By Концентрація, що дорівнює одній частині на мільярд, – це стільки, як крихта солі на 10 тонн картоплі фрі. Зараз дослідники здатні виявити радіоактивні атоми, концентрація яких є в мільйони разів меншою. У Journal of Analytical Atomic Spectrometry науковці описали процес, що дав змогу викрити окремі радіоактивні атоми урану й торію, сховані серед більйона стабільних атомів. Про це пише Кармела Падавіц-Каллаган у журналі Scientific American.
Здатність виявляти таку малу кількість радіоактивних елементів, які в природі трапляються в металах, зокрема в золоті, що часто використовуються для виготовлення лабораторних приладів, має величезне значення для фізики елементарних частинок. Наявність навіть найменшої кількості радіоактивних ізотопів у детекторах, які шукають екзотичні частинки, наприклад темну матерію, обмежує їхню чутливість; окремі радіоактивні розпади можна сплутати з процесами за участю невідомих частинок і внаслідок цього дискваліфікувати весь експеримент.
“Перш ніж щось зробити, ми маємо подбати про чистоту матеріалів”, – пояснює Мішель Долінскі, фізичка елементарних частинок із Дрексельського університету й Обсерваторії збагаченого ксенону, яка не брала участі в дослідженнях. Її робота з пошуку рідкісних частинок переплітається з хімією, метою якої є виявлення радіоактивних елементів.
“Фізика чинить тиск на хімію”, – заявляє Ерік Хоппе, хімік із Тихоокеанської північно-західної національної лабораторії (PNNL) і співавтор опублікованої праці. Разом зі колегами йому вдалося виявити дуже малу кількість радіоактивного торію й урану в зразках металів, використовуючи для цього масовий спектрометр, який здатен розрізняти частинки на основі їхньої маси.
Кадуя Гаруака, також хімік із PNNL і провідний автор статті, пояснює, що науковцям передусім довелося зробити так, щоб радіоактивні елементи стали важчими від атомів інших металів. Для цього вони нагрівали металевий взірець, аби пришвидшити перебіг хімічних реакцій, а потім помістили його в камеру, наповнену киснем. Завдяки цьому кожен атом торію й урану у взірці поєднувався з киснем, утворюючи достатньо важкі частинки, щоб їх легко можна було виявити серед даних, які збирав спектрометр. Потім вчені лічили радіоактивні частинки окисів і на цій основі визначали вміст радіоактивних атомів у первинному взірці, тобто величину, яка інформувала про те, яку радіоактивність внесе цей матеріал до фізичних експериментів.
Тоді як старі аналітичні методи здебільшого треба було модифікувати для різних металів, нова технологія завжди полягає в нагріванні й окисленні. “Це збільшує спектр матеріалів, які можна використовувати”, – підкреслює Хоппе.
Прісцілла К’юшман, фізичка з Університету Міннесоти та учасниця експерименту Super Cryogenic Dark Matter Search, яка не брала участі в описуваних дослідженнях, пояснює, що підбір матеріалів є критичним під час проєктування детекторів елементарних частинок: “В експериментах [з пошуку темної матерії] ми використовуємо незліченно багато дрібних елементів”. І додає: “Матеріали, що використовуються для електричних чи термічних поєднань, навіть ізоляції, мають бути вільними від слідів радіоактивності”. Кожен метал, що розглядається як конструкційний, потребує перевірки. Хоппе також дивиться в майбутнє: “Ми наполегливо намагаємося вилучити всі підозрілі [радіоактивні] матеріали. Ця праця є важливим кроком уперед”.
