Комплексный метод подготовки рабочей среды ксенонового двухфазного эмиссионного детектора РЭД‑100 тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 00.00.00, кандидат наук Шакиров Алексей Вячеславович

• Шакиров Алексей Вячеславович
• кандидат наук
• 2023

Оглавление диссертации кандидат наук Шакиров Алексей Вячеславович

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. ДВУХФАЗНЫЕ ЭМИССИОННЫЕ ДЕТЕКТОРЫ НА ОСНОВЕ ЖИДКОГО КСЕНОНА

1.1. Принцип действия эмиссионного детектора и достоинства ксенона как рабочей среды эмиссионных детекторов

1.2. Детекторы для поиска тёмной материи

1.3. Детекторы нейтрино (РЭД-100)

1.4. Требования к чистоте рабочего вещества

1.5. Известные технологии очистки

1.5.1. Технологии очистки, применяемые в современных экспериментах

1.6. Особенности ксенона, предназначенного для работы в детекторе РЭД-100

ГЛАВА 2. УСТАНОВКА ДЛЯ ИНДУСТРИАЛЬНОЙ ИСКРОВОЙ ОЧИСТКИ ЖИДКОГО КСЕНОНА «МОЙДОДЫР»

2.1. Постановка задачи

2.2. Описание установки «Мойдодыр»

2.3. Методы контроля чистоты рабочего вещества

2.3.1. С использованием внутренней ионизационной камеры

2.3.2. С использованием внешней контрольной ионизационной камеры

2.4. Очистка 200 кг ксенона, загрязнённого в ходе процедуры изотопического разделения в газовых центрифугах, для использования в РЭД-100

2.4.1. Анализ произведённой титановой пыли

ГЛАВА 3. ЦИРКУЛЯЦИОННАЯ ОЧИСТКА ИНФРАСТРУКТУРЫ ДЕТЕКТОРА РЭД-100 ГАЗООБРАЗНЫМ КСЕНОНОМ

3.1. Очистка внутренних поверхностей конструкции РЭД-100

3.2. Контроль чистоты рабочего вещества по сигналам от мюонов космических лучей в РЭД-100

3.2.1. Определение времени жизни электронов ионизации по форме усреднённого мюонного сигнала

3.2.2. Определение содержания молекулярных примесей по длительности усреднённого мюонного сигнала

ГЛАВА 4. ЦИРКУЛЯЦИОННАЯ ОЧИСТКА ЖИДКОГО КСЕНОНА

4.1. Общая схема циркуляционной очистки жидкого ксенона

4.2. Система охлаждения и термостабилизации жидкого ксенона

4.3. Измерение времени жизни электронов в жидком ксеноне с помощью мюонов

ГЛАВА 5. ТЕСТОВЫЙ ЗАПУСК В НИЯУ МИФИ И ФИЗИЧЕСКИЙ СЕАНС НА КАЭС

5.1. Тестовый запуск в НИЯУ МИФИ

5.2. Физический сеанс на КАЭС

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Введение

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Комплексный метод подготовки рабочей среды ксенонового двухфазного эмиссионного детектора РЭД‑100»

Актуальность темы

Одной из ключевых задач, стоящих перед современной ядерной физикой и физикой элементарных частиц, является поиск и исследование таких редких электрослабых взаимодействий, как рассеяние гипотетических частиц тёмной материи — вимпов — на атомных ядрах и нуклонах, а также процессов когерентного рассеяния нейтрино на атомных ядрах.

Одним из наиболее перспективных методов, применяемых в детекторах, чувствительных к таким процессам, является метод двухфазной эмиссионной регистрации с использованием жидких инертных газов в качестве рабочего вещества. Эмиссионный метод регистрации элементарных частиц был предложен и введён в экспериментальную практику в МИФИ в 70-х годах прошлого века [1,2].

Ксеноновые детекторы такого типа являются в настоящее время наиболее чувствительными приборами, нацеленными на поиск частиц тёмной материи — вимпов. Не так давно был запущен эксперимент по поиску тёмной материи ХЕКОКпГ, использующий двухфазный эмиссионный детектор, заполненный 8,5 тоннами жидкого ксенона [3], а также аналогичный эксперимент LZ, использующий детектор, заполненный 10 тоннами жидкого ксенона [4]. Есть проект эксперимента, в котором планируется использовать десятки тонн жидкого ксенона [5].

Помимо поиска тёмной материи, двухфазный эмиссионный метод регистрации используется в эксперименте РЭД-100 по поиску и исследованию эффекта упругого когерентного рассеяния нейтрино на ядрах ксенона. [6]

Одним из необходимых условий функционирования всех этих детекторов является использование рабочего вещества, очищенного от примесей, способных поглощать образующиеся в процессе искомого взаимодействия электроны ионизации. Подобные примеси могут оставаться после технологических процессов, связанных с получением и разделением инертных газов, а также

появляться в процессе проведения эксперимента вследствие десорбции молекул с внутренних поверхностей детектора. Степень чистоты рабочего вещества двухфазных эмиссионных детекторов обычно выражается через среднее время, проходящее с момента образования электронов ионизации в дрейфовом объёме детектора до их захвата молекулами примесей (называемое «временем жизни» электронов ионизации), либо через среднюю длину дрейфа электронов ионизации, равную произведению дрейфовой скорости электронов в дрейфовом объёме детектора на время жизни электронов ионизации.

