Читать книгу Слон во Вселенной. 100 лет в поисках темной материи - Маркус Чаун, Говерт Шиллинг - Страница 5

Дзюндзи Наганома, сидя за столом, глядит на графики и числа на мониторе компьютера. Можно подумать – ничего особенного. Но это не какой-нибудь обычный кабинет. Вокруг стола полно полок, контейнеров и стопок коробок. Наганома в защитном шлеме и куртке – температура не выше плюс 10 градусов, и сюда не попадает дневной свет. Его «кабинет» – это стометровой длины пещера, слабо освещенная прожекторами на сырых стенах, увешанных трубами и кабелями. Повсюду огромные инструменты, назначение которых с виду не поймешь. Пещера соединена с другими похожего размера пещерами служебными туннелями, настолько широкими, что по ним могут проехать грузовики. Весь комплекс расположен почти на километровой глубине в итальянских Апеннинах.

Добро пожаловать в Национальную лабораторию Гран-Сассо (Laboratori Nazionali del Gran Sasso) – самую большую подземную физическую лабораторию в мире¹. В зале B ученые и техники из 24 стран создают XENONnT – самый большой и самый чувствительный детектор частиц темной материи. Наганома – постдок из Японии – просматривает результаты испытаний инструмента, находясь в импровизированной «чистой комнате»; коробки набиты десятками готовых к установке хрупких фотоэлектронных умножителей, изготовленных в немецком университете. Во время моего посещения в конце 2019 года детектор XENONnT был уже почти готов². Сейчас, когда вы читаете эти строки, детектор уже работает, накапливая данные в поисках невидимой субстанции.

Астрономия издавна славится открытием новых объектов и явлений, о которых до этого ничего не знали. Со временем – особенно после изобретения телескопа немногим более 400 лет назад – список открытий стал гораздо длиннее. Астрономы открыли спутники Юпитера, новые планеты во внешней части Солнечной системы, невообразимое количество звезд, облака межзвездного газа и огромное множество галактик вроде нашей собственной. Но всех этих обитателей космоса можно разглядеть либо при помощи классических «оптических» телескопов, либо с помощью инструментов, регистрирующих рентгеновское, ультрафиолетовое или радиоизлучение, которое хоть и не воспринимается человеческим зрением, зато доступно для специально сконструированных камер.

А вот поиски невидимой сущности выглядят совсем иначе. Невидимые объекты можно обнаружить, только когда они оставляют какие-нибудь следы в видимом окружении, тем или иным образом изменяя его свойства или поведение. Я не вижу содержимого закрытой картонной коробки на чердаке, но знаю, что в ней что-то есть, потому из-за этого коробка тяжелая и ее трудно сдвинуть. Расположенный под столом магнит создает характерный узор железных опилок на поверхности стола. Герой написанного Гербертом Уэллсом в 1897 году научно-фантастического романа «Человек-невидимка» оставляет видимые всем окружающим следы на земле³. Как говорится, не все так просто, как кажется на первый взгляд.

На больших масштабах во Вселенной влияние обычно осуществляется посредством тяготения – именно эта сила накладывает свой отпечаток, по которому ученые догадываются о присутствии чего-то невидимого. Влияние тяготения довольно легко обнаруживается из-за того, что гравитация – уникальная сила во Вселенной. Это единственная всегда притягивающая дальнодействующая сила. Чем больше масса, тем сильнее проявление тяготения. (В отличие от тяготения, действующая на заряженные частицы электромагнитная сила может быть как притягивающей, так и отталкивающей, и на больших масштабах эти эффекты, как правило, взаимно компенсируются.) Тяготение управляет движением планет, оно определяет строение галактик и эволюцию Вселенной в целом, ну и, разумеется, характер падения яблок с яблони, как в свое время заметил, отдыхая в саду, Исаак Ньютон, сформулировав свой закон всемирного тяготения в 1687 году.

Просто исследуя влияние тяготения, ученые обнаружили присутствие планеты Нептун, белого карлика – спутника звезды Сириус, внесолнечных планет и черной дыры в центре Млечного Пути – нашей Галактики. Подобно невидимке Гриффину, все эти объекты оставили выдавшие их присутствие гравитационные следы.

А что, если мы видим следы на земле, но не понимаем, что за невидимка их оставляет? Ну и пусть, зато теперь ясно, что он где-то тут, и если тщательно изучить следы, то можно довольно много узнать про этого невидимку. Так, например, астрономы способны из наблюдений звезды определить период обращения планеты вокруг нее, расстояние планеты от звезды (и, следовательно, температуру поверхности планеты) и даже получить представление о массе планеты. Сама планета при этом может остаться невидимой – достаточно измерения ее гравитационного воздействия.

