Изотопы помогут открыть тайны Вселенной

Почему во Вселенной больше материи, чем антиматерии? Какова природа нейтрино? Как поймать темную материю? Чтобы найти ответы, ученые проводят сложнейшие эксперименты, для которых нужны редкие изотопы. «Росатом» — один из ключевых поставщиков этого рынка. Рассказываем, какие международные научные коллаборации мы снабжаем изотопами.

Одна из главных загадок современной физики — барионная асимметрия, то есть преобладание вещества над антивеществом в видимой Вселенной. Как это возможно, если в Стандартной модели каждой частице соответствует античастица? Ответ может скрываться в природе нейтрино: ученые предполагают, что эта частица идентична своей античастице. Тогда получается, что именно нейтрино могут нарушать барионное число.

Если догадка верна, это делает возможным двойной безнейтринный бета-распад — ядерный процесс, в котором два нейтрона распадаются только на два протона и два электрона — без нейтрино. Нейтрино, испущенное при распаде первого нейтрона, поглощается тем же ядром при испускании второго электрона.

LEGEND

Зарегистрировать безнейтринный двойной бета-распад — задача проекта LEGEND. Для эксперимента, который проводится в Национальной лаборатории Гран-Сассо в Италии, используются детекторы из особо чистого германия, обогащенного изотопом германий‑76. Чтобы естественный радиоактивный фон не помешал зарегистрировать распад германия‑76, детекторы окружили многослойной защитой: они погружены в криостат, заполненный жидким аргоном, сам криостат помещен в резервуар с водой, а резервуар расположен в подземной лаборатории. Скальные породы защищают установку от космического излучения.

Коллаборация сложилась в результате слияния двух крупных международных проектов — европейского GERDA и североамериканского Majorana. К объединенной команде присоединились другие научные группы, занимавшиеся аналогичными экспериментами, коллаборация уже включает 50 организаций со всего мира, в том числе 30 российских. Объединение позволило консолидировать не только результаты исследований, но и финансовые ресурсы.

И GERDA, и Majorana использовали детекторы из германия‑76 производства Электрохимического завода. Для нового эксперимента выбрали того же поставщика, но заказ сделали гораздо больше: чем больше германия‑76, тем выше чувствительность. В конце апреля этого года В/О «Изотоп» поставило крупную партию — порядка 20 кг. Позже коллаборация планирует приобрести еще в районе 1 т.

У LEGEND очень жесткие требования к хранению и транспортировке продукции. В «Росатоме» специально разработали саркофаг для подземного промежуточного хранения германия‑76, защищающий изотопы от космического излучения. Кроме того, специалисты ЭХЗ сконструировали транспортный упаковочный контейнер, который выполняет те же функции, что и подземный саркофаг, во время перевозки.

AMoRE и CUPID

ЭХЗ также производит изотопы для другого крупного проекта по изучению свойств нейтрино — AMoRE. Международная коллаборация объединяет более 100 ученых, представляющих 16 институтов — России, Китая, Германии, Южной Кореи, Пакистана, Таиланда и Украины. Исследователи ждут безнейтринного двойного бета-распада ядер другого изотопа — молибдена‑100. В качестве детектора используются монокристаллы молибдата кальция, они же одновременно служат источником. Эксперимент проводят в подземной лаборатории Янъяна в Южной Корее. Молибдена‑100 надо много — десятки килограммов.

В/О «Изотоп» в 2015 году подписало с коллаборацией AMoRE контракт на поставку до 2021 года 120 кг молибдена‑100 в Корею, 80 кг уже поставлено.

Недавно компания начала переговоры с итальянскими представителями новой коллаборации СUPID. Объем потенциального заказа — 300 кг молибдена‑100. Коллаборация планирует эксперименты по поиску безнейтринного двойного бета-распада в подземной лаборатории Модана во Франции. Будут использованы монокристаллы молибдата лития.

В мире формируются проекты по изучению безнейтринного двойного бета-распада с использованием и других изотопов: ксенона‑136, селена‑82, теллура‑130. ЭХЗ производит их, идут переговоры о поставках.

XMASS и WARP

Еще одна интригующая загадка для физиков — темная материя. Астрономические наблюдения последних десятилетий определенно свидетельствуют, что помимо наблюдаемой части Вселенной есть и скрытая. Мы можем судить об этом по гравитационным эффектам. Ученые предполагают, что большая часть темной материи состоит из частиц с массой порядка нескольких десятков гигаэлектронвольтов, очень слабо взаимодействующих с обычной материей. Их называют вимпами (WIMP — Weakly Interacting Massive Particles, слабовзаимодействующие массивные частицы) и пытаются обнаружить по следам взаимодействия.

«Росатом» поставляет изотопы для экспериментов по поиску темной материи XMASS и WARP. В первом темную материю ловят с помощью детектора на жидком ксеноне. Когда в сцинтилляторе возникают вспышки, их регистрируют фотоэлектронные умножители, ​гипотетический вимп упруго рассеивается на ядре ксенона. Эксперимент проводится в нейтринной обсерватории Камиоки в Японии. WARP в Национальной лаборатории Гран-Сассо в Италии приманивает вимпы на аргон. Принцип детектирования тот же: регистрируется малое энерговыделение от процесса рассеяния на ядрах детектора-мишени.