Известно, что степень чистоты рабочего вещества в крупнейших двухфазных эмиссионных детекторах на основе ксенона, выраженная через среднюю длину дрейфа электронов ионизации до их захвата электроотрицательными примесями, по порядку величины сравнима с размерами самих детекторов, что накладывает серьёзные ограничения на эффективность регистрации в таких экспериментах. К примеру, эксперимент ХЕКОШТ, являющийся в настоящее время мировым лидером по накладываемым ограничениям на сечение взаимодействия вимпов с барионным веществом [7], использует ксенон, степень чистоты которого (спустя примерно год очистки) соответствовала времени жизни электронов ионизации ~ 600 мкс (см. Рис. 1). При характерных дрейфовых полях порядка нескольких сотен В/см такое время жизни означает уменьшение количества квазисвободных электронов ионизации в 2-3 раза к моменту прохождения границы раздела фаз при образовании электронов вблизи катода. С учётом того, что предполагаемый сигнал от вимпов как раз находится на уровне нескольких электронов ионизации, это даёт существенное ограничение на чувствительность прибора.

550 г

| 350 I-

£§" 16 Ноя

09 Дек

01 Янв

23 Янв

Дата

Рис. 1. График зависимости времени жизни квазисвободных электронов в детекторе XENON1T. Источник: [8] (русифицировано)

Учитывая то обстоятельство, что скорость роста потребности экспериментальных групп, использующих подобные детекторы, в ксеноне превышает скорость производства ксенона, можно предсказать, что в скором времени мирового производства ксенона не будет хватать для обеспечения всех использующих его новых экспериментов. Вследствие этого сложится ситуация, в которой международные эксперименты будут вынуждены обмениваться ксеноном. При этом будет происходить загрязнение не только остаточными примесями, присутствующими в ксеноне вследствие особенностей технологии его производства, но и другими, появляющимися при подобном обмене. К примеру, изотоп ксенона, используемый в экспериментах по поиску двойного безнейтринного бета-распада, выделяется из естественной смеси изотопов при помощи газовых центрифуг, вследствие чего весь ксенон подвергается сильному загрязнению высокомолекулярными и электроотрицательными примесями [9]. Таким образом, десятки тонн ксенона могут оказаться непригодными к использованию в экспериментах без предварительной очистки от этих примесей.

В настоящее время ксенон для физических экспериментов очищают многократным пропусканием газа через горячие металлические геттеры. Однако этот способ является весьма дорогостоящим и длительным даже при текущих

габаритах детекторов. Для детекторов будущих экспериментов такая очистка займет долгие годы.

Однако, существует и другой, менее известный способ очистки больших объёмов ксенона, который, однако, экспериментально показывает хорошую скорость удаления примесей в отношении сильно загрязнённых образцов ксенона [10]. Этот способ — электроискровая очистка конденсированных благородных газов — был разработан в МИФИ в конце 1970-х годов [11] и сегодня весьма эффективно применяется, к примеру, для очистки газообразного ксенона, используемого в у-спектрометрах на сжатом ксеноне [12]. Тем не менее, данный процесс был до сих пор плохо исследован. В частности, не было никакой информации о характере производимой металлической пыли, активно участвующей в процессе очистки, её составе и характерных размерах отдельных частиц. Помимо этого, ксенон, образующийся на выходе такой очистки, всё равно имеет недостаточно высокую чистоту для постановки экспериментов с большой (порядка нескольких тонн) массой ксенона. Поэтому возникла необходимость в детальном исследовании процесса электроискровой очистки, а также в разработке комплексной методики подготовки ксенона для экспериментов, использующих большие ксеноновые детекторы.

Цель работы

Целью работы явилась разработка способа подготовки рабочей среды двухфазных эмиссионных детекторов на основе ксенона. Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи:

1. Исследование и оптимизация процесса электроискровой очистки жидкого ксенона.

2. Разработка комплексного метода, позволяющего очищать промышленные количества ксенона в разумные сроки (в настоящей работе продемонстрирована очистка ~ 200 кг жидкого ксенона за время ~ 3 месяцев).

3. Подготовка и поддержание в рабочем состоянии ~ 200 кг жидкого ксенона, используемого в качестве рабочей среды детектора РЭД100 в эксперименте по поиску процесса упругого когерентного рассеяния реакторных электронных антинейтрино (УКРН) на ядрах ксенона.

В результате диссертационной работы была обеспечена постановка уникального эксперимента РЭД-100 по поиску процесса упругого когерентного рассеяния реакторных электронных антинейтрино (УКРН) на ядрах ксенона.

Научная новизна работы

Впервые разработан и реализован комплексный метод очистки ксенона, обеспечивший за время ~ 3 месяцев уровень чистоты образца ксенона массой ~ 200 кг, соответствующий времени жизни электронов ионизации > 2 мс, что позволило провести на Калининской АЭС уникальный эксперимент по поиску процесса упругого когерентного рассеяния реакторных электронных антинейтрино (УКРН) на атомных ядрах ксенона, поставивший мировой рекорд по количеству экспонирующегося на реакторах рабочего вещества.

Достоверность результатов исследования подтверждается:

1. Обеспечением проведения эксперимента РЭД-100 на Калининской АЭС.

2. Соответствием заявленного уровня чистоты лучшим результатам современных экспериментов, использующих жидкий ксенон в качестве рабочего вещества.

3. Независимыми измерениями времени жизни электронов ионизации до захвата электроотрицательными примесями в детекторе РЭД-100 с помощью источников гамма-излучения.

