Титан с ультранизким содержанием радиоактивных элементов возможно производить в промышленных масштабах. К такому выводу пришли российские учёные, которые впервые провели подобные исследования. Производимый титан может стать новым низкофоновым конструкционным материалом для перспективных детекторов тёмной материи и других низкофоновых экспериментов. Инициатором проекта по поиску новых конструкционных материалов для детекторов тёмной материи является сотрудник НИИЯФ МГУ Александр Чепурнов. В проекте принимают участие российские ученые из ИФТТ РАН (ФАНО), РХТУ им. Д.И. Менделеева, МГТУ им. Баумана и специалисты Соликамского магниевого завода.
В настоящее время детекторы тёмной материи изготавливают из нержавеющей стали с ультранизким содержанием радиоактивных элементов, которую делают не под заказ учёных – это невозможно в промышленных условиях, а отбирают из выпускаемых партий. Присутствие радиоактивных элементов, например, изотопов тория и урана, в конструкции детектора сводится к возможному минимуму, так как продукты их естественного распада имитируют сигнал от ожидаемого чрезвычайно редкого процесса взаимодействия – столкновения - частицы тёмной материи с атомами обычного вещества.
Большинство специалистов сегодня считают, что наиболее вероятным кандидатом в тёмную материю являются ВИМПы, от английского WIMP – Weakly Interacting Massive Particles, то есть слабовзаимодействующие массивные частицы. Поиски ВИМП ведутся во многих экспериментах в течение последних 20 лет, но они до сих пор не обнаружены, хотя миллиарды этих частиц окружают нас. Об этом свидетельствуют косвенные данные, полученные во время экспериментов. ВИМПов настолько много, что их скрытая масса оказывает влияние на галактики - на их формирование и на аномально высокую скорость вращения внешних областей галактик. Несмотря на то, что Земля, вращаясь вместе с Солнечной системой вокруг центра нашей галактики Млечный путь, пролетает сквозь облака ВИМПов, экспериментаторы не обнаружили ни одной частицы из-за их свойства. Эти загадочные частицы имеют настолько малую вероятность столкновения с нашим обычным веществом, что для их регистрации требуются всё большие и большие по объёму детекторы.
В ближайшем будущем, когда для поиска тёмной материи будут построены детекторы значительно больше по размеру, случайно изготовленной низкофоновой нержавеющей стали однозначно не хватит. Например, чувствительный объём детектора DarkSide/ДаркСайд по поиску тёмной материи исследователи планируют увеличить, чтобы увеличить вероятность обнаружения ВИМП. Планируется использовать 3 тонны жидкого аргона, а не 50 килограмм, как в настоящее время.
«Если сейчас нужно несколько сотен килограмм низкофоновых конструкционных материалов, то в будущем нужны будут десятки тонн. Если удастся создать производство ультранизкофонового титана и он будет недорогой за счёт использования хорошо известных промышленных технологий производства титана, то его можно будет использовать для всех будущих низкофоновых экспериментов вместо нержавеющей стали. Сейчас титан приблизительно в 4 раза дороже нержавеющей стали»,
- рассказал сотрудник НИИЯФ МГУ Александр Чепурнов.
Проект DarkSide является международным проектом, который реализуется при участии итальянских, французских, польских, украинских, российских научных учреждений и 17 американских университетов. Россию в проекте представляет НИИЯФ МГУ, НИЦ «Курчатовский институт», ОИЯИ, НИЯУ МИФИ.
Эксперимент DarkSide проводится в низкофоновой Национальной лаборатории Гран-Сассо в недрах гор, доступ к которой осуществляется из 12-километрового автомобильного туннеля. Опыт и знания участников эксперимента Dark-Side, накопленные при создании и проведении ультранизкофонового эксперимента BOREXINO/БОРЕКСИНО по исследованию нейтрино, который проводится в той же лаборатории, являются одним из ключевых факторов ожидаемого успеха.
В настоящее время в эксперименте DarkSide в качестве конструкционного материала для будущего детектора большего объёма российский ультрачистый титан рассматривается как вероятный кандидат. К такому решению пришли после получения результатов исследований производства титановой губки, проведённых на Соликамском магниевом заводе. Российские учёные показали, что можно производить сверхчистую титановую губку, то есть исходный материал для производства полуфабрикатов из титана. Для выпуска титановой губки можно использовать широко применяемый в промышленности процесс Кролла, а металлургические методы передела и очистки титановой губки позволят изготавливать слитки сверхчистого титана.
«Титан – этот тот конструкционный материал для детектора тёмной материи, который изначально можно сделать радиоактивно чистым. Учитывая это, и ещё то, что Россия является мировым лидером по производству титана, мы можем его производить. Тесное сотрудничество с Соликамским магниевым заводом, имеющим самое современное в России производство титановой губки, делает реальной идею обеспечения будущих экспериментов по поиску тёмной материи российским сверхчистым титаном»,
- заявил Александр Чепурнов.
Также он рассказал о своих дальнейших планах:
«На следующем этапе исследования нам предстоит отработать методики изготовления деталей из титана без внесения радиационных загрязнений. Например, во время лазерной сварки и резки».
Интерес к производству титана с низким содержанием радиоактивных элементов не ограничивается фундаментальной физикой частиц. Получение тугоплавких металлов высокой чистоты является приоритетной научной задачей для физики твёрдого тела и металлургии высокочистых металлов. Тугоплавкие металлы высокой чистоты также востребованы в микроэлектронике, в физическом материаловедении и в медицине.