мужском сообществе. Но работа на Руббиа изматывала. После того, как ему (вместе с Симоном ван дер Мером) в 1984 году была присуждена Нобелевская премия за открытие W– и Z-бозонов, иметь дело с ним стало еще труднее. Он мог прилететь из Европы – коллеги иногда шутили, что он полжизни проводит в бизнес-классе – ткнуть их носом в ошибки и провалы, огорчить их и улететь обратно в Женеву. В конце 1985 года Гибони это окончательно надоело. Он сказал Руббиа: «Я ухожу», – и принял предложенную ему научную должность в нью-йоркской компании. Априле ушла из Гарварда в январе 1986 года на физический факультет Колумбийского университета.
Именно в Колумбийском университете у нее зародился интерес к жидким благородным газам. Сначала она делала детекторы нейтрино на основе аргона. Затем настал черед запускаемого на воздушном шаре гамма-телескопа с детектором на основе жидкого ксенона. А в 2001 году, когда она приступила к поиску проектов с перспективой большего финансирования, Априле заинтересовалась британским экспериментом, в котором жидкий ксенон использовался для поиска темной материи.
Британский эксперимент ZEPLIN (Zoned Proportional scintillation in Liquid Noble gases – «Зональная пропорциональная сцинтилляция в жидких благородных газах» – еще один пример неудобоваримого сокращения) был разработан группой «Британская коллаборация темной материи» (UK Dark Matter Collaboration). Ученые пристально следили за состоянием небольшого контейнера с одним литром жидкого ксенона (около трех килограммов), размещенного в калийном руднике Булби в северо-восточной Англии на глубине 1100 метров, обеспечивающей защиту от беспрестанно бомбардирующих земную поверхность космических лучей. Целью эксперимента была регистрация чрезвычайно редких взаимодействий между атомными ядрами и вимпами – слабовзаимодействующими массивными частицами (см. главу 10), из которых, как считалось, состоит странная невидимая субстанция, на которую приходится большая часть массы Вселенной. Шло изготовление новой, более крупной и чувствительной версии детектора, и физики из Имперского колледжа уже планировали создание версии ZEPLIN-III. Так что было с кем соревноваться и кого побеждать.
На большой физической конференции в Аспене (штат Колорадо) летом 2001 года Априле познакомилась с проблематикой темной материи, о которой до того почти ничего не знала. В том же самом году она написала заявку на финансирование в Национальный научный фонд США для разработки собственного детектора.
Финансирование было получено, и теперь Априле стала руководителем собственного эксперимента по разработке детектора темной материи – программы XENON. От этого, правда, пострадала ее семейная жизнь. В 1996 году закончился десятилетний роман Гибони с частным бизнесом, и он перешел в Колумбийский университет, где стал работать у своей жены старшим научным сотрудником. В 2001 году Априле уже была профессором Колумбийского университета, а Гибони все еще был ее сотрудником. Их совместная работа оказалась очень плодотворной для проекта XENON, но разрушительной для брака. Опять проблема гендера и власти.
«Я поняла, что невозможно получить что-то, не потеряв в чем-то другом», – говорит Априле, глядя в большое окно скай-лаунджа. По ту сторону Ист-Ривер самые высокие небоскребы начали исчезать из виду, окутанные серыми облаками. «Я добилась успеха в работе, но не в личной жизни, и потеряла при этом мужа».
Членами группы XENON кроме Априле и Гибони также были физик Ричард Гейтскелл из Брауновского университета и его коллега Томас Шатт из Принстона. Гейтскелл и Шатт вместе участвовали в программе «Криогенный поиск темной материи» (Cryogenic Dark Matter Search, CDMS) – эксперименте с использованием полупроводниковых детекторов (о них расскажем позже). Но Гейтскелла и Шатта вдохновили перспективы использования жидкого ксенона.
Елена Априле в лаборатории атомной ловушки (Atom Trap Laboratory) Колумбийского университета тестирует технологию улавливания атомов криптона – нежелательной примеси в жидком ксеноне, используемом в качестве рабочей среды в детекторах темной материи
После создания трехкилограммового детектора-прототипа под названием XENON3 дальнейший план состоял в создании самой чувствительной в мире установки по поиску темной материи на основе жидкого ксенона и опережении британских соперников. Разумеется, так же как и ZEPLIN, новый детектор должен быть защищен от космических лучей, и поэтому Априле, Гибони, Гейтскелл и Шатт занялись поисками подходящей подземной физической лаборатории – другими словами, достаточно глубокой шахты.