Практическая ценность результатов

1. Разработан комплексный метод подготовки рабочей среды детекторов на основе жидкого ксенона, обеспечивший время жизни электронов ионизации до захвата электроотрицательными примесями > 2 мс в образце ксенона массой ~ 200 кг, изначально загрязнённом при центрифужном выделении изотопа 124Хе, и не поддававшемся очистке стандартными промышленными геттерами. Указанный метод позволил достичь необходимой чистоты ксенона за рекордное время ~ 3 месяцев, что обеспечило проведение уникального эксперимента РЭД-100 на Калининской АЭС с целью первого наблюдения и исследования эффекта УКРН на ядрах ксенона.

2. Разработанный метод позволит удовлетворить требования к уровню чистоты ксенона в многотонных детекторах нового поколения (nEXO, DARWIN), которые, с большой вероятностью, будут использовать ксенон, загрязнённый при проведении процедуры изотопического разделения посредством газовых центрифуг.

Личный вклад соискателя

Все основные результаты работы были получены лично автором, либо при его определяющем участии, включая:

1. Разработку и применение комплексного метода подготовки рабочей среды эмиссионного детектора РЭД-100, который обеспечил проведение уникального физического эксперимента на Калининской АЭС.

2. Разработку метода измерения уровня чистоты жидкого ксенона по сигналам от мюонов космических лучей в детекторе РЭД-100. Все измерения уровня чистоты данным методом как в тестовых сеансах в НИЯУ МИФИ, так и во время проведения эксперимента на Калининской АЭС, также выполнены лично автором.

3. Изучение и описание процесса образования наночастиц металла при высоковольтном разряде в жидком ксеноне, исследование их характеристик,

разработку и использование оптимизированного способа электроискровой очистки жидкого ксенона, основанного на динамике происходящих при этом процессов.

Соискатель активно участвовал в работе эксперимента РЭД-100 с 2013 года, занимался сборкой и отладкой различных систем детектора, участвовал в обработке данных и разработке программного обеспечения, разработал методику измерения времени жизни электронов ионизации и являлся ответственным за контроль чистоты ксенона при проведении эксперимента на КАЭС. Для проведения исследований по теме диссертации в 2018 г. автором был получен грант РФФИ «мой первый грант». Все заявленные цели гранта были успешно достигнуты в 2020 г. на момент завершения гранта.

На защиту выносятся

1. Усовершенствованный метод электроискровой очистки, обеспечивающий возможность очистки ксенона, загрязнённого электроотрицательными и высокомолекулярными примесями и плохо поддающегося очистке стандартными геттерами.

2. Результаты анализа частиц, образующихся при распылении материала электродов в процессе электроискровой очистки.

3. Комплексный метод очистки промышленных количеств ксенона, позволивший обеспечить работоспособность детектора РЭД-100 с общей массой ксенона ~ 200 кг в эксперименте по поиску эффекта УКРН на ядрах ксенона, проведённом на КАЭС в 2021-2022 гг. Метод позволил за время ~ 3 месяцев обеспечить уровень чистоты рабочей среды детектора, при котором время жизни электронов ионизации до захвата электроотрицательными примесями составляет > 2 мс, а также поддерживать необходимый уровень чистоты в течение всего времени проведения эксперимента.

Апробация работы

Основные результаты диссертации опубликованы в трёх статьях в реферируемых журналах, составили предмет патента на полезную модель, докладывались на международной и молодёжной научных конференциях:

1. D. Yu. Akimov, V. A. Belov et al. Purification of Liquid Xenon with the Spark Discharge Technique for Use in Two-Phase Emission Detectors // Instruments and Experimental Techniques, 2017, Vol. 60, No. 6, pp. 782-788

2. D. Yu. Akimov, V. A. Belov et al. Synthesis of Titanium Nanoparticles in Liquid Xenon // Technical Physics Letters, 2018, Vol. 44, No. 7, pp. 637-639

3. D. Yu. Akimov, V. A. Belov et al. An Integral Method for Processing Xenon Used as a Working Medium in the RED-100 Two-Phase Emission Detector // Instruments and Experimental Techniques, 2019, Vol. 62, No. 4, pp. 457-463

4. D. Yu. Akimov, V. A. Belov et al. First ground-level laboratory test of the two-phase xenon emission detector RED-100 // JINST. IOP Publishing, 2020. Vol. 15, № 02. P. P02020

5. Патент на полезную модель № 191338 «Устройство для очистки жидких благородных газов от высокомолекулярных и электроотрицательных примесей» от 22 августа 2018 г.

6. Доклад на конференции ICPPA-2018 «Complex method of preparing working medium for two-phase xenon emission detector», 2018 г., Москва

7. Доклад на конференции МКТЭФ-2019 «Комплексный метод очистки рабочего вещества для двухфазных эмиссионных детекторов на основе ксенона», 2019 г., Москва

8. Доклад на конференции ICPPA-2020 «Preparing working medium for the two-phase emission detector RED-100», 2020 г., Москва

9. Доклад на международной молодёжной школе-конференции по ядерной физике и технологиям «Способ очистки рабочего вещества для ксеноновых двухфазных эмиссионных детекторов», 2020 г., Москва

Кроме того, по теме диссертации в 2018 г. автором был получен грант РФФИ «мой первый грант» №18-32-00920 под названием «Разработка технологии подготовки рабочих сред двухфазных эмиссионных детекторов следующего поколения для постановки ядерно-физических экспериментов фундаментального значения», успешно завершённый в 2020 г. с выполнением всех поставленных задач.

