Представь себе самую глухую, самую тихую лабораторию на планете. Тысячи метров горной породы над головой, которые должны отсекать всё, от космических лучей до шума цивилизации. А внутри — резервуар с жидким ксеноном, чистым до состояния, которое нам, простым смертным, и не снилось. Сюда, под массив Апеннин, под горы Цзиньпин в Сычуани и на дно шахты в Южной Дакоте, пришла Беда. Или, если хочешь — Охота.
Изолированные глубоко под этими каменными щитами, массивные детекторы, заполненные жидким ксеноном, нацелены совершить первое прямое обнаружение темной материи — той неуловимой невидимки, чья гравитация вылепила нашу Вселенную.
Идея проста: когда-нибудь кусочек темной материи, называемый WIMP (Weakly Interacting Massive Particle — слабо взаимодействующая массивная частица), врежется в атом ксенона. Бабах — и вспышка света с электрическим зарядом. Звучит как план. Но работают эти установки годами, а вместо громкого «Эврика!» слышны лишь редкие, неуверенные чирки.
Проблема в том, что новый сигнал не от темной материи. Детекторы ловят нечто столь же эфемерное, но куда более приземленное — нейтрино. Те самые пушинки субатомного мира, которые Солнце и прочие звезды штампуют в промышленных масштабах.
Физики десятилетиями знали о существовании этого нейтринного фона. Просто надеялись, что откроют WIMP-ы раньше. Но шанс тает на глазах. Современные детекторы WIMP стали настолько огромными и чувствительными, что вползли в так называемый «нейтринный туман». В этой пелене обычные частицы просто заглушат любой сигнал от главной цели. И никакая защита не спасет — нейтрино проходят сквозь Землю, как призраки сквозь стены. Это значит, что следующий эксперимент, использующий старую добрую методику поиска WIMP-ов, может стать последним.
Но «нейтринный туман» не означает конец охоты. Просто фокус нужно сместить. «Мы не нашли WIMP-ы», — пожимает плечами Кэтрин Зурек, физик-теоретик из Калифорнийского технологического института. Не нашли ученые и новых частиц в Большом адронном коллайдере (БАК). «Поэтому люди естественным образом расширяют кругозор», — говорит Зурек. И за этим горизонтом уже ждут десятки других кандидатов.
Охота превращается из узконаправленной разведки в настоящую вольницу. Это тектонический сдвиг. Сегодня физики уверены в природе темной материи гораздо меньше, чем когда только начинали поиски. Они открыто признают, что не знают элементарного: тяжелее ли темная материя Земли или легче радиоволны, состоит ли она из одного типа частиц или из дюжины.
Неопределенность бесит. Унижает. «Потенциальный диапазон, где могут находиться кандидаты, настолько чудовищен, что шансы любого отдельного маленького эксперимента найти что-то практически равны нулю», — констатирует Хью Липпинкотт, экспериментатор по темной материи из Калифорнийского университета в Санта-Барбаре.
Но именно провал там, где искали, породил целый рог изобилия новых идей. Квантовые сенсоры. Детекторы на жидком гелии. Поиски в атмосфере Юпитера. «Сейчас царит огромное возбуждение. И, наконец, появились технологии», — говорит Грэй Рыбка, физик из Вашингтонского университета, который руководит экспериментом по поиску аксионов — ультралегких кандидатов в темную материю.
Но при таком разбросе направлений, с чего физикам начинать заново?
Астрономическое невежество
Для начала — с рождения Вселенной. Темная материя была с нами с самого начала, и есть чему поучиться у тех древних эпох. Карты реликтового излучения — первого света молодой Вселенной — испещрены флуктуациями, вызванными неоднородностью лежащей в основе материи. Читая эти космические осадки, исследователи выяснили, что лишь 17% материи во Вселенной состоит из обычных частиц вроде протонов и нейтронов. Остальные 83% — темная материя, которая почти никак не взаимодействует со светом и обычной материей, кроме как через гравитацию.
По гравитационным эффектам мы можем сказать о ней многое. Млечный Путь окружен гало из этой субстанции. Наша Солнечная система вращается вокруг центра галактики слишком быстро, чтобы ее удерживала только гравитация обычной материи — без гравитационного якоря темной материи нас бы просто вышвырнуло в межгалактическое пространство. Мы видим, как масса темной материи в галактике искривляет путь света, идущего к телескопам на Земле. А в самых грандиозных масштабах — как сверхскопления галактик распределены в пространстве, словно капли росы на паутине. Ни одна космологическая теория без темной материи не объяснит все эти явления.
Но все астрономические и космологические свидетельства почти ничего не говорят о том, из чего темная материя сделана на самом деле. «Они не говорят ничего об отдельных составляющих. Они показывают лишь эффект от их совокупности», — объясняет Липпинкотт, который руководил экспериментом LZ — детектором WIMP, работающим сейчас на бывшем руднике Хоумстейк в Южной Дакоте.