Также и в лаборатории Гран-Сассо ученые пытаются узнать что-то о невидимых объектах, исследуя их наблюдаемые проявления. Но в данном случае проявления вызваны не силой тяготения. «Пещерные» ученые ищут частицы темной материи, которые – если они существуют, – конечно же, обладают массой, но их невозможно обнаружить по гравитационному влиянию. На масштабах отдельных частиц тяготение невероятно слабое. Его влияние проявляется только на больших масштабах при сложении сил притяжения большого множества частиц. Так что гравитационное притяжение отдельной частицы темной материи слишком слабо, чтобы его само по себе можно было заметить. Но элементарные частицы – в том числе и гипотетические частицы темной материи – обладают массой, а значит, и «пробивной силой». Поэтому возможно обнаружение отдельных частиц в редких случаях их столкновения с ядрами атомов «нормальной» материи – например, ксенона, который используется для этой цели в Гран-Сассо. При взаимодействии частицы темной материи с ядром атома ксенона возникает слабая вспышка света, которую ученые как раз надеются обнаружить. Именно для этого нужны фотоумножители.

Но в экспериментах вроде того, что проводится в Гран-Сассо, есть одна проблема. Дело в том, что в точности такие же вспышки возникают при столкновении атомного ядра с менее загадочными микроскопическими объектами – так называемыми частицами космических лучей. Космические лучи – это высокоэнергичные пришельцы из далекого космоса. Это в основном протоны – ядра атомов водорода. При попадании в атмосферу Земли они сталкиваются с атомами и молекулами азота и кислорода, порождая так называемые «атмосферные ливни» вторичных частиц, обрушивающиеся на поверхность нашей планеты.

При поисках взаимодействий с участием частиц темной материи эти вторичные частицы космических лучей являются источником шума в экспериментальных данных. А, как известно, если вокруг шумно, то трудно услышать, как упала иголка. И вот именно для этого и понадобился апеннинский известняк. Темное вещество легко проходит сквозь полуторакилометровый слой породы (ведь эта странная материя редко взаимодействует с обычным веществом – иначе ее давно бы обнаружили), а вот большинство частиц космических лучей – в основном это положительно заряженные мюоны – в нем застревают. Что касается взаимодействий элементарных частиц, то лаборатория Гран-Сассо – исключительно «тихое» место.

Замечательно. Но откуда взять средства на создание подземной лаборатории размером со средневековый замок и как ее построить и обслуживать? Еще в 1980 году физик-ядерщик Антонио Дзикики понял, за какие ниточки надо потянуть. Итальянские политики тогда обдумывали строительство автодорожного туннеля под Апеннинами, чтобы обеспечить возможность быстрого сообщения между Римом на побережье Тирренского моря и Адриатическим побережьем на востоке. Дзикики, бывший тогда президентом Итальянского института ядерной физики, предложил просто немного увеличить объем горных работ. Построенная рядом с туннелем большая подземная физическая лаборатория станет залогом лидерства Италии в этой области науки.

И все получилось именно так, как и задумал Дзикики. Строительство туннеля было завершено в 1984-м, а уже через год была основана лаборатория Итальянского института ядерной физики. В 1989 году в ней провели первый эксперимент по поиску – к сожалению, безуспешному – магнитных монополей, загадочных гипотетических элементарных частиц, оставшихся после Большого взрыва. В последующие годы лаборатория была расширена – теперь ее объем составляет целых 180 000 кубических метров и в ней работают около 1100 ученых со всего мира.

Туннель Гран-Сассо расположен к востоку от средневекового города Л’Акуила («Орел») – столицы итальянской области Абруцци⁴. Автострада 24 (A24) пролегает от Рима до Л’Акуила среди очаровательных ландшафтов, пересекая такое количество национальных парков и заповедников, что ее еще называют «Дорогой парков» (Strada dei Parchi). Но при въезде в Л’Акуила сразу понимаешь, что у природных красот бывает и оборотная сторона. Апеннинские горы – геологический хребет Италии и сейсмоопасный район, а центр легендарного города был сильно разрушен в результате землетрясения силой 6,3 балла, которое случилось ранним утром 6 апреля 2009 года, вызвав гибель более 300 человек.

Восстановление Л’Акуила происходит очень медленно. Повсюду видны строительные краны, но многие старинные церкви требуют полной реставрации. Крутые булыжные мостовые забиты бетономешалками, тележками, повсюду лязг инструментов, стук молотков. Везде дорожные конусы и ограждения из лент. Большинство зданий стоят в окружении строительных лесов и закрыты фасадными сетками. Вид гнетущий, и я с трудом могу себе представить настойчивость и целеустремленность, необходимые для восстановления города, – и все это в ожидании очередного землетрясения. На этом фоне упорство специалистов по физике элементарных частиц, занятых поисками темной материи, кажется напрасной и непозволительной роскошью.