Также под научным руководством автора в 2018 г. в НИЯУ МИФИ был защищён диплом бакалавра по теме «Исследование характеристик системы контроля чистоты ксенона установки электроискровой очистки «Мойдодыр», используемой для эксперимента РЭД-100».

Структура и объём диссертации

Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав и заключения. Содержит 107 страниц, 35 рисунков, 4 таблицы и список литературы, состоящий из 74 ссылок на источники.

ГЛАВА 1. Двухфазные эмиссионные детекторы на основе жидкого ксенона

В настоящее время в экспериментальной ядерной физике широко распространены методы регистрации частиц, в которых в качестве рабочего вещества детекторов используются конденсированные благородные газы. К основным преимуществам благородных газов можно отнести отрицательную величину сродства к электрону и хорошие сцинтилляционные характеристики, что позволяет при регистрации частиц использовать не только ионизацию, но также процессы сцинтилляции и электролюминесценции.

Одним из наиболее успешных методов регистрации взаимодействий, характеризующихся низким энерговыделением, является метод двухфазной эмиссионной регистрации. Метод двухфазной эмиссионной регистрации с использованием жидких инертных газов в качестве рабочего вещества был изобретён в МИФИ в 1970-х гг. Б.А. Долгошеиным, В.Н. Лебеденко и Б.У. Родионовым [1].

Детекторы такого типа обычно устанавливают в подземных низкофоновых лабораториях, что обусловлено особенностями их назначения. Основной целью двухфазных эмиссионных детекторов на основе конденсированных благородных газов является регистрация редких процессов и событий с малым энерговыделением, поскольку они сочетают высокую чувствительность к образующимся в процессе регистрации одиночным электронам ионизации с высокой плотностью мишени и возможностью её масштабирования. Двухфазные эмиссионные детекторы чаще всего используют для регистрации тёмной материи в виде слабовзаимодействующих массивных частиц — вимпов. Кроме того, недавно был поставлен уникальный эксперимент РЭД-100, предназначенный для поиска и исследования процесса когерентного рассеяния нейтрино на атомных ядрах ксенона.

1.1. Принцип действия эмиссионного детектора и достоинства ксенона как рабочей среды эмиссионных детекторов

Общий принцип действия двухфазных эмиссионных детекторов состоит в разделении рабочего объёма детектора на две области согласно агрегатным состояниям рабочего вещества, которые находятся в термодинамическом равновесии. Рабочая среда в конденсированном состоянии служит в качестве мишени — в ней происходит взаимодействие регистрируемой частицы, порождающее сцинтилляционную вспышку и образующее трек электронов ионизации. К этой области приложено вертикальное электрическое поле, задача которого — перенести трек электронов ионизации к границе раздела фаз. Над конденсированной фазой находится газообразная. Под действием электрического поля электроны вытягиваются из конденсированной среды в газообразную, где и регистрируются различными способами. [1]

Современная версия этого метода, позволяющая восстанавливать трёхмерные координаты и энергию точечных событий, и используемая в крупнейших международных экспериментах по прямому поиску тёмной материи, была впервые предложена в работе [13]. На Рис. 2 показан принцип работы современного двухфазного эмиссионного детектора с жидким ксеноном в качестве рабочего вещества и двумя матрицами фотоэлектронных умножителей для регистрации световых сигналов.

Рис. 2. Иллюстрация принципа работы двухфазного эмиссионного детектора с ксеноном в качестве рабочего вещества. 81 — первичная сцинтилляция в жидкой фазе, 82 — последующая электролюминесценция в газе, ФЭУ-1 и ФЭУ-2 — матрицы ФЭУ, ответственных за регистрацию сигналов от 81 и 82, А — «доверительный» объём, сигналы в котором считаются надёжными, Б — внешний объём, служащий в качестве активной защиты от фоновой радиации. Перерисовано из [14].

Конструктивно такой детектор представляет из себя криостат, погружённый в вакуумный объём. В криостат конденсируется рабочее вещество (инертный газ), при этом в верхней части криостата остается слой газообразного ксенона. В нижней части детектора (в жидкости), а также в верхней его части (в газовой фазе) расположены матрицы фотоэлектронных умножителей (ФЭУ), которые просматривают объём детектора. Между ними обычно располагаются три сеточных электрода: катод, управляющий электрод и анод. Катод находится в нижней части жидкости над нижней матрицей ФЭУ, управляющий электрод — под

границей раздела жидкой и газовой фазы, а анод — в газовой фазе, под верхней матрицей ФЭУ. Матрицы ФЭУ также обычно защищены дополнительным заземлённым сетчатым электродом. Такой детектор позволяет выделить некоторый объём внутри детектора («А» на Рис. 2), сигналы в котором наименее подвержены фоновой радиоактивности, при этом внешний объём («Б») играет роль активной защиты.

В качестве рабочего вещества таких детекторов обычно используется ксенон или аргон.

Преимуществами ксенона являются:

• Высокая конверсионная эффективность (отношение энергии световой вспышки к энергии, оставленной заряженной частицей в сцинтилляторе): ~ 14% против ~ 3% у Аг

• Низкий собственный радиоактивный фон вследствие практически полного отсутствия долгоживущих радиоактивных изотопов

• Более высокое сечение взаимодействия частиц с атомными ядрами (например, рассеяния вимпов или нейтрино на атомных ядрах) вследствие большего атомного номера: 7=54 против 7=18 у Аг

• Большая плотность вещества, эффективный «бесстеночный» режим

• Возможность использования в одном и том же детекторе изотопов ксенона со спинами 1/2 и 3/2 и выделения разностным методом спин-зависимого взаимодействия.

