Около четверти всей массы Вселенной составляет так называемая «темная материя». Причем темной ее прозвали вовсе не из-за цвета – дело в том, что до сих пор ученые знают про нее крайне мало, она недоступна прямому наблюдению, и проявляет себя исключительно в гравитационном воздействии с космическими телами. Широкое распространение термин получил в 1933 году благодаря американскому астрофизику Фрицу Цвикки. Он подсчитал, что скорость движения галактик в скоплении «Волосы Вероники» куда выше, чем должна была бы быть с учетом массы всех входящих в него звезд. Это-то и позволило предположить наличие «темной лошадки» – незримой материи, оказывающей прямое влияние на гравитационное взаимодействие космических тел. Позднее подобные гравитационные парадоксы были зафиксированы и в других галактиках, а явление гипотетической «темной материи» прочно укоренилось в астрофизике. Прошло более 80 лет, а экспериментально обнаружить темную материю так и не удалось. На сегодняшний день ее поиски – одна из основных задач ученых, работающих на детекторе LHCb в CERN.
LHCb — крупный детектор элементарных частиц в CERN, созданный для изучения распадов B-мезонов, то есть частиц, содержащих b-кварк (так называемый «прелестный» кварк). В этих частицах сильнее всего проявляется очень важное, но до сих пор плохо изученное физическое явление — нарушение CP-симметрии. Это явление приводит к тому, что картина распадов частиц и античастиц слегка различается, темная материя куда-то исчезает. Именно ее поисками и занимаются ученые в рамках проекта LHCb.
Установка LHCb
Нарушение CP-симметрии играет важную роль в теориях космологии, которые пытаются объяснить превосходство материи над антиматерией в нашей Вселенной.
Группа материаловедов и инженеров НИТУ «МИСиС» совместно с коллегами из CERN (Женева, Швейцария) разработала прототип нового абсорбера частиц. Его роль — поглощать определенных режимах разогнанные до высокой скорости частицы и фиксировать так называемую электронную лавину, которая образуется от столкновения частиц с веществом абсорбера. Сейчас эта часть детектора представляет собой ряд параллельно расположенных пластин из свинца, а между ними — люминисцирующие «прослойки».
Новая схема предполагает принципиально иной подход. В созданном прототипе «сэндвич» из панелей заменяется на «соты». Стенки состоят из вольфрама, а ячейки составляют почти прозрачные кристаллы граната. Такая структура позволяет выдержать еще более высокие радиационные нагрузки.
Прототип абсорбера
«Создать такой прототип уже само по себе довольно серьезная материаловедческая задача, — рассказывает одна из участниц проекта, доцент кафедры металлургии стали, новых производственных технологий и защиты металлов НИТУ „МИСиС“, к.х.н Дарья Стрекалина. — Основа абсорбера произведена методом электроэрозионной резки вольфрамовых пластин, что не так просто, учитывая твердость и хрупкость вольфрама. Гранатовые кристаллы тяжело поддаются резке и не проводят электричество, поэтому к ним невозможно применить те же методы».
В настоящее время детектор LHCb закрыт на плановый технический ремонт, связанный с тем, что облучение тяжелыми частицами — неотъемлемая часть всех экспериментов — подвергает серьезной деградации материалы, из которых он изготовлен. Этот период активно используется для оптимизации и улучшения деталей и узлов сложнейшего устройства.
Созданный прототип был протестирован на ускорителе в центре DESY (Гамбург) в ноябре 2019. Предварительные результаты эксперимента показали возможность использования технологии в модернизированном детекторе LHCb.
Оптимизация адсорбера — лишь один из ряда совместных проектов НИТУ «МИСиС» и Европейской организации по ядерным исследованиям. Инженеры и ученые НИТУ «МИСиС» проектируют и разрабатывают уникальные радиационно-стойкие кремниевые сенсоры для детектора LHCb. Для еще одного детектора CERN, SHiP, исследователи создают прототипы сверхпроводящих элементов магнитов, а также моделируют так называемую камеру распада, где будут происходить главные «события» эксперимента SHiP, которые связаны с потенциальным возникновением новых частиц.