Рядом с историческим Fontana Luminosa – фонтаном с подсветкой, увенчанным двумя бронзовыми обнаженными женскими фигурами, я сажусь в машину к Ауке-Питеру Колейну, чтобы проехать оставшиеся 10 километров до расположенного на поверхности земли административного здания лаборатории на западном склоне массива Гран-Сассо. Колейн – технический координатор проекта XENONnT. А еще именно он придумал странное сокращенное название для эксперимента. В предыдущем эксперименте по регистрации темной материи в Гран-Сассо в качестве детектора использовался жидкий ксенон в количестве около одной тонны, и поэтому сам эксперимент получил название XENON1T. Но по поводу количества ксенона в новом эксперименте долгое время не было принято окончательного решения, и поэтому Колейн предложил назвать его XENONnT, где n означает любое число. В конце концов было решено использовать восемь тонн ксенона, но «навороченное» название так и осталось.

Колейн, высокий, худой обаятельный физик лет 50, совмещает работу в Нидерландском национальном институте субатомной физики, Амстердамском и Утрехтском университетах и лаборатории Гран-Сассо. В Италии большинство коллег зовут его просто Эй-Пи – его нидерландское имя трудно выговорить. После короткого посещения так называемого внешнего комплекса – нескольких кабинетов и лабораторий со столовой, где делают потрясающий эспрессо, мы с Колейном снова возвращаемся на A24, по которой въезжаем в туннель Гран-Сассо с восточной стороны. Через несколько минут мы оказываемся под 1400-метровым слоем горных пород, который обеспечивает надежную защиту от помех в виде частиц космических лучей. Но где же сама лаборатория?

Колейн сказал мне, что она расположена к северу от автострады и добраться до нее можно только по западному туннелю. Он следует к выходу на «заумную кольцевую развязку» – единственный путь назад к тоннелю и входу в подземный комплекс. Не очень-то приятно, если придется вернуться за забытой отверткой. Пройдя пост охраны и припарковав машину, мы продолжаем наш путь по пещере в специальной прочной обуви и защитных шлемах.

«Так вот где физики надеются найти разгадку тайны темной материи», – говорю я себе. Если их теории верны, то повсюду кругом призрачные частицы и осталось только их уловить.

В трех громадных пещерах, ориентированных перпендикулярно автодорожному туннелю, неожиданно тихо. В среднем в любой конкретный момент времени под землей работают около двух с половиной десятков человек, но комплекс настолько огромен, что их почти не замечаешь. Длина каждого из тускло освещенных залов составляет около 100 метров, ширина – 20 метров, а высота – 18 метров. Повсюду тихое гудение оборудования, время от времени прерываемое более громким тарахтением огромных вентиляторов и кондиционеров.

Гран-Сассо – это не один лишь XENONnT. Мы пробираемся между резервуарами эксперимента «Борексино» (Borexino) и останавливаемся, пораженные, перед Детектором большого объема (Large Volume Detector). Это два огромных комплекса для исследования нейтрино – неуловимых незаряженных элементарных частиц, которые могут играть ключевую роль в решении загадки темной материи (см. главу 23)⁵. Проходим мимо комплексов оборудования множества других физических экспериментов – некоторые из них довольно небольшие, но встречаются и размером с целый дом. У всех этих экспериментов хитроумные названия вроде CUPID, VIP, COBRA и GERDA, и на всех площадках идет работа: тут шипят клапаны, там подрагивает стрелка индикатора, повсюду стойки компьютерного оборудования и мигание светодиодных индикаторов⁶.

Непонятные приборы, пугающая атмосфера, отсутствие людей – из-за всего этого подземная лаборатория напоминает покинутый пришельцами грузовой корабль или постапокалиптические руины секретной военной базы. И в самом деле, что подумают будущие археологи о наших целях и намерениях, когда спустя тысячи лет наткнутся на это странное место?

Наконец мы добираемся до площадки эксперимента XENONnT в зале B. Я уже видел, как все выглядит на фотографиях, но от этого впечатление не становится менее сильным. Совсем рядом с цилиндрическим резервуаром в глаза бросается прямоугольный трехэтажный пункт управления с футуристическими стеклянными стенами. На одной его стене возвышается лестница, а другая стена упирается в резервуар. Стеклянная конструкция кажется такой же прозрачной, как Вселенная для темного вещества. Криогенное оборудование, служащее для поддержания температуры жидкого ксенона на уровне минус 95 °C, расположено на верхнем этаже, операторная и системы регистрации данных – на втором, а очистительные устройства – на первом, и все это предназначено для регистрации таинственной субстанции, в самом существовании которой никто так до конца и не уверен.