Преимуществами аргона являются:

• Дешевизна

• Более высокая энергия ядра отдачи

• Более эффективное разделение частиц разного сорта по форме импульса

• Относительная лёгкость очистки от электроотрицательных примесей.

Принцип работы двухфазного эмиссионного ксенонового детектора, показанного на Рис. 2, можно рассмотреть на примере регистрации процесса упругого когерентного рассеяния нейтрино (УКРН) на атомном ядре (похожим образом должна происходить регистрация нейтронов, а также гипотетических вимпов). Нейтрино, упруго взаимодействуя с ядром ксенона, передаёт ему часть своей кинетической энергии, которая затем конвертируется в энергию световой вспышки (сцинтилляции), а также в энергию ионизации атомов ксенона. Сцинтилляция, возникающая в процессе УКРН, может быть зарегистрирована при помощи ФЭУ. Электроны ионизации под действием небольшого электрического поля между катодом и управляющим электродом («гейтом») дрейфуют к границе раздела фаз. Проходя сквозь управляющую сетку, электроны, все ещё находясь в жидкости, попадают под действие более высокого электрического поля между управляющим электродом (находящимся под поверхностью жидкости) и анодом (находящимся в газовой фазе). Под действием этого электрического поля электроны вытягиваются в газовую фазу, где электрическое поле становится еще сильнее (пропорционально отношению диэлектрических проницаемостей жидкой и газовой фаз). В газовой фазе при движении электронов возникает электролюминесценция, которая регистрируется при помощи ФЭУ. По задержке между сцинтилляционным и электролюминесцентным сигналами можно определить вертикальную координату события.

Как сцинтилляция, так и электролюминесценция возникают при распаде димеров — возбуждённых двухатомных («молекулярных») состояний ксенона Хе*г:

Хе2 ^ 2Хе + Ку

Димеры Хе^, в свою очередь, образуются при столкновениях одиночных возбуждённых атомов ксенона с атомами ксенона в основном состоянии:

Хе*+Хе^Хе2

При этом излучение возбуждённого атома ксенона Хе* имеет резонансный характер и поэтому поглощается, не выходя из объёма ксенона. Излучение димера лежит ниже порога резонансного поглощения и поэтому имеет возможность выйти из ксенона и быть зарегистрированным фоточувствительными датчиками.

Образование одиночных возбуждённых атомов Хе* происходит двумя различными способами.

Во-первых, электроны ионизации могут соударяться с атомами ксенона, формируя возбуждённое состояние атомарного ксенона:

е-+Хе^Хе*

Во-вторых, электроны ионизации могут рекомбинировать с молекулярными ионами Хе+ , образующимися при соударениях ионов Хе+ с нейтральными атомами Хе [15]:

+ Хе^Хе+ е- +Хе+ ^Хе** +Хе Хе** + Хе ^ Хе* + Хе

Схематически описанные процессы представлены на Рис. 3.

Рис. 3. Схематическое описание процессов, происходящих в ксеноне при регистрации ионизирующего излучения. Перерисовано из [16]

1.2. Детекторы для поиска тёмной материи

Как уже было сказано, двухфазный эмиссионный метод регистрации сочетает высокую чувствительность к одиночным электронам ионизации, образующимся в процессе регистрации, с высокой плотностью мишени и возможностью её масштабирования. Это определяет класс задач, решаемых при помощи таких детекторов, — регистрацию редких процессов и событий с малым энерговыделением. Подобной задачей является поиск тёмной материи в виде слабовзаимодействующих массивных частиц — вимпов.

За последнее столетие появилось множество доказательств того, что в Метагалактике (наблюдаемой Вселенной) присутствует так называемая скрытая масса — невидимая материя, которая проявляет себя косвенно по гравитационным эффектам. В частности, для нескольких сотен галактик было обнаружено, что зависимости скорости вращения объектов в этих галактиках от расстояния до центра галактики противоречат расчётным данным по законам кеплеровской динамики, если учитывать лишь видимое вещество [17]. Действительно, согласно закону Кеплера, скорость вращения объекта в галактике зависит от плотности распределения массы следующим образом:

СМ(г)

р2(г) =-

г

где у(г) — скорость вращения объекта на расстоянии гот центра галактики, £ — гравитационная постоянная, М(г) — масса центральной области галактики с радиусом г . Для достаточно удалённых областей, где уже не наблюдается галактический диск, скорость движения отдельных звёзд и газа должна

уменьшаться с увеличением расстояния как у(г) ^^, однако наблюдения не подтверждают такой зависимости (Рис. 4)

Рис. 4. Сравнение наблюдаемой кривой вращения галактики (зеленая линия через экспериментальные точки) с предсказываемой законом Кеплера

теоретической кривой (красная линия). Источник: [18] (русифицировано)

При наблюдении за скоплениями галактик также обнаружено несоответствие наблюдаемых скоростей галактик общей массе наблюдаемого вещества скоплений.

Помимо этого, факт наличия скрытой массы подтверждают исследования гравитационного линзирования. Самым известным примером является, пожалуй, обнаруженное в начале этого века гравитационное линзирование в скоплении галактик Пуля. По изображениям, полученным при помощи космической рентгеновской обсерватории «Чандра», было рассчитано [19,20], что в скоплении происходит прохождение одного, меньшего, скопления сквозь другое на скорости около 4500 км/с. Большая часть барионного вещества скоплений представлена в виде газа, который участвует в электромагнитном взаимодействии, что приводит к замедлению движения скоплений. При этом гравитационное линзирование сильнее всего проявляется в областях, находящихся впереди относительно сталкивающегося газа, из чего следует обилие слабовзаимодействующей невидимой массы скоплений.

