DAMA/LIBRA до сих пор остается единственным проектом, участники которого заявляют о наблюдении сезонной модуляции частоты взаимодействий частиц – напомню, что это возможный признак ожидаемого сезонного изменения скорости «вимпового ветра».
Но у этого предполагаемого потока темной материи есть еще один важный параметр, который ученые очень бы хотели измерить. Как и у любого воздушного потока, у вимпового ветра есть не только скорость, но и направление. Наша Солнечная система обращается вокруг центра Галактики и в данный момент движется в сторону яркой звезды Вега в созвездии Лиры. Поэтому «вимповый ветер» должен дуть преимущественно из этой области неба.
Регистрация столкновения между частицей и атомным ядром не позволяет определить, откуда эта частица прилетела. Если бы физики могли измерять направление прилета для любого зарегистрированного события, то было бы намного легче отличать вимпы от фоновых событий и тем самым убедительно доказать существование темной материи: согласно теоретическим моделям, число частиц темной материи, приходящих со стороны Веги, должно быть в 10 раз больше числа частиц, приходящих с противоположного направления.
Лучший – а на самом деле единственный – способ узнать, откуда прилетел столкнувшийся с атомным ядром вимп, состоит в определении направления отскока этого ядра. К сожалению, большинство ядер до своей остановки успевают сместиться лишь на несколько нанометров. Это меньше одной десятитысячной толщины человеческого волоса – совершенно неразличимая величина. Но если вещество мишени имеет очень низкую плотность – например, это не твердый кристалл или плотная жидкость, а разреженный газ, то потревоженное ядро успеет до своей остановки пройти больший путь. Благодаря этому треки ядер могут достигать длины в несколько микрон, и их уже можно различить с помощью современных детекторов.
Разумеется, вероятность столкновения частицы темной материи с атомным ядром в разреженном газе намного меньше, чем в твердом кристалле, поэтому для того, чтобы вообще что-то обнаружить, нужна установка объемом в четыре плавательных бассейна. Пока что никто смог построить столь громадный детектор (не забудьте, что он должен располагаться глубоко под землей!), но в руднике Булби в Северной Англии уже работает небольшой опытный образец под названием DRIFT (Directional Recoil Identification from Tracks – «Определение направления отдачи по трекам»). В будущем с помощью гораздо более крупного варианта установки можно будет определить, откуда дует «вимповый ветер», – конечно, если частицы темной материи вообще будут обнаружены.
Если вы уже под впечатлением от изобретательности физиков-экспериментаторов, приготовьтесь переварить следующую невероятную идею: охотники за темной материей скооперировались с генетиками, чтобы использовать в качестве детектора направления ДНК человека. Не бойтесь, речь не идет о генетически модифицированных организмах, излучающих зеленое свечение при попадании в них вимпа (но это, пожалуй, тоже неплохая идея), хотя впервые описанные в 2014 году биологические детекторы – вполне себе гениальное изобретение.
Как пишет Фриз в своей книге «Космический коктейль» (The Cosmic Cocktail), все началось с безумного плана ее бывшего сотрудника Дрюкера15. Польскому физику пришла в голову мысль, что в качестве вещества мишени в трековой камере (устройстве для отслеживания трехмерных траекторий энергичных частиц) можно использовать ДНК. Недолго думая, Дрюкер и Фриз начали обсуждать биологические тонкости со всемирно известными генетиками Чарльзом Кантором и Джорджем Черчем, и вскоре стало ясно, что, несмотря на многочисленные проблемы, эта идея вполне может сработать.
Все довольно просто. На листе золотой фольги размещаются тысячи совершенно одинаковых детекторных блоков – своего рода «висящий лес» одинаковых цепочек ДНК. (Представьте себе нечто, напоминающее душевую лейку со множеством отдельных струй.) Прилетевший вимп выбивает ядро атома золота из фольги толщиной всего несколько нанометров. После этого тяжелое ядро до своей остановки проходит несколько микрон сквозь «лес ДНК».
Главное тут то, что ДНК очень уязвима. Сразу же после попадания энергичного ядра золота в длинную молекулу цепочка оказывается рассечена надвое, и нижняя половина падает на фольгу. С помощью обычного в молекулярной биологии метода под названием «полимеразная цепная реакция» (он же используется в ПЦР-тестах на ковид) можно быстро получить миллиарды копий каждого отколовшегося фрагмента ДНК для дальнейшего подробного исследования. А поскольку у каждой цепочки ДНК своя уникальная последовательность оснований, ученые могут точно определить место, где висящая цепочка была разорвана надвое. Эта «вертикальная координата» в сочетании с положением сегмента ДНК на фольге позволяет реконструировать трехмерную траекторию отскочившего ядра атома золота с точностью до нанометра. А отсюда уже получаем направление прилета вимпа.
Это потрясающая идея. Дрюкер, Фриз, Кантор и Черч вместе со Сперджелом, физиком Алехандро Лопесом и биологом Такеши Сано изложили свою задумку в Сети летом 2012 года, описав ее подробнее в статье, опубликованной в 2014-м в журнале International Journal of Modern Physics A16. Правда, до создания реально работающего детектора темной материи на основе ДНК еще очень далеко.