Десятиметровой высоты резервуар укрыт огромной фотографией его содержимого, напечатанной на брезенте, из-за этого кажется, что резервуар прозрачный. В нем содержится 700 000 литров воды, в которой плавает собственно детектор. Детектор представляет собой другой контейнер, заполненный восемью тоннами свехчистого и очень холодного жидкого ксенона. На верхнем и нижнем концах контейнера расположены пластинки, к которым крепятся сотни высокочувствительных фотоэлектронных умножителей, их задача – уловить слабую короткую вспышку света, излучаемую при столкновении частицы темной материи с ядром атома ксенона. Для повышения вероятности регистрации вспышки внутренняя поверхность резервуара покрыта слоем тефлона, который очень хорошо отражает ультрафиолетовое излучение.

Эксперимент XENON в Национальной лаборатории Гран-Сассо в Италии. Слева – огромный заполненный водой резервуар, в котором расположен детектор, справа – пункт управления

Особого внимания требует предотвращение взаимодействий частиц, порождающих сигнал, похожий на тот, которого ученые ожидают от столкновения ядра ксенона с частицей темной материи. Даже слой горных пород толщиной 1400 метров не в состоянии со 100 %-ной надежностью задержать каждый мюон космических лучей, и одна частица из миллиона все же проникает на эту глубину. При взаимодействии мюонов с окружающей лабораторию породой образуются нейтроны, которые могут создавать помехи эксперименту, потому что, сталкиваясь время от времени с ядрами ксенона, порождают ультрафиолетовые вспышки, напоминающие вспышки от столкновения с частицами темной материи. Именно поэтому прибор помещен в большой резервуар с очищенной водой, которая эффективно поглощает нейтроны.

А есть еще и естественная радиоактивность – ядра тяжелых элементов постепенно распадаются с образованием более легких ядер, и в ходе этого процесса испускаются альфа-частицы, электроны и высокоэнергичные фотоны гамма-излучения. Все эти продукты распада порождают фоновый шум. Сквозь сварные швы резервуара с ксеноном постоянно проникают атомы радиоактивного радона. Следы радиоактивного криптона встречаются на нашей планете буквально повсюду с тех пор, как мы начали испытывать ядерные боеголовки и устанавливать их. А в промышленном ксеноне содержится очень небольшое количество радиоактивного трития. Чтобы свести нежелательное влияние этих примесей к минимуму, жидкий ксенон постоянно очищают с помощью огромной ректификационной колонны, расположенной в прозрачном сооружении рядом с резервуаром.

Метод детектирования (подробнее о нем мы расскажем в главе 18) был придуман в конце XX века. Эксперимент XENON был начат в 2001 году. Его автор – итальянский физик из Колумбийского университета Елена Априле, по словам Колейна, «очень своеобразный человек». В ходе этого постоянно расширяющегося международного проекта было создано несколько детекторов – каждый больше и чувствительнее предыдущего – начиная от первого трехкилограммового опытного образца и до современного восьмитонного исполина. Елена Априле все еще продолжает возглавлять проект.

Колейн также рассказал мне о большом конкуренте проекта XENONnT – эксперименте под названием LUX-ZEPLIN, который сейчас выполняется в Подземном исследовательском центре Сэнфорда (Sanford Underground Research Facility) в Южной Дакоте. Руководитель проекта, физик из Брауновского университета Ричард Гайтскелл, несколько лет работал в сотрудничестве с Априле в рамках эксперимента XENON, но в 2007 году эта совместная деятельность прекратилась. Большинство участвовавших в эксперименте XENON американских исследовательских групп перешли к Гайтскеллу, чтобы заняться созданием нового детектора. А есть еще и проект PandaX – масштабный эксперимент по поиску темной материи с помощью ксенонового детектора, проводимый в китайской подземной лаборатории Цзиньпин, – это еще один участник гонки с целью непосредственного обнаружения темной материи.

Несмотря на десятилетия тщетных поисков и потустороннюю атмосферу, посещение Национальной лаборатории Гран-Сассо вдохновляет и воодушевляет. Здесь, так же как и в немногих других подобного рода лабораториях, самые гениальные физики с помощью самых чувствительных в мире инструментов исследуют то, что считают самым распространенным и при этом самым таинственным компонентом Вселенной. Увлеченность этих ученых поражает, а их уверенность заразительна. Вне всякого сомнения, мы на пороге великого открытия – оно свершится в ходе эксперимента XENONnT или конкурирующих проектов, ну или, возможно, в результате менее масштабных экспериментов в лаборатории Гран-Сассо вроде DarkSide, CRESST, DAMA или COSINUS⁷. Лишь бы упрямая частица показалась, пусть и на мгновение, оставив слабый, но обнаружимый след в каком-нибудь из наших навороченных приборов.