Одним из наиболее вероятных кандидатов на роль скрытой материи является так называемая «тёмная материя» — небарионное вещество, которое даёт вклад в гравитирующую массу, но не проявляет себя электромагнитным взаимодействием (излучением фотонов). Вышеописанный эффект в скоплении галактик Пуля НАСА

в 2006 году назвало «прямым подтверждением Тёмной Материи» [21]. Действительно, на текущий момент это одно из сильнейших подтверждений тёмной материи. Однако, несмотря на то, что общая масса тёмной материи в несколько раз превосходит барионную массу (26,8% против 4,9% по последним данным космической обсерватории Planck [22]), природа этого вещества до сих пор не разгадана. В зависимости от температуры ранней стадии эволюции Вселенной, при которой, как считается, прекратилось взаимодействие тёмной материи с барионным веществом (точнее, среднее время пролёта частиц тёмной материи в космической плазме превысило хаббловское), тёмная материя делится на «горячую» и «холодную». С космологической точки зрения более предпочтительна гипотеза холодной тёмной материи (CDM — Cold Dark Matter). Одно из популярных предположений заключается в том, что тёмное вещество составляют нерелятивистские слабовзаимодействующие массивные частицы — «вимпы» (от англ. «Weakly Interacting Massive Particles» — WIMPs), сечение взаимодействий которых с обычным барионным веществом может быть очень низким, вплоть до 10-48 cм2. Если предположение о существовании таких частиц окажется справедливым, то нашу Галактику следует рассматривать погружённой в облако малоподвижных вимпов, а нашу планету — движущейся сквозь это облако со скоростью ~ 230 км/сек. Прямым доказательством существования тёмной материи в форме суперсимметричных вимпов послужило бы обнаружение рассеяния этих частиц на ядрах обычного вещества. Сложность прямого обнаружения вимпов заключается в том, что эксперимент нужно ставить с массивными мишенями (сотни килограммов), а искать события — с энерговыделением порядка 1 кэВ на фоне сигналов от естественной радиоактивности и космических лучей.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Шакиров Алексей Вячеславович, 2023 год

Список литературы

1. Долгошеин Б.А., Лебеденко В.Н., Родионов Б.У. Новый метод регистрации следов ионизующих частиц в конденсированном веществе // Письма в ЖЭТФ. 1970. Vol. 11. P. 513-516.

2. Болоздыня А.И. et al. Первые наблюдения треков частиц в конденсированном веществе, полученные эмиссионным методом // Письма в ЖЭТФ. 1977. Vol. 25, № 9. P. 401-404.

3. XENON Collaboration et al. Search for New Physics in Electronic Recoil Data from XENONnT // Phys. Rev. Lett. American Physical Society, 2022. Vol. 129, № 16. P. 161805.

4. Akerib D.S. et al. The LUX-ZEPLIN (LZ) experiment // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment. 2020. Vol. 953. P. 163047.

5. Thieme K. DARWIN - a next-generation liquid xenon observatory for dark matter and neutrino physics // PoS. 2021. Vol. ICRC2021. P. 548.

6. Akimov D.Y. et al. The RED-100 two-phase emission detector // Instruments and Experimental Techniques. 2017. Vol. 60, № 2.

7. Workman R.L., Others. Review of Particle Physics // PTEP. 2022. Vol. 2022. P. 083C01.

8. Aprile E. et al. The XENON1T dark matter experiment // European Physical Journal C. 2017.

9. Акимов Д.Ю. et al. Комплексный метод подготовки ксенона для использования в качестве рабочей среды двухфазного эмиссионного детектора РЭД-100 // ПТЭ. Российская академия наук, 2019. № 4. P. 5-11.

10. Акимов Д.Ю. et al. Очистка жидкого ксенона электроискровым методом для использования в двухфазных эмиссионных детекторах // Приборы и Техника Эксперимента. 2017. № 6. P. 16-22.

11. Ободовский И.М., Покачалов С.Г., Шилов В.А. Новый метод очистки жидких благородных газов от электроотрицательных примесей // ЖТФ. 1980. Vol. 50, №2 9. P. 2028.

12. Ананьев В.В. et al. Электроискровая титановая очистка ксенона и его смесей // Решетневские чтения. ФГБОУ ВПО «Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М.Ф. Решетнева», 2016. Vol. 1, № 20.

13. Bolozdynya A. et al. Emission detectors // IEEE Transactions on Nuclear Science. 1995. Vol. 42, № 4. P. 565-569.

14. Akimov D.Y. et al. Search for Elastic Coherent Neutrino Scattering off Atomic Nuclei at the Kalinin Nuclear Power Plant // Physics Procedia. 2015. Vol. 74. P. 423-430.

15. Chepel V., Araujo H. Liquid noble gas detectors for low energy particle physics // J. Inst. 2013. Vol. 8, № 04. P. R04001.

16. Manzur A. et al. Scintillation efficiency and ionization yield of liquid xenon for monoenergetic nuclear recoils down to 4 keV // Phys. Rev. C. American Physical Society, 2010. Vol. 81, № 2. P. 025808.

17. В.А. Рябов, В. А. Царев, А. М. Цховребов. Поиски частиц темной материи // Успехи физических наук. 2008. Vol. 178, № 11. P. 1129-1164.