Идея WIMP-ов возникла в 1980-х. Теоретики тогда исследовали расширения Стандартной модели — основной теории физики частиц. Модель мощная, но в ней, скажем так, не хватает гравитации. Самая популярная идея — теория суперсимметрии (SUSY) — предлагала для каждого известного типа частиц невиданного «суперпартнера». Чтобы избежать обнаружения, эти суперпартнеры должны были быть массивными и слабо взаимодействовать с материей. То есть быть WIMP-ами. Физики быстро смекнули: два зайца — один выстрел.
Очарование SUSY было настолько сильным, что многие ожидали увидеть WIMP-ы сразу после запуска БАК в 2008 году. Но данные коллайдера эти теории почти полностью исключили.
WIMP-ы, однако, выжили, уже не привязанные к породившей их теории. И новое поколение детекторов продолжает охоту. В конце концов, «мотивация искать темную материю ничуть не ослабла», — говорит Липпинкотт.
Теперь похоже, что эти WIMP-ы — если они вообще существуют — находятся за пределами наших нынешних возможностей. Широкий спектр трудностей, но главная — даже в стоге сена поиск иголки затрудняют несколько других иголок. Взаимодействие нейтрино с ксеноном внутри детекторов, хоть и невероятно редкое, делает именно это.
Будущий, финальный WIMP-эксперимент должен был исследовать оставшиеся уголки, где могут прятаться WIMP-ы, заглянув в сам нейтринный туман. Проект XLZD (неуклюжий акроним) планировал использовать от 60 до 80 метрических тонн жидкого ксенона — это примерно годовая мировая добыча этого редкого элемента. Но проект, возможно, уже похоронен по причинам, не связанным с нейтринным туманом: в декабре 2025 года Министерство энергетики США объявило, что страна не будет ни принимать XLZD, ни платить свою долю в более чем $300 миллионов. «Вполне вероятно, что проект вообще не состоится», — констатирует Липпинкотт.
Тем временем охотничьи угодья для темной материи расширяются драматически. В 2022 году исследователи разработали огромный график, показывающий различные кандидаты в темную материю и их возможные массы. Варианты делятся в основном на два диапазона, которые охватывают около 50 порядков величины. На тяжелом конце — первичные черные дыры, гипотетические объекты размером с астероид, сформировавшиеся вскоре после Большого взрыва. Но многих физиков больше всего интересует самый легкий вариант — аксион.
Слушай внимательно
Как и WIMP, аксион сначала возник как решение проблем Стандартной модели. В его случае — чтобы ответить на вопрос о сильном ядерном взаимодействии. Аксионы были предложены в 1970-х как математический трюк. Добавив частицу с массой от триллионной до миллионной массы электрона, можно было объяснить, почему сильное взаимодействие ведет себя одинаково с материей и антиматерией.
Аксионы многочисленны и редко взаимодействуют с обычной материей — два необходимых свойства для темной материи. Но детектировать их — не прогулка по космическому парку. Эти нежные частицы несут лишь намек на энергию — примерно как радиоволна. Обычные детекторы их просто не заметят.
Физики разработали стратегии, которые, они надеются, принесут плоды. Одна из самых многообещающих — использовать сверххолодную камеру, пронизанную сильным магнитным полем, как радио, настроенное на определенные длины волн. Если аксион случайно окажется в резонансе, он превратится в частицу света, которую гораздо легче поймать. Первый полноразмерный детектор — «галоскоп» — построили в 1994 году. Сегодня по всему миру есть целая группа детекторов с причудливыми акронимами вроде MADMAX и ABRACADABRA.
Возиться с космическим радио, чтобы слушать редкую невидимую частицу, непросто. Нужны квантовые сенсоры, охлажденные до долей градуса выше абсолютного нуля. И даже это не убирает шумы. «Однажды мы поймали "послание от Бога"», — иронично рассказывает Рыбка. «Мы сверились с распределением частот FCC. Это была радиостанция религиозных программ».
Пока физики прочесали от 10% до 20% того пространства параметров, где может существовать аксион, решающий проблему CP. Но поиск может не ограничиться этим. Ученые ищут и аксионы, которые не решают проблему CP, но все равно могут быть темной материей. «Все больше людей думают о моделях специально для темной материи, даже не связывая это с другими проблемами», — говорит Стефания Гори, теоретик из Калифорнийского университета в Санта-Крус. «Конечно, — добавляет она, — если можно решить сразу несколько проблем, это еще лучше».
Тихая революция
Пока темная материя продолжает ускользать, физики отказались от некоторых теоретических пожеланий. Современным кандидатам не нужно удобство WIMP-ов или чистота аксионов. Им нужно лишь соответствовать требованиям к темной материи.
Лицо этих непритязательных кандидатов — низкомассовая темная материя. Где-то между электроном и протоном по весу. Если WIMP — это бильярдный шар, то низкомассовая темная материя — шарик для пинг-понга, объясняет Рувен Эссиг, теоретик из Университета Стоуни-Брук. От удара по атомным ядрам четкого сигнала не будет. «Нужно было придумать совершенно новые идеи, как детектировать сигналы, и, конечно, новые технологии».
