Экспериментальная физика топ-уровня
Коллаборация
Совместная работа учёных из разных научных организаций (коллабораций) наиболее эффективна при решении научной проблемы. Опыт разных научных организаций даёт как правило большие результаты и позволяет быстрее достичь поставленной цели. В таких проектах участвуют высококвалифицированные специалисты, а использующееся оборудование зачастую специально разрабатывается только для коллаборации и на рынке появляется только спустя некоторое время после внедрения в эксперименте.
DarkSide является коллаборацией, которую представляют более ста исследователей из более чем 50 ведущих НИИ и университетов мира. Цель проекта – разработать, собрать и запустить детектор прямой регистрации частиц тёмной материи. Сам эксперимент проходит в подземной лаборатории Гран-Сассо Национального института ядерных исследований Италии. Подземная лаборатория состоит из трёх больших залов, созданных под живописным горным массивом на глубине 1400 метров.
Тёмная материя
Само явление тёмной материи в науке пока остаётся неизученным. Однако исследователи уже сегодня могут высказать некоторые предположения по этому поводу.
Планеты солнечной системы вращаются вокруг солнца, их движение с высокой точностью описывается на основе гравитационного взаимодействия. Наблюдая за движением астрофизических объектов в рамках галактик, учёные обнаружили, что известные законы физики достаточно хорошо описывают движение вещества только вблизи центра галактики, а при удалении от него результаты расчёта и наблюдений существенно расходятся. Полученный результат стал основой для нового мощного направления в физике.
Основной путь решения обсуждаемой проблемы учёные видят в поиске значительной части вещества, не наблюдаемого во Вселенной, которое и вносит разногласие в результаты расчёта и наблюдений. Если дополнить известное вещество во Вселенной неким количеством и произвести перерасчёт, то всё становится на свои места в рамках известных законов физики. Это вещество, которое предположительно есть, но мы его не наблюдаем, и носит название «тёмная материя». А вот что это может быть – до сих пор неизвестно, хотя уже на протяжении века ведущие научные коллективы проводят исследования в этом направлении. Удивительным является то, что тёмной материи должно быть гораздо больше, чем наблюдаемого вещества.
Эксперимент
Как и все эксперименты, поиск тёмной материи основан на существующих теоретических предсказаниях, определяющих область параметров процесса, в которой наиболее вероятно найти искомый эффект. Проблема в том, что различных теорий для тёмной материи насчитывается несколько десятков, и почти для каждой нужно готовить отдельный эксперимент. Несмотря на значительные трудности и огромные материальные затраты, поиск тёмной материи продолжается и учёные НИУ «БелГУ» принимают полноправное участие в этом проекте.
Так что же собой представляет детектор тёмной материи и как её обнаружить? Уникальной особенностью детектора DarkSide является использование ультрачистого жидкого аргона в качестве активного вещества, помещённого в криостат. При взаимодействии частиц тёмной материи с активным веществом должна появиться энергия в виде света, которую зафиксируют сотни фоточувствительных датчиков детектора. Для предотвращения ложных срабатываний детектора он окружён металлической сферой диаметром четыре метра, в которую залито 30 тонн ультрачистого жидкого сцинтиллятора – вещества, излучающего свет при взаимодействии с ним частиц, при этом и сама сфера находится в ёмкости диаметром 12 метров и высотой 10 метров, в которую залита ультрачистая вода. Таким образом, детектор выполнен в виде матрёшки, каждый слой которой увеличивает достоверность срабатывания главного центрального детектора, отсекая фон.
При описании детектора встречается слово «ультрачистый», что означает свободный от радиоактивных примесей на уровне меньшем, чем один атом на миллиард, что находится на грани современных возможностей техники и требует уникальных технологий. Так, жидкий аргон для детектора получают сжижением аргона, добытого только из-под земли, а жидкий сцинтиллятор получают из определённых залежей особо чистой нефти, при этом доставка ультрачистых материалов в подземную лабораторию Гран-Сассо осуществляется воздушным транспортом в кратчайшие сроки, чтобы избежать накопления радиации в веществе в надземных условиях при взаимодействии с естественной радиацией.
Как и любой детектор, DarkSide требует калибровки – проверки корректности работы и нормировки его сигнала. Чаще всего это занимает около недели и обычно проводится на основе радиоактивных изотопов. Процесс калибровки – один из самых ответственных: существует вероятность загрязнения детектора наведением остаточной радиоактивности, что может поставить под угрозу весь проект. Именно в этой научно-технической нише сотрудники лаборатории радиационной физики НИУ «БелГУ» нашли возможность участия в проекте DarkSide. Белгородские учёные разрабатывают уникальный источник быстрых нейтронов нового поколения для калибровки ультрачувствительных детекторов. Основным отличием нашего источника является отсутствие радиоактивных и токсичных элементов, источника высокого напряжения, при этом сам источник имеет размеры около одного сантиметра.
Безусловно, участие НИУ «БелГУ» в эксперименте подобного уровня является не только высоким научным показателем деятельности учёных университета, но и позволяет установить новые научные связи, получить неоценимый опыт молодым специалистам, войти в новые научные проекты мирового масштаба, участие в которых во многом формирует репутационные показатели.
В конце января в Милане прошло рабочее совещание коллаборации, на котором были намечены и утверждены предстоящие работы по модернизации существующего детектора. По расчётам учёных, детектор DarkSide-20k станет одним из самых больших в мире. Расчёты, выполненные по современным моделям, позволяют предположить реальную возможность идентифицировать частицы тёмной материи. Безусловно, в случае успеха проекта полученный результат станет одним из самых значимых в науке в масштабах столетия.
Распечатать