18. Department of Astronomy | - The Ohio State University [Electronic resource]. URL: http://www. astronomy.ohio-state.edu.

19. Markevitch M. et al. Direct Constraints on the Dark Matter Self-Interaction Cross Section from the Merging Galaxy Cluster 1E 0657-56 // The Astrophysical Journal. IOP Publishing, 2004. Vol. 606, № 2. P. 819-824.

20. Clowe D., Gonzalez A., Markevitch M. Weak-Lensing Mass Reconstruction of the Interacting Cluster 1E 0657-558: Direct Evidence for the Existence of Dark Matter // The Astrophysical Journal. IOP Publishing, 2004. Vol. 604, № 2. P. 596-603.

21. NASA Finds Direct Proof of Dark Matter [Electronic resource]. URL: https://www.nasa.gov/home/hqnews/2006/aug/HQ_06297_CHANDRA_Dark_Matte r.html.

22. Ade P. a. R. et al. Planck 2013 results. I. Overview of products and scientific results // A&A. EDP Sciences, 2014. Vol. 571. P. A1.

23. Cui X. et al. Dark Matter Results from 54-Ton-Day Exposure of PandaX-II Experiment // Phys. Rev. Lett. American Physical Society, 2017. Vol. 119, № 18. P. 181302.

24. LUX Collaboration et al. Limits on Spin-Dependent WIMP-Nucleon Cross Section Obtained from the Complete LUX Exposure // Phys. Rev. Lett. American Physical Society, 2017. Vol. 118, № 25. P. 251302.

25. Aalbers J. et al. DARWIN: towards the ultimate dark matter detector // J. Cosmol. Astropart. Phys. IOP Publishing, 2016. Vol. 2016, № 11. P. 017-017.

26. Mount B.J. et al. LUX-ZEPLIN (LZ) Technical Design Report. 2017.

27. Aalbers J. et al. DARWIN: towards the ultimate dark matter detector // Journal of Cosmology and Astroparticle Physics. IOP Publishing, 2016. Vol. 2016, № 11. P. 017-017.

28. Aprile E. et al. Projected WIMP sensitivity of the XENONnT dark matter experiment // J. Cosmol. Astropart. Phys. IOP Publishing, 2020. Vol. 2020, № 11. P. 031-031.

29. Zhang H. et al. Dark matter direct search sensitivity of the PandaX-4T experiment // Sci. China Phys. Mech. Astron. 2018. Vol. 62, № 3. P. 31011.

30. Hasert F.J. et al. Observation of neutrino-like interactions without muon or electron in the gargamelle neutrino experiment // Physics Letters B. 1973. Vol. 46, № 1. P. 138-140.

31. Freedman D.Z. Coherent effects of a weak neutral current // Physical Review D. 1974. Vol. 9, № 5. P. 1389-1392.

32. Копелиович В.Б., Франкфурт Л.Л. Об изотопической и киральной структуре нейтрального тока // Письма в ЖЭТФ. 1974. Vol. 19, № 4. P. 236.

33. Drukier A., Stodolsky L. Principles and applications of a neutral-current detector for neutrino physics and astronomy // Phys. Rev. D. American Physical Society, 1984. Vol. 30, № 11. P. 2295-2309.

34. Sangiorgio S. et al. R&D for the Observation of Coherent Neutrino-Nucleus Scatter at a Nuclear Reactor with a Dual-Phase Argon Ionization Detector // Physics Procedia. 2012. Vol. 37. P. 1266-1272.

35. Акимов Д.Ю. et al. Упругое когерентное рассеяние нейтрино на атомном ядре — недавно обнаруженный тип взаимодействия нейтрино низких энергий // УФН. 2019. Vol. 189, № 2. P. 173-186.

36. COHERENT Collaboration. Observation of coherent elastic neutrino-nucleus scattering // Science. 2017. Vol. 10, № 1126. P. 1-11.

37. Freedman D.Z., Schramm D.N., Tubbs D.L. The Weak Neutral Current and its Effects in Stellar Collapse // Annual Review of Nuclear Science. Annual Reviews 4139 El Camino Way, P.O. Box 10139, Palo Alto, CA 94303-0139, USA, 1977. Vol. 27, № 1. P. 167-207.

38. Anderson A.J. et al. Coherent neutrino scattering in dark matter detectors // Physical Review D. American Physical Society, 2011. Vol. 84, № 1. P. 013008.

39. Mikaelyan L.A., A. L. Neutrino Laboratory in the Atomic Plant (Fundamental and Applied Researches) // "Neutrino 77, Volume 2. Proceedings of the International Conference on Neutrino Physics and Neutrino Astrophysics held 18-24 June, 1977 in Baksan Valley. Moscow: Publishing Office 'Nauka', 1978., p.383." 1978. P. 383.

40. Bernstein A. et al. Nuclear security applications of antineutrino detectors: Current capabilities and future prospects // Science and Global Security. 2010. Vol. 18, № 3. P. 127-192.

41. Akimov D.Y. et al. First ground-level laboratory test of the two-phase xenon emission detector RED-100 // JINST. IOP Publishing, 2020. Vol. 15, № 02. P. P02020.

42. Akimov D.Y. et al. Two-Phase Emission Detectors. Hackensack: World Scientific Publishing Company, 2021. 353 p.

43. Bolozdynya A.I. Emission Detectors. WORLD SCIENTIFIC, 2010.

44. Барабаш А.С., Болоздыня А.И. Жидкостные ионизационные детекторы. Москва: Энергоатомиздат, 1993.

