Слон во Вселенной. 100 лет в поисках темной материи

1. Материя, но не такая, какой мы ее знаем

Почетный профессор имени Альберта Эйнштейна Принстонского университета, член Американского физического общества и Королевского общества, лауреат Нобелевской премии по физике 2019 года и «крестный отец» теории холодной темной материи Филлип Джеймс Эдвин Пиблс медленно встает из-за стола, идет к расположенной на противоположной стене книжной полке и берет с нее две пустые пластиковые бутылки¹.

Он дует над открытым горлышком более объемной из них. Комнату наполняет низкий дрожащий звук. Затем Пиблс подносит к губам бутылку меньшего размера. Мы слышим другой звук, гораздо более высокий. «Принцип тот же самый, – говорит Пиблс с характерной кроткой улыбкой на лице. – Каждому размеру соответствует своя предпочтительная частота, и наоборот».

Постойте! Но ведь за такое простое соображение не дают Нобелевскую премию!

Ну, если вы успешно примените его к звуковым волнам в новорожденной Вселенной, то могут и дать. Если это позволит доказать, что устойчивость галактик невозможна без таинственной темной материи. И если вы заложите основу современной стандартной космологической модели.

Итак, во вторник, 8 октября 2019 года, в пять часов утра Пиблсу позвонили из Шведской академии наук. Он разделил премию с двумя другими учеными, но при этом получил половину всей суммы – около 910 000 долларов США – «за теоретические открытия в области физической космологии». «Обалдеть!» – сказала его жена Элисон, услышав эту новость. Затем Пиблс совершил ежедневную полуторакилометровую прогулку от дома до кабинета на втором этаже Джедвин-холла, и его 84-летняя голова была полна беспорядочных мыслей.

Ведь Джим Пиблс и представить себе не мог, что станет космологом. Джимми родился в 1935 году в канадском городе Сен-Бонифас – сейчас это квартал Виннипега. Он любил мастерить всякие электрические штуковины, экспериментировать с порохом и был фанатом паровозов. Конечно, он выходил на улицу, чтобы посмотреть на безмолвный танец северного сияния на зимнем небе провинции Манитоба, и, разумеется, знал, как найти Полярную звезду. Но астрономия никогда не волновала его технический ум. Когда Пиблс впервые столкнулся с космологией в аспирантуре, она показалась ему «жутко нудной, надуманной и неправдоподобной», как он однажды сказал астроному Мартину Харвиту².

Все постепенно изменилось после его приезда в Принстон осенью 1958 года. Пиблс был аспирантом в исследовательской группе блестящего физика Роберта Дикке. По вечерам в пятницу Дикке устраивал семинары, на которых студенты, постдоки и профессора свободно обсуждали все интересовавшие их научные вопросы. Поначалу Пиблса смущали широкие познания других участников в области квантовой физики или общей теории относительности, но потом он стал дорожить этими неформальными встречами, и не только потому, что они порой заканчивались распитием пива. Увлеченность Дикке космологией оказалась заразительной.

Дэвид Уилкинсон (слева), Джеймс Пиблс (в центре) и Роберт Дикке (справа) в начале 1960-х годов рядом с созданным ими радиометром для исследования фонового реликтового излучения

В 1962 году Пиблc защитил диссертацию на тему возможного изменения электромагнитной силы со временем. Он остался в Принстоне, работая в должности постдока в сотрудничестве с Дикке и двумя другими постдоками, Дэвидом Уилкинсоном и Питером Роллом. На нечеткой фотографии 1960-х годов, которую он демонстрировал во время своей нобелевской лекции, Пиблс высокий и стройный, с темными прямыми волосами, в очках и исландском свитере. Путь от аспирантуры до торжественного приема в Стокгольме был очень долгим.

Карьера Пиблса как физика-космолога началась знойным днем летом 1964 года. На душном чердаке Физической лаборатории Палмера в Принстоне Дикке строил свои далеко идущие планы по поиску остатков излучения новорожденной Вселенной – первобытного пламени на миллионы градусов жарче, чем любой чердак. Ученые предполагали, что излучение от этого давнего события должно быть где-то рядом, надо только его найти. Уилкинсону и Роллу было поручено создать прибор для его обнаружения. «Итак, Джим, – сказал Дикке, – почему бы тебе не заняться лежащей в основе всего этого теорией?»

