Rosyjscy naukowcy stworzyli materiał do wychwytywania ciemnej materii

Rosyjscy naukowcy opracowali materiał hybrydowy na bazie plastiku i gadolinu, metalu ziem rzadkich. Sam uzyskany materiał nie ma radioaktywnego tła, ale jednocześnie może utrwalać i pochłaniać promieniowanie obce.

Te unikalne właściwości pozwalają na wykorzystanie go do produkcji powłok detektorów do wykrywania cząstek ciemnej materii. Wyniki prac opublikowano w czasopiśmie „Materials”. Materiał jest przeznaczony do eksperymentu wykrywania ciemnej materii DarkSide 20K, który ma zostać uruchomiony we Włoszech w latach 2025-2026.

Cała znana naukowcom substancja, z której składają się planety, gwiazdy, galaktyki, gaz międzygwiazdowy, stanowi według różnych szacunków od 5 do 15 procent masy Wszechświata. Reszta to ciemna materia, która w żaden sposób nie oddziałuje z falami elektromagnetycznymi, a zatem jest niewidoczna dla większości istniejących urządzeń. Uczestniczy jednak w oddziaływaniach grawitacyjnych, dlatego naukowcy są pewni, że istnieje. W przeciwnym razie trudno wytłumaczyć nietypowe zachowanie niektórych galaktyk, zniekształcenie światła odległych gwiazd i wiele innych obserwacji astronomicznych.

Do tej pory naukowcy nie byli w stanie wiarygodnie zarejestrować za pomocą żadnych sygnałów, nawet pośrednich, ani jednej cząstki ciemnej materii. Niemniej jednak rozpoczynają coraz więcej nowych eksperymentów, w których planują ustalić interakcje takich cząstek z atomami znajomej substancji.

Jeden z takich eksperymentów, DarkSide, jest przeprowadzany w Narodowym Laboratorium Gran Sasso w Assergi we Włoszech. Naukowcy próbują tu uwięzić cząstki ciemnej energii w ogromnych komorach docelowych wypełnionych argonem z gazu obojętnego. Według naukowców przelatujące przez taką pułapkę cząstki ciemnej energii mogą zderzać się z atomami argonu i rozproszyć się na nich, ujawniając swoją obecność w postaci charakterystycznych sygnałów.

Aby wykluczyć sygnały z innych wydarzeń, które nie dotyczą ciemnej energii, takich jak wszechprzenikające promieniowanie kosmiczne, kamery ukryto głęboko pod ziemią. Ale jest jeszcze jeden problem – neutrony wysokoenergetyczne wchodzące do detektora, które są uwalniane podczas rozszczepiania uranu lub innych pierwiastków radioaktywnych, które dostają się do materiału detektora jako zanieczyszczenia.

Naukowcy z rosyjskich uniwersytetów i ośrodków badawczych zaproponowali hybrydowy materiał obudowy detektora oparty na plastiku – polimetakrylanie metylu, lepiej znanym jako pleksiglas. Jest to niedrogi materiał o niskim tle, który zawiera również dużą ilość wodoru, którego atomy przyczyniają się do wychwytywania obcych neutronów tła. Kolejnym składnikiem materiału hybrydowego jest gadolin jako metal ziem rzadkich. Wychwytuje neutrony termiczne lepiej niż inne pierwiastki nieradioaktywne. Ta właściwość gadolinu jest już aktywnie wykorzystywana, na przykład w badaniach MRI, wykonuje się z niego pojemniki do usuwania odpadów radioaktywnych itp.

Naukowcy wyprodukowali eksperymentalną ilość nowego materiału i wykazali, że jego czystość jest wystarczająca do produkcji obudowy detektora ciemnej materii.