Исследователи создали новые детекторы и установили их в подземных лабораториях по всему миру — часто прямо рядом с их предками, ищущими WIMP. Некоторые ищут столкновения с электронами. Другие всматриваются в кристаллы, решетки которых должны слегка вибрировать после удара. Есть прототипы, ищущие следы в жидком гелии — чувствительной сверхтекучей жидкости.
Но есть и загвоздка — шум. Все эксперименты по детектированию темной материи страдают от внешнего шума, но поиск низкомассовой темной материи страдает и от внутреннего шума детекторов. Атомные решетки в кристаллах — как переполненный вагон метро, они постоянно трясутся. Не то тихое место, которое нужно для ловли темной материи.
Этот шум создал проблемы. В 2020 году по детекторам прокатилась волна загадочных «избыточных событий». Может, это сигнал? Увы, источник шума опознали — ответ твердое «нет».
Фоновый шум может появиться откуда угодно: примеси в кремниевых детекторах, материалы, слишком долго пробывшие на поверхности Земли. В одном эксперименте кристаллический детектор зажали слишком сильно — вибрации выглядели как сигнал темной материи. «Понимание этих фонов всегда было трудным, — признает Дэн Маккинзи, экспериментатор из Национальной лаборатории Лоуренса в Беркли. — Но мы так быстро сменили режим, что теперь сообщество не понимает, какие ключевые фоны важны».
Разобраться с этим шумом — ключевая задача, особенно когда эксперименты становятся больше. Через несколько лет Маккинзи и его коллеги планируют установить несколько настольных экспериментов во французском Модане, под 1700 метрами скал на границе с Италией. Один из них — сосуд с примерно столовой ложкой сверххолодного жидкого гелия. Если частица низкомассовой темной материи ударит по жидкости, возникнет вибрация, которая выбросит вверх тысячи атомов гелия, где кремниевые детекторы будут искать микроскопические изменения напряжения. Другие установки будут работать с кристаллами сапфир-кремнезема и арсенидом галлия.
Эти эксперименты помогут понять, какие подходы лучше масштабировать. «Идей все еще много, и не совсем ясно, какая из них станет лучшей», — говорит Эссиг. Пока что, если идея помещается на столе и хоть как-то может детектировать темную материю, физики готовы ее попробовать.
Высшая гравитация
Охотничьи угодья простираются дальше любого стола и даже дальше Земли. Некоторые предлагают искать темную материю не в подземных лабораториях, а на планетах, звездах и лунах. Если частицы темной материи иногда аннигилируют друг с другом, они могут ионизировать водород в атмосфере планеты, создавая ультрафиолетовое полярное сияние, видимое из космоса. Эта аннигиляция может быть мощным источником тепла — достаточным, чтобы расплавить ядро планеты. Тот факт, что ядро Земли твердое, накладывает ограничения на характеристики темной материи.
Поиск астрофизических признаков темной материи — не новость. Но в последние годы физики стали почти артистичны в своих предложениях. Одно особенно яркое: посмотреть на ледяной океан спутника Юпитера Ганимеда. Если темная материя действительно очень тяжелая — возможно, первичная черная дыра — она могла пробить поверхность и оставить кратер, который выглядит совсем не так, как от астероида.
Некоторые физики считают, что лучше отбросить все старые допущения и перефокусироваться. «Все, что мы знаем о темной материи, получено из ее взаимодействия с гравитацией», — напоминает Зурек. Если сконцентрироваться именно на этом, «ты гарантированно узнаешь что-то новое». Мы знаем, как темная материя ведет себя в масштабах наблюдаемой Вселенной вплоть до галактик. «А ниже этого уровня мы знаем очень мало», — говорит Зурек.
В последние годы физики стали почти артистичны в своих предложениях. Одно особенно яркое: посмотреть на ледяной океан спутника Юпитера Ганимеда.
Это не проект на «следующий год» или «пять лет». Технологии просто недостаточно чувствительны. Зурек мыслит в долгую. Очень долгую. «Это займет десятилетия, вероятно, 100 лет, — признает она. — Я могу и не увидеть этого при жизни».
Когда-нибудь — возможно, наблюдая за таймингом далеких пульсаров или измеряя легкие возмущения гравитационного взаимодействия между атомами, подвешенными в лазерах — физики смогут узнать больше о природе темной материи.
Масштаб проблемы пугает. До запуска БАК охотники за бозоном Хиггса загнали добычу в угол. Знали, что если бозон существует, его масса — между 120 и 150 протонными массами. И Хиггс нашелся сразу — 133 массы протона.
Темная материя остается почти абсолютной загадкой. Рыбка сравнивает угадывание ее массы с «вытягиванием чисел из шляпы». «Мы буквально не знаем, как выглядит эта шляпа», — добавляет он.
С таким количеством неизвестных успех не гарантирован. Исследователи не питают иллюзий. «Нет гарантии открытия. Можно просто потратить время впустую», — признает Эссиг.
Но это никого не останавливает. «Такова природа проблемы. Мы должны искать повсюду и исследовать множество вещей, — пожимает плечами Эссиг. — Если тебе это не нравится, займись чем-нибудь другим».