Пиблс понял, каким образом в результате взаимодействия раскаленной плазмы ранней расширяющейся Вселенной – смеси электрически заряженных частиц – с высокоэнергичным излучением получалась вязкая текучая среда – своего рода первичный «бульон», колебания которого имели вид своеобразных акустических (т. е. звуковых) волн чрезвычайно низкой частоты. Потом, примерно через 380 000 лет после Большого взрыва, когда температура Вселенной понизилась до уровня, допускающего образование нейтральных атомов, произошло разделение вещества и излучения: свойства каждого из этих двух компонентов перестали определять поведение другого. Теперь излучение смогло свободно распространяться во Вселенной, остывая и превращаясь в слабое фоновое реликтовое свечение – то самое, которое стремился зарегистрировать Дикке. При этом распределение материи осталось прежним с чередованием относительно разреженных и относительно более плотных областей, причем плотность в них была лишь слегка выше или, соответственно, ниже средней, и характерные расстояния между соседними разреженными и плотными областями определялись частотами исходных звуковых волн.

Как показал Пиблс на примере пластиковых бутылок, размер связан с частотой, и наоборот. Этот же самый принцип применим и ко всей Вселенной, и именно так возникла характерная картина так называемых барионных акустических осцилляций. Со временем материя в областях повышенной плотности конденсировалось в галактики. Именно поэтому галактики распределены в трехмерном пространстве не случайным образом: их больше там, где еще на заре Вселенной под действием акустических волн образовались наиболее плотные «наносы» вещества. Другими словами, современная крупномасштабная структура Вселенной сформировалась в результате событий, которые происходили вскоре после Большого взрыва.

Это сложный вопрос, и пока можно на время о нем забыть – мы вернемся к барионным акустическим осцилляциям в главе 17. Скажем только, что примерно к 30 годам Джим Пиблс смог задумываться о самых грандиозных вещах – может быть, не о жизни, но уж точно о Вселенной и обо всем на свете. Для этого совсем не обязательно ждать, пока исполнится 42 года [3].

При этом Пиблс совсем не расстроился, узнав, что радиоинженеры Арно Пензиас и Роберт Уилсон опередили Принстонскую группу и первыми обнаружили фоновое реликтовое излучение. Они сделали свое открытие в лаборатории Белла в расположенном неподалеку Холмдейле, штат Нью-Джерси, в 1964 году, всего через несколько месяцев после того, как Дикке собрал свою группу. После звонка с сообщением об этом открытии расстроенный Дикке сказал своим коллегам: «Увы, ребята, похоже, что нас обскакали!» Но Пиблс вспоминал, что его самого это известие воодушевило. Открытие Пензиаса и Уилсона означало, что Пиблс с коллегами занимались не просто умозрительными рассуждениями – предмет их изучения действительно существует.

Пиблс увлекся космологией, и с тех пор она стала постоянной темой его исследований. Вскоре он уже читал лекции по предмету, который когда-то казался ему жутко нудным и неправдоподобным. Его книга «Физическая космология» была опубликована осенью 1971-го, за год до присуждения Пиблсу звания полного профессора³. Первое издание стоит у него на видном месте на книжной полке у стола рядом с фигуркой-трансформером Альберта Эйнштейна.

Физическая космология. На протяжении столетий – нет, даже тысячелетий – проблема происхождения и эволюции Вселенной считалась чем-то из области философии. Вселенная, стоящая на спинах слонов или гигантских черепах, божественное сотворение мира когда-то в очень далеком прошлом. Но туман мифических представлений стал наконец рассеиваться, уступая место научному поиску и физическим исследованиям. Космология стала чем-то осязаемым, доступным для детального анализа, понимания и восхищения. От нее можно было даже фанатеть – как от паровозов.

А теперь пронесемся на полстолетия вперед, и вот уже нобелевский лауреат Филлип Джеймс Эдвин Пиблс, высокий, в голубых джинсах и болотного цвета свитере, склонившись над монитором компьютера, снимает очки, чтобы лучше разглядеть мелкий шрифт на экране, просматривая старые научные статьи, чтобы вспомнить исторические подробности. За прошедшие 50 лет столько всего произошло. Так много загадок! Но главное – это постепенное осознание того, что нашей Вселенной, самим нашим существованием управляет таинственная субстанция. Нечто загадочное, что в отсутствие лучшего понимания мы называем темной материей. Выражаясь в духе сериала «Звездный путь», «Это материя, Джим, но не такая, какой мы ее знаем» [4].

