Радиация нашего тела — в миллиард раз выше: физики заглушили радон в охоте за тёмной материей

Физики из Университета Мюнстера разработали технологию, позволившую сделать один из самых чувствительных детекторов тёмной материи ещё более точным. Речь идёт об эксперименте XENONnT, который проводится в подземной лаборатории Института ядерной физики INFN в Гран-Сассо (Италия). Здесь исследователи пытаются уловить крайне редкие взаимодействия гипотетических частиц тёмной материи с атомами жидкого ксенона. Эти сигналы могли бы дать представление о составе скрытой массы Вселенной. Главная сложность в том, что даже ничтожные следы естественной радиоактивности создают фоновые события, способные маскировать такие взаимодействия.

Команда XENONnT добилась значимого результата: удалось заметно снизить влияние одного из самых опасных источников фона — радона, радиоактивного газа. Впервые за всю историю подобных экспериментов уровень радиоактивности, вызванный радоном, удалось уменьшить настолько, что он оказался в миллиард раз ниже естественной радиоактивности человеческого организма. Разработку системы возглавил профессор Кристиан Вайнхаймер из Университета Мюнстера.

Детектор XENONnT представляет собой установку массой 8,5 тонны, заполненную жидким ксеноном. Он охлаждается до температуры около минус 95 градусов Цельсия и размещён глубоко под землёй, чтобы максимально уменьшить фоновые процессы. Исключительная чувствительность обеспечивается благодаря высокой чистоте ксенона и использованию материалов с крайне низким уровнем радиоактивности при конструировании. Однако даже следовые количества растворённого радона и его продуктов распада способны вызывать короткие вспышки света, внешне неотличимые от искомых сигналов. Радон образуется при распаде долгоживущих изотопов, возникших ещё во время формирования Солнечной системы, и присутствует практически во всех материалах. В организме человека он также является одним из основных источников естественного облучения.

Чтобы свести помехи к минимуму, учёные создали криогенную систему дистилляции для непрерывной очистки ксенона. Она выборочно удаляет радон и снижает его концентрацию в рабочем объёме газа в четыре раза — до 430 атомов на тонну жидкого ксенона. Такие измерения выполнила группа XENONnT из Института ядерной физики Общества Макса Планка в Гейдельберге. В результате число событий, вызванных радоном, стало сопоставимым с крайне редким фоном от солнечных нейтрино, которые рождаются при термоядерных реакциях внутри звезды и не могут быть экранированы. Благодаря этому удалось создать условия, при которых измерения проходят практически без радиоактивного фона.

По словам Кристиана Вайнхаймера, система открывает возможность построения детекторов следующего поколения, например планируемой установки XLZD, которая будет в десять раз больше XENONnT. Увеличение масштаба должно ещё сильнее повысить чувствительность эксперимента и приблизить физиков к разгадке одной из самых захватывающих тайн космоса.