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.
Комментарии (10)
livsius
04.12.2019 17:28Основа абсорбера произведена методом электроэрозионной резки вольфрамовых пластин, что не так просто, учитывая твердость и хрупкость вольфрама.
При электроэрозионной резке как раз твердость и хрупкость вообще никакой роли не играют — там важно только наличие электропроводности. И ЭЭ резка вольфрама не сложнее ЭЭ резки обычной стали.
kauri_39
07.12.2019 11:40Густав Роберт Кирхгоф, физик: «Нет ничего практичней хорошей теории» (к поиску частиц тёмной материи).
Понятие «скрытая масса», позднее переименованное в «тёмную материю», родилось в то время, когда в умах учёных скопления галактик разлетались по инерции от Большого Взрыва. Объяснить плоскую шкалу скоростей звёзд в галактиках тогда могла объяснить только незримая тёмная материя (ТМ), причём расположенная в виде галактического гало. Со временем это понятие прочно укрепилось в научном и общественном массовом сознании.
Но вот стало известно, что космическое пространство — не пустота, а энергетически плотная расширяющаяся среда, которая и раздвигает скопления галактик. Говорят, что пространство содержит тёмную энергию. Почему же её не использовали для объяснения высоких скоростей вращения галактик и других явлений, требующих усиления гравитации? Ведь если гало из ТМ дополнительно притягивает звёзды и не даёт им вылететь из галактик, то межгалактическое пространство, расширяясь вовнутрь галактик, будет сообщать звёздам то же самое дополнительное центростремительное ускорение.
Это как при вращении колеса с грузами, скользящими по спицам. ТМ здесь — это дополнительные пружины, работающие на растяжение и соединяющие центр колеса и грузы. Благодаря им грузы удерживаются на своих орбитах и не соскальзывают по спицам к ободу колеса. Но с тем же эффектом их можно заменить на пружины, работающие на сжатие и соединяющие обод колеса и грузы. И всё, тёмную материю можно отсекать как лишнюю сущность.
Но есть нюанс. Мы не знаем природу гравитации и не вникаем в неё. Поэтому тупо добавляем невидимую ТМ к обычной материи — столько, сколько нужно для усиления гравитации и совпадения расчётов с наблюдениями. А если допустить, что вместо ТМ дополнительное центростремительное ускорение создаёт пространство, которое расширяется и втекает в галактики, то придётся объяснить, куда оно там девается. И нет другого объяснения, кроме поглощения этой среды материей с выводом её неизвестно куда.
Впрочем, куда выводится поглощаемое материей пространство — это вопрос второго порядка. Он стоит в ряду с вопросами — откуда вообще взялось пространство нашей Вселенной и откуда оно постоянно и повсеместно пополняет свою энергетическую плотность, которая не падает как плотность обычных сред при их расширении. Эти вопросы требуют отдельного решения (на качественном уровне оно уже есть).
Галактики и их скопления поглощают всё пространство, которое образуется в них и притекает к ним из-вне. Поэтому сами они не расширяются. Но пространства между скоплениями и сверхскоплениями галактик образуется больше, поэтому оно расширяется, создавая ячеистое распределение материи во Вселенной.
Не лучше ли перенаправить усилия физиков с поисков частиц тёмной материи на создание поглотительной теории гравитации? На принципе поглощения квантами материи квантов пространства лучше строить и квантовую теорию гравитации. Тем более, что её предполагавшаяся основа — струнная теория — провалилась на БАКе.Victor_koly
07.12.2019 13:56струнная теория — провалилась на БАКе
Где пруфы?kauri_39
08.12.2019 14:26Известно, что составной частью струнной теории является теория суперсимметрии. Также известно, что последняя провалилась на БАКе. Об этом было написано, например, здесь: habr.com/ru/post/397363
Надо было написать чуть длиннее, но точнее:… струнная теория — потеряла в доверии из-за провала на БАКе своей составной части — SUSY.
Victor_koly
То есть речь про вред для детектора уже от ливня частиц, который получается после попадания продуктов распада в детектор?
Хотя нет, «абсорбер» в Вашем описании — это просто детектор, который поглощает частицы.
P.S. А ремонт вроде как должен затянуться:
nplus1.ru/news/2019/11/26/lhc-delay
Хотя нет, это затянется следующий сеанс Run 3.
Selishcheva
Да, в данном случае детектором мы назвали электромагнитный калориметр, который поглощает частицы и позволяет измерять световыход.