12. А в это время, как мы знаем из главы 2, группа Априле в Гран-Сассо прекратила работать на установке XENON1T и завершила создание детектора XENONnT, который по чувствительности сравним с LUX-ZEPLIN, несмотря на несколько меньшую массу вещества мишени – 8,6 тонны.
Битва еще не закончена и, скорее всего, будет продолжаться еще многие годы. И тем не менее Гейтскелл говорит: «Я уверен, что темная материя когда-нибудь и как-нибудь будет обнаружена. Иначе я бы не стал этим заниматься. Я хочу получить ответ на этот вопрос. Задача не из легких, – добавляет он, устраивая свою сломанную ногу поудобнее на табуретке. – Времени может потребоваться больше, чем я рассчитываю. Никто не может поручиться, что эта проблема будет решена за время жизни одного поколения».
В Нью-Йорке Елена Априле не перестает мечтать о темной материи и об открытии, которое будет достойно Нобелевской премии, – во всяком случае, так она говорила мне во время нашей встречи, когда показывала собственную черно-белую фотографию, на которой была запечатлена в 23-летнем возрасте, полная грандиозных планов. Обнаружить сигнал – это было бы невероятно круто. Когда я слушаю ее рассказ и гляжу на ее волевое лицо, у меня нет никаких сомнений в будущем успехе. Вся жизнь этой женщины вертится вокруг желания осуществить мечту – обнаружить темную материю. И это может произойти в любой момент.
Когда я возвращался через Ист-Ривер обратно в Манхэттен, наконец пошел снег. Тротуары стали скользкими, а большинство высоток исчезли из виду. Я шел сквозь снегопад, оставляя следы на свежем белом ковре, и пытался представить себе – без особого успеха – миллиард невидимых вимпов, ежесекундно проносящихся сквозь мое тело, и так день за днем, год за годом. И сквозь Бруклинский мост, и сквозь Башню Свободы. Сквозь нашу планету, сквозь самые чувствительные в мире детекторы, расположенные в подземных лабораториях.
Таинственная субстанция, управляющая крупномасштабным поведением нашей Вселенной, повсюду вокруг нас, но мы до сих пор не сумели ее обнаружить. И дело тут не в недостатке решимости, усилий или настойчивости. А вдруг физики просто гоняются за химерами? Или, может быть, чудище действительно вот тут, а ученые ищут не то, что надо, с помощью не пригодных для этого средств?
Настало время рассказать подробнее о некоторых других инструментах, имеющихся в распоряжении физиков-экспериментаторов. А как обстоят дела с другим экспериментом в Гран-Сассо, авторы которого утверждают, что обнаружили свидетельства наличия темной материи?
19. Поймать ветер
Рита Бернабеи не хочет говорить со мной по телефону. Это примечательно, когда речь идет о человеке, утверждающем, что им обнаружена темная материя.
Насколько я знаю, тут нет ничего личного. Просто она никогда не дает устные интервью журналистам. «Это наша общая политика – отвечать письменно на письменно заданные вопросы, – сообщила она мне по электронной почте. – Мы считаем, что такой подход служит гарантией информационной открытости как для журналистов, так и для коллаборации»1.
Я в этом не уверен.
Когда Ауке-Питер Колейн показывал мне Национальную лабораторию Гран-Сассо, мы проходили в том числе и мимо помещений, где под руководством Бернабеи проводился эксперимент по поиску темной материи с простым названием DAMA. Дверь была заперта, и никого поблизости не было. «Это очень замкнутое сообщество, – сказал мне Колейн. – Я лично не знаком ни с кем из участвующих в эксперименте физиков».
Группа Бернабеи уже более 20 лет занимается изучением взаимодействия элементарных частиц в сверхчистых кристаллах йодида натрия. И вот уже более 20 лет участники группы заявляют об изменении частоты обнаруживаемых событий в течение года – в начале июня их наблюдается примерно на 5 % больше среднего, а в начале декабря – на 5 % меньше. И так раз за разом, из года в год.
Исходя из интуитивных соображений можно сказать, что такого рода годичная модуляция не должна возникать в случае любого из известных фоновых источников, будь это космические лучи, порожденные мюонами нейтроны или бета– или гамма-лучи как результат естественной радиоактивности. Частота проявления этих частиц не меняется со временем. А вот в случае частиц темной материи вроде вимпов как раз естественно ожидать такого рода сезонные изменения. Как вы уже знаете из предыдущей главы, Солнечная система движется в нашей Галактике сквозь гало темной материи со скоростью около 220 км/с. При этом наша родная планета еще и обращается вокруг Солнца с периодом в один год со значительно меньшей скоростью, чуть меньше 30 км/с, и как раз в июне эти две скорости более или менее складываются, результатом чего является бо́льшая скорость обдувающего землян «ветра» из темной материи. Как следствие, частота актов взаимодействия темной материи в земном детекторе должна быть в это время немного больше средней. В начале декабря Земля движется в противоположном направлении, и частота актов взаимодействия должна быть меньше.