Да, первые намеки появились еще в 30-х годах прошлого века. Но только в 1970-х и начале 1980-х годов темная материя действительно вышла на сцену подобно персонажу, который неожиданно для всех появляется в третьем акте и коренным образом меняет сюжет пьесы. «Есть многое в природе, друг Горацио, что и не снилось нашим мудрецам[5].

Подробности подождут (у нас впереди еще много страниц), но множество полученных в ходе исследований данных и результатов можно истолковать, только если считать, что Вселенная заполнена темной материей. Проведенные самим Пиблсом исследования скученного распределения галактик в пространстве еще до создания достаточно точных трехмерных карт уже наводили на некоторые выводы. Из теоретических расчетов, которые он выполнил совместно с принстонским астрономом Джереми Острайкером, получалось, что равновесие дисков галактик возможно, только если они окружены массивными гало из темной материи. Вскоре Вера Рубин и Кент Форд из вашингтонского Института Карнеги впервые убедительно (или не очень?) показали, что внешние области галактик вращаются гораздо быстрее, чем должны бы в отсутствие темной материи.

Наблюдения космического микроволнового фона – реликтового излучения новорожденной Вселенной – становились все более детальными, и оказалось, что его распределение однородное и гладкое, как кожа младенца. Именно под влиянием этого неожиданного результата Пиблс в 1982 году предложил свою модель холодной темной материи. Проблема вот в чем. Либо распределение горячей плазмы в ранней Вселенной чересчур гладкое и однородное, либо современная крупномасштабная структура космоса слишком «клочковатая». Нельзя совместить несовместимое: слабая сила тяготения, действующая в постоянно расширяющейся Вселенной, никогда не смогла бы превратить гладкое и однородное «там и тогда» в клочковатое «здесь и сейчас».

Разве только…

Разве только если темная материя представляет собой нечто очень странное. Новый тип элементарных частиц, восприимчивых к тяготению, но не восприимчивых к другим видам фундаментальных взаимодействий вроде электромагнитного или сильного. Никоим образом не взаимодействующих с пронизывавшим раннюю Вселенную горячим излучением. Из частиц, движущихся достаточно медленно – то есть, как выражаются физики, из элементарных частиц, достаточно «холодных», чтобы начать скучиваться, образуя зачатки будущего невидимого «каркаса» задолго до высвобождения фонового реликтового излучения. Космическая паутина из неведомого материала, который впоследствии привлек к себе обычные, старомодные атомы, из которых образовались наблюдаемые нами сейчас яркие галактики и скопления галактик. В общем, холодная темная материя.

Половину Нобелевской премии по физике 2019 года присудили именно за теоретические открытия в области физической космологии. Конечно же, за те 40 лет, что прошли после выдвижения Пиблсом гипотезы о холодной темной материи, теория стала горячей, просветляющей и невероятно продуктивной, и теперь это неотъемлемая часть так называемой конкордантной космологической модели. (О другой ключевой составляющей этой модели – темной энергии, не менее таинственной, чем темная материя, – речь пойдет в главе 16.) Но Пиблс не такой человек, чтобы этим хвастаться – у него есть все основания проявлять сдержанность.

Во-первых, по его словам, «настоящие» открытия важнее теоретических. Вторую половину Нобелевской премии по физике 2019 года получили астрономы Мишель Майор и Дидье Кело, которые в 1995-м обнаружили первую планету за пределами нашей Солнечной системы, обращающуюся вокруг звезды солнечного типа. Вот это действительно открытие. Или, например, обнаруженный в 2012 году бозон Хиггса, а также зарегистрированные в 2015-м гравитационные волны. В этих случаях ученые подтвердили то, что прежде было лишь гипотезой (пусть даже и хорошо обоснованной). Этого нельзя сказать о теории холодной темной материи.

Во-вторых, Пиблс – во всяком случае, какое-то время – был не настолько увлечен своей теорией, как другие физики. Так, на раннем этапе создания модели холодной темной материи он был не в восторге от энтузиазма, с которым ее встретили космологи. Он не относился к модели очень серьезно – во всяком случае, тогда. «Послушайте, ребята, я просто пытаюсь решить проблему однородности, и это самая простая модель из пришедших мне в голову, которая согласуется с наблюдениями. Почему вы считаете ее правильной? Я мог бы придумать и другие модели». И он придумал-таки. Некоторые из этих моделей вообще не нуждались в темной материи. Другое дело, что прочие модели не выдержали испытание временем. А вот модель с холодной темной материей выстояла.

