует много университетов по всему миру. По своей задаче БАК разгоняет частицы, сталкивает с другими и смотрит на результат. В поисках тёмной материи (ТМ) идут по тому же пути – пытаются зафиксировать частицы ТМ, которые летят и пронизывают нашу планету.

Например, такие частицы, как нейтрино (они также пронизывают Землю), зарегистрировать удалось. Учёные хотят взять то же самое оборудование и перевести эксперимент на фиксирование уже ТМ.

На сегодняшний день в поисках тёмных частиц задействованы детекторы, основанные на различных физических принципах. Для их создания требуются специальным образом очищенные материалы, не содержащие каких-либо примесей радиоактивных элементов, и отсутствие фона от космического излучения. Именно поэтому установки находятся глубоко под землёй.

По сути, это бочка (или кастрюля, как некоторые считают), криостат серебряного цвета, который заправлен жидким аргоном. Частицы тёмной материи, пролетая через эту бочку, ионизируют атомы аргона, и возникает небольшой квант света. Этот квант света фиксируется датчиками – фотоэлектронными умножителями. Это как если закрыть глаза и кинуть в нас бильярдным шаром – мы не определим, красный он или чёрный. Так и здесь: мы можем только определить, с какой силой он ударился и время удара. Иван Никулин

Проблема только в том, что эта бочка – крайне дорогостоящая вещь. Её необходимо сделать очень чистой, чтобы не было никаких радиоактивных элементов. Например, если туда попадёт один атом урана, он распадётся, возникнет альфа-частица и радиоактивный фотон. Учёные зафиксируют его и подумают, что это и есть тёмная материя. А это всего лишь результат загрязнения прибора. Поэтому очевидно, что прежде чем строить новые огромные и чрезвычайно дорогостоящие детекторы, перспективные методики отрабатываются в лабораторных условиях на детекторах-прототипах.

Получение чистого аргона – это первоочередная задача для эксперимента по поиску ТМ.

Например, эксперимент Borexino предполагает наличие бочки весом 300 т, которая находится на глубине 2 км под землёй и окружена водным баком такой же толщины (2 км). Это всё только для того, чтобы не проникали нитроны. Однако это всё равно не даёт никакой уверенности, что частицы тёмной материи всё-таки пройдут через эту бочку.

Женщина заказала твердотельный кристалл на одном из предприятий в Германии. Он должен был быть очень чистым. Немцы выполнили заказ, и она подписала с предприятием договор, в соответствии с которым они такой кристалл больше никому не сделают. В итоге в своей статье она отметила, что им удалось зафиксировать эти точки. Но кто сможет это проверить? Это же не коллаборационный проект. Иван Никулин

Университеты, которые принимают участие в поиске тёмных частиц, следят за экспериментом удалённо – возле этого криостата никто не присутствует, учёные дистанционно управляют, калибруют установку. Эксперимент идёт, накапливаются данные. Результаты подделать невозможно, можно ошибиться, но не более.

Роль России в «тёмном» проекте и Белгорода в частности

Стоит отметить, что роль России в этом проекте по-своему уникальна. В нашей стране производят ультрорадиационный, чистый титан для корпуса криостата. Этот элемент нигде в мире не могут сделать – только у нас. В России также устанавливаются различные сетчатые «ловушки» (датчики) для регистрации определённых уровней.

Этот датчик надо каким-то образом откалибровать, чтобы он точно указывал, что эта точка – именно то, что нам необходимо. Для этого нужно использовать чистые источники нейтронов. Вот этот калибровочный источник нейтронов делается как раз в Белгороде. Материал для криостата делается с помощью Соликамского магниевого завода, ВСПО – АВИСМА (под Нижним Тагилом) – крупнейшего предприятия по производству титана. В исследовании принимают участие МГУ, Российский химико-технологический университет им. Д. И. Менделеева, Черноголовский институт физики твёрдого тела академии РАН и наш вуз (НИУ «БелГУ» – Прим. ред.). Мы здесь делаем прокатку и получаем готовый материал. Иван Никулин

Кстати, как выяснилось, получить сверхчистый материал для низкофоновых детекторов невероятно сложно. Чистоту проверяют всего в трёх местах. Это закрытые лаборатории в США и Гран-Сассо-д’Италия (гора, под которой находятся детекторы) – большая итальянская лаборатория.

Пока я этим экспериментом не занимался, всё время думал, что итальянцы хорошо делают красивые автомобили, но плохо делают обычные. Оказывается, они больше всех в Европе вкладывают деньги в науку. Особенно в фундаментальную. Иван Никулин

Невероятно, но в России тоже есть такая лаборатория в Баксанском ущелье. Такие же детекторы можно, кстати, установить и в Балаклаве (Крым). Это может стать хорошим коммерческим проектом для нашей страны.

НИУ «БелГУ» всевозможными способами поддерживает белгородских исследователей. Только проблема в том, что проследить за результатами этих вложений очень тяжело. Ведь, несмотря на то, что в этом проекте задействованы сотни вузов, никто до сих пор толком не знает, что искать и где искать.