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.