Пока что никому не удалось измерить направление «вимпового ветра». Да к тому же физики еще не пришли к единому мнению о самом факте обнаружения ожидаемой сезонной модуляции скорости «ветра». В этом отношении эксперимент DAMA до сих пор стоит особняком. Ответ завис, ну прямо как поется в песне Боба Дилана.
Кстати о Бобе Дилане – может быть, нам надо постараться достучаться до небес [23]. В конце концов, наша родная планета – не говоря уже о физическом эксперименте в подземной лаборатории – это слишком маленькая поисковая зона, чтобы были шансы обнаружить частицы темной материи. В космосе гораздо больше места и гораздо больше таинственного вещества, чем можно надеяться встретить тут на Земле. А что, если огромное количество частиц темной материи, которые, как мы полагаем, затаились в центре нашей Галактики, выдадут свое присутствие посредством какого-то исключительно редкого взаимодействия? Нельзя ли использовать весь Млечный Путь в качестве исполинского детектора частиц?
И снова пришло время направить наши взоры на небо.
20. Вестники из далекого космоса
3февраля 2020 года 43-летний пользователь Twitter [24] разместил в этой сети селфи с подписью «Я на работе, проверяю [канализацию] на предмет утечек»1. Пост может показаться ничем не примечательным, если не считать того, что человек этот – итальянский астронавт Лука Пармитано. Твит был отправлен с Международной космической станции, а на фотографии Пармитано запечатлен во время его четвертого за 10 недель выхода в открытый космос. «Канализация», о которой идет речь, – это состоящая из трубок система охлаждения эксперимента по поиску частиц антивещества и темной материи стоимостью 2 миллиарда долларов.
Благодаря выполненному Пармитано и астронавтом НАСА Эндрю Морганом ремонту удалось продлить срок службы магнитного альфа-спектрометра (Alpha Magnetic Spectrometer, AMS), установленного снаружи станции в мае 2011 года – к огромной радости нобелевского лауреата Сэмюэла Тинга, который уже 25 лет руководил этим проектом. Во время интервью в Zoom из своего дома на Восточном побережье США Тинг сказал мне, что он уверен в том, что до 2028 года магнитный альфа-спектрометр сможет дать окончательный ответ на вопрос о природе темной материи2.
Описанные в предыдущих двух главах детекторы темной материи размещены в лабораториях, расположенных глубоко под землей, чтобы защитить их от помех, вызванных частицами космических лучей. В космосе космические лучи повсюду, поэтому прибор AMS не может непосредственно обнаружить темную материю так, как это пытаются сделать в ходе экспериментов с кристаллами или ксеноном. Вместо этого расчет делается на поиск частиц антивещества, которые могут порождаться в результате аннигиляции темной материи. Полученные до сих пор результаты оказались, безо всякого преувеличения, удивительными и потрясающими.
Физики знают о существовании антиматерии с 1932 года. У каждого вида элементарных частиц есть соответствующая ему античастица с такой же массой, но с противоположным электрическим зарядом и магнитным моментом. Но частицы темной материи имеют нулевой заряд и, согласно большинству моделей, также и нулевой магнитный момент. Поэтому они могут сами себе быть античастицами и при столкновении взаимно аннигилировать. Как следует из формулы E = mc2, выделяемая при аннигиляции энергия порождает целый каскад пар «обычная частица – античастица», включая протоны (ядра атомов водорода) и антипротоны, а также электроны и позитроны (антиэлектроны).
Физиков не удивишь наличием пар «частица – античастица» в космосе. Например, такие пары порождаются при столкновении выбрасываемых при взрывах сверхновых быстро несущихся атомных ядер с атомами межзвездной среды. Но обнаружение избыточного количества высокоэнергичных антипротонов и позитронов может свидетельствовать о присутствии аннигилирующей темной материи. Именно из-за этой возможности физики занимаются активными поисками антиматерии в космических лучах – непрерывном потоке всевозможных энергичных частиц, который обрушивается на нас из космоса. Но такой поиск невозможно проводить на земле. При попадании в земную атмосферу космические лучи порождают ливни вторичных частиц, и наземные детекторы не годятся для выяснения природы первичных частиц. Если хотите поохотиться на космическую антиматерию, то придется обзавестись магнитом и отправиться в космос.
И тут на сцену выходит специалист по физике элементарных частиц Сэмюэл Чжаочжун Тинг. Он родился в США, а детство провел в Китае и на Тайване. Тинг вернулся в США в 1956 году, когда ему было 20 лет, и с 1969-го работает в Массачусетском технологическом институте. В 1976 году он вместе с Бертоном Рихтером из Стэнфордского центра линейного ускорителя получил Нобелевскую премию за независимое открытие удивительно долгоживущего J/ψ-мезона – первой элементарной частицы, содержащей очарованный кварк и очарованный антикварк. Тинга очень расстроило решение Конгресса в 1993 году прекратить финансирование проекта создания сверхпроводящего суперколлайдера – исполинского ускорителя, который стал бы залогом будущего изучения элементарных частиц в США, – Тинг решил сменить область исследований и переключился на космос и поиски антиматерии.