Одним из возможных вариантов был старый никелевый рудник Крейгтон поблизости от города Садбери в канадской провинции Онтарио. Этот рудник, где уже располагалась нейтринная обсерватория SNOLAB, находится на глубине более двух километров и расположен сравнительно близко к Восточному побережью США, где как раз работали члены группы Априле3. А криогенный эксперимент, в котором участвовали Гейтскелл с Шаттом, базировался в железном руднике Судан в штате Миннесота – это, конечно, подальше, но зато знакомое место. Еще одним вариантом был золотой рудник в Лиде (штат Северная Дакота) – там с конца 1960-х годов располагалась нейтринная установка. А еще было глубокое хранилище радиоактивных отходов Waste Isolation Pilot Plant в штате Нью-Мексико. А может, отправиться в Европу? Даже соперники группы ZEPLIN имели право устроить свой эксперимент в том же руднике Булби на границе вересковых болот Норт-Йорк-Мурс. Наконец, на родине Априле в Италии Шатт участвовал в нейтринном эксперименте Борексино в туннеле Гран-Сассо – месте, хорошо знакомом Априле и Гибони по их участию в нейтринном эксперименте ICARUS – еще одном проекте, организованном по инициативе Карло Руббиа4.
В конце концов они остановили свой выбор на лаборатории Гран-Сассо по ряду причин практического характера – и, конечно же, не обошлось без шуток по поводу культуры, еды и климата. Благодаря выделенному Априле финансированию от Национального научного фонда США и средствам, полученным Гейтскеллом от министерства энергетики США, удалось в короткие сроки создать XENON10 – это название так и закрепилось за установкой, хотя на определенном этапе в эксперименте использовалось 15 килограммов жидкого ксенона, заключенных в цилиндрический сосуд размером чуть больше четырехлитровой банки для краски. Детектор был изготовлен в лаборатории Невиса в Колумбийском университете, доставлен в Италию и установлен в марте 2006 года. К этому времени научная группа разрослась до 30 человек. В том же году начался сбор данных.
Установку XENON10изготовляли и запускали в большой спешке. Группа работала по 18 часов в сутки и без лишнего шума, чтобы физическое сообщество ничего не заподозрило. Так что первые результаты, объявленные в 2007 году и опубликованные в январе 2008-го в журнале Physical Review Letters, застали всех врасплох5. Нет, эксперимент XENON10 не обнаружил вимпы и вообще ничего неожиданного. Но почти в одночасье XENON10 стала самой чувствительной из когда-либо созданных установок по поиску темной материи, намного опередив всех конкурентов. В результате с ее помощью удалось получить новые важные оценки верхнего предела эффективности взаимодействия вимпов и тем самым наложить ограничения на теоретические модели, которые до тех пор никогда не подвергались экспериментальной проверке.
Чтобы лучше представить себе ожидаемую эффективность взаимодействия вимпов, вспомним, что Солнце и Земля, обращаясь вокруг центра Галактики с периодом 250 миллионов лет, движутся сквозь более или менее неподвижное гало из частиц темной материи со скоростью около 220 км/с, или почти 800 000 км/ч. Если темная материя состоит из вимпов, а каждый вимп примерно в 100 раз массивнее протона, то в среднем в объеме размером с кубик Рубика должна находиться одна частица темной материи. Но, учитывая скорость Земли относительно гало, каждую секунду через ваше тело должен проходить почти один миллиард вимпов.
Вимпы не восприимчивы к электромагнитным силам и поэтому не взаимодействуют с электронами. Но при этом они восприимчивы к слабому взаимодействию и должны при эпизодических столкновениях с атомными ядрами взаимодействовать с составляющими их кварками. Для регистрации этих взаимодействий надо тщательно следить за большим количеством ядер, исключить все возможные помехи и терпеливо ждать. Идеальной средой для обнаружения таких столкновений оказался жидкий ксенон (при температуре –95 °C) – благодаря отсутствию у него естественной радиоактивности, которая бы полностью испортила данные наблюдений.
Детектор работает следующим образом. Столкновение вимпа с ядром ксенона приводит к «встряске» атома, и в результате расположенные в небольшой области атомы ксенона теряют часть своих электронов (это процесс называется ионизацией) и на короткое время переходят в возбужденное молекулообразное состояние. Возвращение атомов в нормальное состояние сопровождается слабой ультрафиолетовой вспышкой на длине волны 178 нанометров длительностью не более 20 наносекунд – так называемый сцинтилляционный сигнал. Этот невероятно слабый сигнал можно зарегистрировать с помощью фотоэлектронных умножителей, установленных сверху и снизу от цилиндрического резервуара с ксеноном, – эти фотоумножители настолько чувствительны, что способны обнаруживать одиночные фотоны.
Главная проблема в том, что похожее возбуждение и похожие сцинтилляционные сигналы на той же длине волны возникают в результате гораздо более обычных (и более частых) взаимодействий. Конечно же, как мы уже знаем из главы 2, экспериментаторы делают все возможное, чтобы защитить детектор от космических лучей и обеспечить чистоту ксенона. Но ничто не идеально, и невозможно избавиться от всех нежелательных помех.
Жидкий ксенон в определенной мере сам дает защиту от нежелательных сигналов-помех, и поэтому наибольший интерес для охотников за вимпами представляет регистрация сцинтилляции из центральной части резервуара – вероятность помех там меньше, чем на внешней границе. Но сама по себе регистрация краткой ультрафиолетовой вспышки не несет ценной информации. Поэтому Априле вместе со своей группой разработала конструкцию двухфазного детектора, первым воплощением которой стала установка