В-третьих, Пиблс осознаёт ограниченность своей модели. Да, у нас есть эта замечательная теория – конкордантная модель, которая объясняет как свойства фонового реликтового излучения, так и распределение галактик во Вселенной. Но у нее полно слабых мест. Как разъяснил мне Пиблс, темная материя – это такой «костыль». Мы вынуждены мириться с этой дурацкой субстанцией, которую пришлось искусственно внедрить в нашу модель Вселенной. Мы нуждаемся в темной материи, но при этом не знаем, что это такое. Слишком много вопросов без ответов.

Это, конечно, вовсе не значит, что мы совсем ничего не знаем о темной материи. Ее проявления повсюду; мы рассмотрим их, каждое в отдельности, далее в этой книге. А изучение характера воздействия этой таинственной субстанции на окружающие объекты как минимум позволило немного продвинуться в понимании ее свойств.

И все же временами все это кажется фантастичным и неправдоподобным. Само по себе открытие чего-то нового на небе не особенно удивляет, но как могли мы не замечать 85 % всего гравитирующего вещества вокруг нас – а ведь именно это утверждают специалисты по исследованию темной материи? А что, если, как сказал мне Пиблс, это просто искусственная умозрительная конструкция для объяснения результатов наблюдений? Все эти астрофизические проявления можно считать убедительными свидетельствами, но как долго мы еще готовы ждать неопровержимого обнаружения? Насколько надуманно наше решение? Насколько гипотетична наша теория?

А что, если никакой темной материи вообще нет?

Признаюсь, что время от времени меня терзают сомнения. Темная материя, темная энергия, таинственная инфляционная стадия рождения Вселенной и в придачу еще и множественные вселенные – все это кажется слишком уж надуманным, притянутым за уши. Разве может природа быть столь безумной, коварной и жестокой? Или причина просто в недостатке воображения? В моей неспособности признать, что природа не обязана соответствовать моим ожиданиям? Может, я, как Питер Пэн, не хочу взрослеть и продолжаю верить в фею Динь-Динь, в простую понятную Вселенную, про которую мне рассказывали в детстве?

Дело в том, что меня совсем не пугает общая теория относительности Эйнштейна (хотя я ее и не до конца понимаю) или существование нейтрино. Если бы я жил в XIX веке и мне бы рассказали о теории относительности и ее следствиях – черных дырах, гравитационных волнах, искривлении пространства и замедлении времени – то смог ли бы я поверить этому в отсутствие убедительных доказательств? Если бы кто-то сказал мне, что огромное количество незаряженных частиц с почти нулевой массой – то есть нейтрино – ежесекундно проносятся сквозь мое тело со скоростью света, разве я не рассмеялся бы в ответ? Но созданная Эйнштейном в 1915 году теория была подтверждена спустя четыре года, а нейтрино были впервые обнаружены в 1956-м – как раз тогда, когда я родился. И то и другое – это части Вселенной, в которой я вырос. Вселенной, с которой я свыкся. Что же касается столь же парадоксальных новых причуд природы, то, может быть, я просто слишком консервативен.

И все же надо проявлять осторожность. Бывало, что ученые ошибались, и, вообще-то, довольно часто. Дорога к более точному пониманию Вселенной усеяна отвергнутыми теориями, и ученые цеплялись за неверные гипотезы дольше, чем те этого заслуживали. Дело в том, что научное сообщество консервативно. Даже столкнувшись с опровергающими свидетельствами, ученые скорее подправят существующую теорию для согласования ее с противоречащими ей данными, чем отправят ее на свалку. Если, конечно, не появится более успешная теория.

Например, после того, как голландский физик Христиан Гюйгенс в XVII веке опубликовал свою волновую теорию света, ученые долгое время полагали, что «пустое» пространство заполнено так называемым эфиром – средой, в которой, как считалось, распространяются световые волны. Когда выполненные впоследствии опыты дали результаты, противоречащие столь простым первоначальным представлениям, то физики не отвергли саму концепцию, а подправили ее так, чтобы она лучше согласовалась с наблюдениями. В итоге они загнали себя в тупик – получалось, что эфир должен представлять собой бесконечную прозрачную невязкую жидкость с нулевой плотностью, но при этом обладающую невероятной жесткостью. И только в 1905 году, когда благодаря специальной теории относительности Эйнштейна эфир стал ненужным, ученые отказались от него.

