Американські вчені створили інноваційний матеріал, що допоможе розкрити секрет еволюції Всесвіту

Вчені з Національної лабораторії прискорювачів імені Фермі при Міністерстві енергетики США працюють над розв’язанням складної проблеми створення мішеней для детекторів частинок, які здатні витримати екстремальні умови, що виникають під час нейтриноекспериментів.

Зазначається, що такі експерименти вимагають контрольованих зіткнень високошвидкісних протонів зі спеціалізованими мішенями для генерації нейтрино. Однак, під впливом інтенсивних протонних пучків, мішені зазнають швидкого нагрівання, ударних хвиль і ядерних реакцій, що може призвести до їхнього швидкого знищення.

«Якщо мішень не витримає інтенсивної взаємодії з пучком, експеримент буде зупинений і ми не зможемо отримати дані», — заявив інженер Фермі Патрік Хурх.

Як відомо, нейтрино — це субатомні частинки, які мають унікальні властивості і є ідеальними для вивчення численних явищ, від еволюції Всесвіту до властивостей найенергетичніших космічних подій, однак їхня невловимість вимагає використання потужних прискорювачів частинок і складних детекторних систем.

У лабораторії Фермі протони розганяються до майже світлової швидкості та націлюються на мішені, зазвичай виготовлені з графіту. Коли протони взаємодіють з мішенню, це призводить до створення вторинних частинок, зокрема піонів, які потім розпадаються, утворюючи нейтрино. Ці нейтрино формують пучок, який прямує до віддалених детекторів для подальшого аналізу.

Повідомляється, що процес генерації нейтрино створює величезне навантаження на мішені, адже вплив протонного пучка призводить до швидкого нагрівання матеріалу, температури якого можуть зрости на сотні градусів за мікросекунди, тому таке швидке підвищення температури викликає теплове розширення та утворення інтенсивних ударних хвиль в середині матеріалу.

Крім того, зіткнення протонів спричиняють ядерні реакції, що веде до утворення газів гелію та водню в мішені. Ці гази можуть накопичуватися та утворювати бульбашки, що ослаблюють матеріал і погіршують його структурну цілісність. З часом ці процеси можуть призвести до виходу мішені з ладу.

Команда Фермі активно працює над розробкою нових матеріалів і технологій для підвищення міцності мішеней, тому вчені зосереджені на трьох основних проблемах: пошкодження радіацією, високих температурах і стресах від теплового розширення.

Для поглинання шоку від протонного пучка вивчаються нановолокна — надзвичайно тонкі нитки з винятковою міцністю та гнучкістю. Одне з таких нановолокон, розроблене інженером Фермі Сужитом Бідхаром, є перспективним матеріалом для мішеней завдяки своїй здатності зменшувати тепловий шок і бути більш стійким до радіаційного пошкодження.

Також тестуються високоентропійні сплави — новий клас матеріалів, які мають підвищену стійкість до тепла і радіації.

Один із найбільш амбітних експериментів, який чекає на запуск, — це проект Long Baseline Neutrino Facility (LBNF) і Deep Underground Neutrino Experiment (DUNE).

Цей проект передбачає транспортування пучка нейтрино з кампусу Фермі в штаті Іллінойс до детекторів, розташованих на глибині одного кілометра в Південній Дакоті.

Оскільки мішень для LBNF/DUNE буде піддаватися інтенсивним протонним імпульсам кожну секунду, її довговічність є критично важливою.

«Кожну секунду мішень буде піддаватися високоякісному імпульсу протонів, і мільярди нейтрино будуть вироблені», — підсумував Кріс Деншам, керівник групи з високопотужних мішеней в лабораторії Резерфорда Апатона в Англії.

Нагадаємо. що міжнародна команда вчених під керівництвом Хакіма Атека з Інституту астрофізики в Парижі за допомогою даних телескопів Hubble та James Webb з’ясували, що ключову роль у розсіяні темряви раннього Всесвіту відіграли карликові галактики.

Раніше, астрономи з Каліфорнійського технологічного інституту під керівництвом Крітті Шарми повідомили про нове відкриття, яке наближає нас до розуміння походження швидких радіоспалахів (FRBs). Ці загадкові сигнали, що надходять із далеких куточків Всесвіту, виявилися більш поширеними в галактиках з молодими зірковими популяціями.