Подтверждение существования этой неуловимой субстанции может переписать правила устройства мира, которые мы знаем.
Путь к подземной лаборатории
За мостом, протянувшимся через реку Ялун в горах Цзиньпин провинции Сычуань, каждый день десятки выдающихся физиков из разных стран отправляются вглубь тоннеля протяжённостью десять миль. В конце пути, примерно на глубине 2400 метров, их встречает слабое свечение огромного белого здания с кафельными стенами и голубым логотипом. Это и есть Китайская подземная лаборатория Цзиньпин.
Что такое тёмная материя
Здесь перестают иметь значение день и ночь. Единственные признаки жизни — сами учёные, которые с жаром ищут тёмную материю. Эта загадочная и невидимая субстанция, как предполагается, составляет около 85 % Вселенной. Учёные знают о её существовании лишь по гравитационному воздействию. Лаборатория открылась в 2010 году и стала крупнейшей земной площадкой для поиска тёмной материи. Однако в полноценную работу она вступила лишь в декабре 2023 года.
Таким образом, сама идея тёмной материи ставит на испытание терпение и воображение физиков и космологов. По словам исследователя Ёндука Кима, тёмная материя — «самая явная аномалия» во Вселенной. Хотя за последние десятилетия не раз сообщалось о её возможном обнаружении, почти все такие сигналы оказывались ложными.
Ким ищет тёмную материю более 30 лет и понимает, что в итоге может не найти ничего. Тем не менее учёных это не останавливает. Напротив, сама неопределённость подталкивает их к гонке за разгадкой. Ведь все согласны в одном: даже простое подтверждение существования тёмной материи способно изменить представления о Вселенной. Более того, учитывая её огромное количество, теоретически она могла бы стать неисчерпаемым источником энергии.
Проблема поиска
Но как искать частицы, природа которых остаётся загадкой? Как объясняет Ким, физики располагают стройной и полной теорией — Стандартной моделью. Она описывает почти все свойства вещества и элементарных частиц. Почти — потому что в неё не вписывается тёмная материя.
Космолог Даниэль Хупер из Фермилаба и Чикагского университета добавляет: «Мы можем сказать лишь то, что эти частицы почти не взаимодействуют с обычным веществом. Иначе мы давно бы заметили их. Если бы у них был электрический заряд, мы бы уже обнаружили свет, который они излучают или поглощают».
Поэтому, чтобы узнать правду, приходится вести исследования глубоко под поверхностью Земли.
Эксперименты в лаборатории Цзиньпин
Китайская лаборатория Цзиньпин считается самым глубоким детектором в мире. Тысячи метров камня защищают её чувствительные приборы от космических лучей. Лишь один из миллиона таких лучей способен пробиться в пещеру. Это создаёт идеальные условия для изучения тёмной материи.
Поиск здесь ведётся с помощью двух крупных проектов: PandaX и CDEX. Первый использует ксенон, второй — германий. Огромные резервуары с этими веществами изолированы от внешнего мира. Оба эксперимента направлены на «прямое обнаружение» гипотетических частиц — WIMPs, массивных и медленных субатомных частиц, которые почти не взаимодействуют с обычным веществом.
Учёные выбрали ксенон и германий потому, что они слабо реагируют на другие элементы. Это значит, что любое взаимодействие с WIMPs будет заметно. Особенность лаборатории Цзиньпин в том, что она использует оба элемента, тогда как конкуренты в Италии или США работают только с ксеноном.
По словам теоретика Джонатана Эллиса, PandaX имеет все шансы стать лидером в этой области. С CDEX сложнее: германий дорог и труднее масштабируется. Но именно он способен уловить более лёгкие частицы, которые ксенон «не видит».
Масштаб экспериментов
Масштабы работы поражают. Учёные ищут взаимодействия на уровне квадриллионной доли нанограмма. Это в миллиард раз меньше, чем вес скрепки.
Жидкий ксенон удобен для таких задач. Он стабилен и плотен, поэтому позволяет WIMPs «оставлять след». А германий дополняет его, расширяя диапазон поиска. Вместе эти проекты делают лабораторию уникальной.
Зачем же всё это помещать глубоко под землю? Чтобы отфильтровать «шум» от космоса. На самом деле тёмная материя постоянно проходит сквозь детекторы, но крайне редко вступает во взаимодействие. Поэтому физики внимательно изучают сигналы и ищут малейшие признаки возмущений.
Этот процесс сравнивают с метанием дротика в крошечную мишень. Шанс попасть в неё ничтожен, но если увеличить мишень, вероятность попадания возрастает. Именно так и работает поиск: учёные пытаются увеличить шанс «поймать» частицу тёмной материи.
Значение и перспективы
По мнению физика Дона Линкольна из Фермилаба, такие исследования сами по себе расширяют границы астрофизики. И хотя идея кажется почти абсурдной, многие космические загадки обретают смысл, если принять во внимание тёмную материю.
Например, галактики вращаются быстрее, чем это допускают наши расчёты. Они должны были бы разлететься, но этого не происходит. Вероятным объяснением служит именно тёмная материя. Хотя есть и другой вариант: возможно, мы неверно понимаем законы гравитации.
Хупер признаёт, что отсутствие подтверждений разочаровывает многих исследователей. Но он напоминает: несколько веков назад люди знали об воздухе, но не понимали, из чего он состоит. Точно так же долгое время электрон считали бесполезным. Однако его открытие изменило жизнь человечества — без него не было бы компьютеров и большинства бытовой техники.
Астрофизик Итан Сигел считает, что однажды тёмная материя может стать топливом для космических ракет. Если частицы тёмной материи окажутся собственными античастицами, их столкновение даст идеально чистую энергию.
Некоторые идут ещё дальше. Гарвардский астрофизик Чарли Конрой шутит, что через тысячу лет тёмная материя может использоваться даже в газонокосилках и пылесосах. Главное, отмечает он, не недооценивать изобретательность людей, особенно когда речь идёт о тайнах Вселенной.
Правда, для практического применения предстоит решить множество задач. Например, понять, как управлять частицами, которые почти не взаимодействуют с обычным веществом. По словам Хупера, это «очень и очень трудно».
Ким тоже сомневается, что тёмная материя станет столь же распространённой, как электроны. Но он уверен: независимо от результата мы приблизимся к пониманию истории Вселенной.
Хупер подытоживает: «Сегодня вопрос не в том, существует ли тёмная материя. Вопрос в том, из чего она состоит».