Нечто похожее произошло в конце XVIII века, когда химикам пришлось скрепя сердце признать, что нет такой вещи, как флогистон. Считалось, что этот огненный элемент выделяется при воспламенении горючих веществ. Вещество могло гореть, только пока оно было способно выделять флогистон. Прекращение горения при недостатке воздуха объясняли ограниченным количеством флогистона, которое было способно принять заданное количество воздуха. Эта привлекательная идея была выдвинута около 1700 года немецким химиком Георгом Шталем, и у нее было много приверженцев, даже когда в ходе опытов выяснилось, что некоторые металлы – например магний – после горения становились тяжелее, что очень странно, – ведь, согласно теории, при горении часть вещества должна была высвобождаться. Сторонники же теории флогистона просто заключили, что флогистон обладает отрицательной массой! Им пришлось признать свое окончательное поражение в 1783 году, когда французский химик Антуан Лавуазье убедительно показал, что горение – это химический процесс, для которого необходим кислород – элемент, чьи свойства только в то время начали понимать.

Наконец, я не могу удержаться от того, чтобы привести самый известный случай, когда ученые цеплялись за неверную теорию: это птолемеевская система эпициклов. Птолемей построил свою хитроумную геоцентрическую картину мира на основе двух вполне правдоподобных (во всяком случае, с точки зрения древних греков) предположений, а именно – что Земля находится в центре Вселенной и что небесные тела движутся с постоянной скоростью по идеальным окружностям. Согласно этой созданной во II веке нашей эры теории, каждая планета движется по малой окружности (эпициклу), пустой центр которой обращается вокруг Земли по гораздо большей окружности, называемой деферентом.

Для согласования с наблюдаемыми движениями планет на небосводе в птолемеевскую модель пришлось ввести большое количество эпициклов и дополнить ее некоторыми ухищрениями – например, допустить произвольное смещение центра деферента относительно центра Земли. И тем не менее эта сложная и громоздкая модель продержалась четырнадцать столетий, пока наконец Николай Коперник и Иоганн Кеплер не создали современную гелиоцентрическую картину мира, в которой планеты движутся вокруг Солнца с переменной скоростью по эллиптическим орбитам.

Ну вот мы и приехали. Никто и никогда еще непосредственно не наблюдал темную материю, но мы считаем, что она существует. И при этом следует постоянно помнить о наличии в наших аргументах неявных предположений и осознавать, сколько потребовалось всевозможных ухищрений и поправок, единственное назначение которых – удержание на плаву теории. Ну ведь не хочется, чтобы нас снова сбили с пути эпициклы, не так ли?

Эта мысль не дает покоя. То ли вокруг нас немерено темной материи, которая досадным образом прячется от современных сверхчувствительных приборов. То ли все эти ученые усердно гоняются за призраком.

Джим Пиблс не уверен, что мы когда-либо получим окончательный убедительный ответ на вопрос о темной материи или общей теории всего. И, по его словам, даже если мы придем к такому всеобъемлющему описанию природы, нет никакой гарантии, что мы сможем сравнить его с реальной Вселенной. С какой стати природа должна предоставлять нам какие бы то ни было свидетельства? Конечно, в прошлом удавалось найти необходимые для доказательства или опровержения теорий данные, но в будущем все может измениться. Весьма возможно, что мы выйдем на некий предел, когда требуемые свидетельства уже невозможно будет получить. Временами Пиблс приходит в ужас от мысли, что у нас будет полностью внутренне согласованная теория, которую мы будем не в состоянии проверить. Увы, нет никакой гарантии, что мы этого избежим.

Нет, Пиблс не слишком обескуражен тем, что может не дожить до решения проблемы темной материи. Он сказал в своей нобелевской лекции: «Я рад, что могу передать новому поколению много интересных научных загадок, которые сам не смог решить»⁴. За два месяца до этого в интервью главному редактору сайта Нобелевской премии Адаму Смиту Пиблс выразил надежду, что это новое поколение очень удивится, когда узнает, что же собой представляет темная материя. «Моя романтическая мечта состоит в том, что для нас это опять будет большой сюрприз»⁵.

Сотни блестящих молодых ученых в астрономических обсерваториях, лабораториях физики элементарных частиц и институтах космических исследований усердно трудятся, чтобы романтическая мечта Джима Пиблса стала былью. Они не просто готовы удивляться, но и стремятся к этому. И, разумеется, похоже, что темная материя – это всерьез и надолго. А теперь нам надо узнать, что это такое.

2. Подземные призраки

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.