Слон во Вселенной. 100 лет в поисках темной материи

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.

Конец ознакомительного фрагмента.

Текст предоставлен ООО «Литрес».

Прочитайте эту книгу целиком, купив полную легальную версию на Литрес.

Безопасно оплатить книгу можно банковской картой Visa, MasterCard, Maestro, со счета мобильного телефона, с платежного терминала, в салоне МТС или Связной, через PayPal, WebMoney, Яндекс.Деньги, QIWI Кошелек, бонусными картами или другим удобным Вам способом.

Примечания

1

«Ученый спор», перевод С. Я. Маршака. – Прим. пер.

2

Постдок – это молодой ученый, защитивший диссертацию и работающий в университете или научной организации на временной ставке (2–4 года), которая позволяет заниматься научно-исследовательской работой под руководством опытного исследователя. – Прим. пер.

3

По-видимому, отсылка к книге Дугласа Адамса «Автостопом по Галактике» (перевод В. Баканова; АСТ, 1997): Специально созданный суперкомпьютер «Мыслитель», поразмышляв семь с половиной миллионов лет, на заданный ему «Основной вопрос жизни, Вселенной и всего остального» ответил: «Сорок два». – Прим. пер.

4

В сериале: «Это жизнь, Джим, но не такая, какой мы ее знаем». – Прим. пер.

5

Цитата из трагедии Шекспира «Гамлет», д. 1, сц. 5, слова Гамлета; перевод М. Вронченко. – Прим. пер.