Ciemna materia. Czy ujawnią ją pierwiastki promieniotwórcze?

W Sekcji Archeo w Pulsarze prezentujemy archiwalne teksty ze „Świata Nauki” i „Wiedzy i Życia”. Wciąż aktualne, intrygujące i inspirujące.

Koncentracja równa jednej części na miliard, to tyle, ile szczypta soli na 10 t frytek; dziś badacze potrafią znaleźć atomy promieniotwórcze, których koncentracja jest nawet miliony razy mniejsza. W czasopiśmie „Journal of Analytical Atomic Spectrometry” (2021) naukowcy opisali proces, który pozwolił wykryć pojedyncze promieniotwórcze atomy uranu i toru ukryte wśród biliarda trwałych atomów.

Umiejętność wykrywania tak małych ilości pierwiastków promieniotwórczych, które naturalnie występują w metalach, m.in. w złocie, często wykorzystywanych do wytwarzania przyrządów laboratoryjnych, ma olbrzymie znaczenie dla fizyki cząstek elementarnych. Nawet śladowe ilości izotopów promieniotwórczych obecne w detektorach poszukujących egzotycznych cząstek, tworzących na przykład ciemną materię, ograniczają ich czułość; pojedyncze rozpady promieniotwórcze mogą zostać pomylone z procesami z udziałem nieznanych cząstek i w rezultacie zdyskwalifikować cały eksperyment.

„Zanim cokolwiek zrobimy, musimy zadbać o czystość materiałów” – wyjaśnia Michelle Dolinski, fizyczka cząstek elementarnych z Drexel University i Enriched Xenon Observatory, która nie uczestniczyła w badaniach. Jej praca, w której poszukuje rzadkich cząstek, przeplata się z chemią, której celem jest odnajdywanie pierwiastków promieniotwórczych.

„Fizyka wywiera presję na chemię” – stwierdza Eric Hoppe, chemik z Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) i współautor opublikowanej pracy. Razem ze współpracownikami zdołali wykryć bardzo małe zawartości promieniotwórczego toru i uranu w próbkach metali, używając do tego spektrometru masowego, który jest w stanie rozróżniać cząsteczki na podstawie ich masy.

Khadouja Harouaka, również chemik z PNN i pierwszy autor artykułu, wyjaśnia, że naukowcy przede wszystkim musieli sprawić, aby pierwiastki promieniotwórcze stały się cięższe niż atomy pozostałych metali. W tym celu ogrzewali metaliczną próbkę, aby przyspieszyć przebieg reakcji chemicznych, a następnie umieścili ją w komorze wypełnionej tlenem. Dzięki temu każdy atom toru i uranu obecny w próbce łączył się z tlenem, tworząc cząsteczki dostatecznie ciężkie, aby dało się je łatwo odnaleźć w danych zbieranych przez spektrometr. Następnie naukowcy liczyli promieniotwórcze cząsteczki tlenków i na tej podstawie zawartość promieniotwórczych atomów w pierwotnej próbce, czyli wielkość informującą, jaką promieniotwórczość wniesie dany materiał do eksperymentów fizycznych.

Podczas gdy większość starszych metod analitycznych trzeba było modyfikować dla każdego metalu, nowa technika zawsze polega na zastosowaniu ogrzewania i utleniania. „To zwiększa zakres możliwych do zastosowania materiałów” – podkreśla Hoppe.

Priscilla Cushman, fizyczka z University of Minnesota i uczestniczka eksperymentu Super Cryogenic Dark Matter Search, która nie brała udziału w opisywanych badaniach, wyjaśnia, że dobór materiałów jest krytyczny przy projektowaniu detektorów cząstek elementarnych: „W eksperymentach [poszukujących ciemnej materii] używamy niezmiernie wielu drobnych elementów”. I dodaje: „Materiały stosowane do wykonywania połączeń elektrycznych lub termicznych, a nawet izolacji, muszą być wolne od śladów promieniotwórczości.” Każdy metal, który jest brany pod uwagę jako materiał konstrukcyjny, wymaga sprawdzenia. Hoppe również patrzy w przyszłość: „Usilnie staramy się wyeliminować wszystkie podejrzane [o promieniotwórczość] materiały. Ta praca stanowi ważny krok naprzód”.

Dziękujemy, że jesteś z nami. Pulsar dostarcza najciekawsze informacje naukowe i przybliża wyselekcjonowane badania naukowe. Jeśli korzystasz z publikowanych przez Pulsar materiałów, prosimy o powołanie się na nasz portal. Źródło: www.projektpulsar.pl.