45. Aalbers J. et al. First Dark Matter Search Results from the LUX-ZEPLIN (LZ) Experiment: arXiv:2207.03764. arXiv, 2022.

46. Akimov D.Y. et al. The RED-100 experiment // J. Inst. IOP Publishing, 2022. Vol. 17, № 11. P. T11011.

47. Продукция - Производство редких газов [Electronic resource]. URL: http://chrom-rg.ru/katalog#xenon (accessed: 10.06.2020).

48. Park M.Y. et al. Activation and Gas Sorption Properties of Nano-Size Titanium Powder Getters // Solid State Phenomena. 2007. Vol. 124-126. P. 1281-1284.

49. Schnyders H., Rice S.A., Meyer L. Electron Drift Velocities in Liquefied Argon and Krypton at Low Electric Field Strengths // Phys. Rev. 1966. Vol. 150, № 1. P. 127145.

50. Фастовский В.Г., Ровинский А.Е., Петровский Ю.В. Инертные газы. Атомиздат, 1972.

51. Aprile E. et al. Noble Gas Detectors. Weinheim, Germany: Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, 2006.

52. Гавриленко И.Л. et al. Система очистки ксенона для спектрометра полного поглощения на жидком ксеноне: 252. 1984.

53. Анисимов С.Н. et al. Установка для очистки жидких благородных газов объёмом до 100 л электроискровым методом // Препринт ИТЭФ. ЦНИИатоминформ, 1987. № 106. P. 1-13.

54. PandaX Collaboration et al. Low-mass dark matter search results from full exposure of the PandaX-I experiment // Phys. Rev. D. American Physical Society, 2015. Vol. 92, № 5. P. 052004.

55. Ni K. et al. Searching for neutrino-less double beta decay of 136Xe with PandaX-II liquid xenon detector // Chinese Phys. C. IOP Publishing, 2019. Vol. 43, № 11. P. 113001.

56. Alner G.J. et al. First limits on WIMP nuclear recoil signals in ZEPLIN-II: A two-phase xenon detector for dark matter detection // Astroparticle Physics. 2007. Vol. 28, № 3. P. 287-302.

57. Lebedenko V.N. et al. Results from the first science run of the ZEPLIN-III dark matter search experiment // Phys. Rev. D. American Physical Society, 2009. Vol. 80, № 5. P. 052010.

58. LUX Collaboration et al. First Results from the LUX Dark Matter Experiment at the Sanford Underground Research Facility // Phys. Rev. Lett. American Physical Society, 2014. Vol. 112, № 9. P. 091303.

59. Aprile E. et al. Design and performance of the XEN0N10 dark matter experiment // Astroparticle Physics. 2011. Vol. 34, № 9. P. 679-698.

60. XENON Collaboration et al. XEN0N100 dark matter results from a combination of 477 live days // Phys. Rev. D. American Physical Society, 2016. Vol. 94, № 12. P. 122001.

61. XENON Collaboration et al. Search for WIMP inelastic scattering off xenon nuclei with XEN0N100 // Phys. Rev. D. American Physical Society, 2017. Vol. 96, № 2. P. 022008.

62. XENON Collaboration et al. XEN0N1T dark matter data analysis: Signal reconstruction, calibration, and event selection // Phys. Rev. D. American Physical Society, 2019. Vol. 100, № 5. P. 052014.

63. Aprile E. et al. First Dark Matter Search Results from the XEN0N1T Experiment // Physical Review Letters. 2017. Vol. 119, № 18.

64. Akerib D.S. et al. Technical results from the surface run of the LUX dark matter experiment // Astroparticle Physics. 2013. Vol. 45. P. 34-43.

65. Akimov D.Yu. et al. Purification of liquid xenon with the spark discharge technique for use in two-phase emission detectors // Instrum Exp Tech. 2017. Vol. 60, № 6. P. 782-788.

66. Анисимов С.Н. et al. Установка Мойдодыр для электроискровой очистки // Приборы и Техника Эксперимента. 1991. № 2. P. 79-82.

67. NIST. X-Ray Mass Attenuation Coefficients [Electronic resource]. URL: https://physics.nist.gov/PhysRefData/XrayMassCoef/ElemTab/z54.html.

68. Akimov D.Y. et al. A Two-Phase Emission Liquid Xe Detector for Study of Low-Ionization Events at the Research Reactor IRT MEPhI // IEEE Trans.Nucl.Sci. 2015. Vol. 62. P. 257-263.

69. Sonderegger K. Vacuum Sealing Technology // CERN Accelerator School. Platja D'Aro, 2006.

70. Pfeiffer Vacuum. The Vacuum Technology Book - Volume II // Pfeiffer Vacuum GmbH. 2013. Vol. II. 140 p.

71. Biagi S. Magboltz - transport of electrons in gas mixtures [Electronic resource]. URL: https://magboltz.web.cern.ch/magboltz/ (accessed: 31.03.2022).

72. Болоздыня А.И. et al. Термостатирование жидкоксенонового эмиссионного детектора РЭД-100 // ПТЭ. Российская академия наук, 2016. № 3. P. 149-152.

73. Акимов Д.Ю. et al. Управляемый делитель для фотоэлектронных умножителей типа Hamamatsu R11410-20, используемых в эмиссионном детекторе РЭД 100 // ПТЭ. Российская академия наук, 2014. № 5. P. 108-112.

74. Акимов Д.Ю. et al. Двухфазный эмиссионный низкофоновый детектор: pat. RU184222U1 USA. 2018.