Если коротко, то группа DAMA утверждает, что наблюдает эту сезонную вариацию в получаемых ими данных, но никто больше не считает их результат убедительным доказательством обнаружения темной материи – в первую очередь из-за отсутствия независимого подтверждения заявленной вариации в других экспериментах. Да и скрытность не добавляет им доверия.
Попытки прямого обнаружения частиц темной материи начали предприниматься только в середине 1980-х годов, после того как постдок Гарвардского университета Кэтрин Фриз встретила на конференции в Иерусалиме польского физика Анджея Дрюкера, который занимался методами регистрации солнечных нейтрино. Физикам пришла в голову мысль, что похожим образом можно обнаружить вимпы – самых популярных кандидатов на роль темной материи2.
Вимпы в галактическом гало время от времени вступают в слабое взаимодействие с атомными ядрами, и на основе нескольких предположений о свойствах вимпов нетрудно рассчитать ожидаемую частоту событий для разных потенциальных частиц холодной темной материи. Совместно с Дэвидом Сперджелом – в то время студентом магистратуры в Гарвардском университете – Дрюкер и Фриз выполнили соответствующие вычисления для фотино и нейтралино (частиц, предсказанных описанной в главе 10 теорией суперсимметрии), а также для гипотетических частиц с прикольными названиями вроде технибарионов, космионов, фамилонов и зеркальной материи.
Трио физиков-теоретиков написали в статье, опубликованной в июньском номере журнала Physical Review D в 1986 году: «Если недостающая масса в нашей Галактике состоит из массивных частиц, вступающих в [слабое взаимодействие], то эти частицы можно обнаружить с помощью перегретых сверхпроводящих коллоидных детекторов (superheated superconducting colloid detectors, SSCD)»3. Это было уверенное предсказание с четкими целями, и экспериментаторы приняли вызов.
Например, в Калифорнии Бернар Садуле, Дэвид Колдуэлл и Блас Кабрера приступили к реализации проекта CDMS, используя на начальном этапе в качестве материала мишени кристаллы германия4. Первые результаты были опубликованы в 1988 году. Группе не удалось обнаружить темную материю, но этот нулевой результат исключил некоторых наиболее экзотических кандидатов и позволил получить важные оценки верхних пределов для характеристик взаимодействий вимпов.
Проект CDMS фактически стартовал в 1990-х годах после того, как Садуле основал Центр астрофизики элементарных частиц в Беркли – именно там в 1995-м стал работать Ричард Гейтскелл. Группа методично строила все более крупные детекторы на основе кристаллов германия и кремния и в конце концов в 2003 году разместила установку CDMS II в заброшенном железном руднике Судан в штате Миннесота.
К этому времени в гонку за темной материей вступили многие другие группы, использовавшие аналогичные технологии. Здесь стоит упомянуть эксперимент EDELWEISS на основе кристаллов германия – этот детектор был на рубеже веков установлен в подземной лаборатории Модан в автомобильном тоннеле Фрежюс, проходящим под франко-итальянской границей5. А как мы уже знаем из предыдущей главы, для такого рода экспериментов использовались не только криогенные кристаллы, но также и жидкие благородные газы.
После статьи Дрюкера, Фриз и Сперджела в Physics Review D все кому не лень бросились создавать программы по поиску темной материи, и во второй половине 1990-х годов возникло ощущение, что загадка будет решена за пару лет.
В своей обстоятельной статье 1986 года авторы предсказали не просто ожидаемую частоту взаимодействий вимпов, но также и то, что сила «ветра темной материи» должна меняться в зависимости от времени года. «Движение Земли вокруг Солнца должно вызывать четко выраженную модуляцию сигнала зарегистрированных кандидатов частиц гало. Эта модуляция будет заметна для любого детектора темной материи с разумным разрешением по энергии… такого рода модуляция сигнала станет дополнительным подтверждением [реальности] обнаружения».
И вот тут как раз стоит вспомнить эксперимент DAMA Риты Бернабеи6.
Руководитель проекта «Криогенный поиск темной материи» (Cryogenic Dark Matter Search) Дэн Бауэр извлекает детекторы на основе кристаллов германия и кремния из установки CDMS II в железном руднике Судан в штате Миннесота
Бернабеи родилась в 1949 году и с 1986-го работала в Римском университете Тор Вергата. Она основала проект DAMA вместе со своим младшим коллегой Пьерлуиджи Белли в начале 1990-х годов, сразу же после запуска проекта CDMS. Но в отличие от детекторов CDMS, в которых использовался германий и кремний, в составе итальянской установки было девять 10-килограммовых сцинтилляционных детекторов с материалом мишени в виде йодида кремния с примесью сверхчистого таллия, известного как NaI(Tl). Установка DAMA/NaI