Дело в том, что ксенон может находиться в двух разных агрегатных («фазовых») состояниях – жидком и более привычном газообразном. В двухфазном детекторе второй сигнал формируется в тонком слое газообразного ксенона, расположенном над жидкой фазой. Как мы уже видели, при взаимодействии с вимпами ядра ксенона теряют часть своих электронов. Под действием создаваемого вокруг детектора сильного электрического поля эти отрицательно заряженные электроны перемещаются вертикально вверх от места взаимодействия со скоростью около 2 км/с. При достижении границы между жидкой и газообразной фазами электроны извлекаются и ускоряются еще более сильным электрическим полем, результатом чего является электролюминесцентная вспышка в газе – именно этот процесс обеспечивает свечение неоновых вывесок.

Поэтому любое взаимодействие в резервуаре с ксеноном порождает два разных сигнала – очень короткую сцинтилляционную вспышку в момент попадания частицы в ядро атома ксенона, за которой следует более длительная электролюминесцентная вспышка. Длительность интервала времени между двумя сигналами позволяет определить глубину, на которой произошло взаимодействие в детекторе. В сочетании с информацией о количестве фотонов, зарегистрированных каждым из расположенных под и над детектором фотоэлектрических умножителей, это позволяет установить искомое пространственное положение места взаимодействия. А относительная интенсивность двух сигналов позволяет различать взаимодействия с вимпами – при наличии таковых – от событий, вызванных фоновыми бета-частицами или гамма-лучами.

Все это кажется сложным, потому что это действительно сложно. Но физики-экспериментаторы любят преодолевать трудности, а что может быть интереснее и приятнее, чем разработка и создание самых чувствительных детекторов для раскрытия самых сокровенных тайн природы? Во всяком случае, Гейтскеллом еще с детства двигало именно желание понять физический мир. Мать как-то застала восьмилетнего Ричарда сидящим голым в ванной и рисующим несмываемым маркером линии на кафельной плитке в попытке рассчитать траекторию струи воды.

За несколько недель до того, как я навестил Гейтскелла в его кабинете в Провиденсе (штат Род-Айленд), он, катаясь на лыжах, столкнулся с очередной физической загадкой – на этот раз гравитацией6. Сидя, положив сломанную ногу на небольшой вращающийся табурет, он налил мне кофе и вытащил из-под стопки газет и журналов маленькую коробочку. Там оказался 12-граммовый сверхчистый ниобиевый кристалл размером с игральную карту. «С этого все и началось», – сказал он.

Первая работа Гейтскелла не имела никакого отношения к поиску элементарных частиц: после окончания магистратуры по физике Гейтскелл проработал четыре года инвестбанкиром в лондонском банке «Морган Гренфелл». В 1989 году он решил, что экономика – недостаточно трудное для его интеллекта поле деятельности и вернулся в Оксфорд, где вместе со своим научным руководителем Норманом Бутом занимался ниобиевыми кристаллами. В 1995-м, через два года после защиты диссертации, он перебрался в Центр астрофизики элементарных частиц в Калифорнийском университете в Беркли – тогдашний «эпицентр» поиска темной материи.

И там, и там приходилось иметь дело с полупроводниками, одним из примеров которых как раз является ниобий. Так же, как и жидкий ксенон, охлажденные до нескольких тысячных градуса выше абсолютного нуля полупроводниковые кристаллы можно использовать для обнаружения темной материи. Пролетая сквозь кристалл, вимп теоретически может столкнуться с каким-нибудь атомным ядром. Вызванные при этом колебания и смещение заряда могут быть зарегистрированы соединенными с кристаллом сверхчувствительными сверхпроводящими детекторами. Оберните криогенное устройство охлаждения кристалла в толстый слой свинца для максимальной защиты от естественной радиоактивности, поместите весь агрегат в глубокую шахту, чтобы предотвратить попадание космических лучей, и можно приступать к поиску темной материи.

Будучи специалистом по сверхпроводящим кристаллам, Гейтскелл отправился в Беркли, чтобы работать с группой CDMS Бернара Садуле, которая использовала «стопки» кристаллов германия и кремния (эти полупроводники применяются для изготовления компьютерных микросхем и солнечных батарей) размером с хоккейную шайбу7. Гейтскелл провел пару лет в чистых комнатах, работая с этими кристаллами и испытывая их в Стэнфордской подземной лаборатории на противоположном берегу залива Сан-Франциско, а потом решил сменить работу. Чтобы добиться существенного увеличения размеров этих детекторов – а это единственный способ повысить их чувствительность – требовалось слишком много усилий, в том числе и чисто физических. Поэтому, перебравшись в Брауновский университет в 2001 году, он связался с работавшей в Колумбийском университете Априле.

«Я понял, что это будет не спринт, – сказал он, – а скорее марафон, когда каждый следующий километр дается с большим трудом. Для каждого этапа требуются лучшие ноги, то есть более крупные детекторы». А жидкий ксенон как раз давал такую возможность. Гейтскелл знал все о темной материи, а Априле – о жидких благородных газах, – казалось бы, просто идеальное сочетание.

Только вот все оказалось не так. В 2007 году, после завершения создания установки XENON10 и на этапе разработки ее преемницы – установки XENON100, коллаборация распалась. Или, скорее, взорвалась. Гейтскелл и Априле оказались очень сильными личностями, каждый со своими амбициями. Они расходились во мнениях по любому поводу, в том числе когда речь шла о руководстве большим международным проектом – в частности, по вопросу о желательности переноса эксперимента обратно в США.

Старый план по превращению подземного золотого рудника Хоумстейк в горах Блэк-Хиллс в штате Южная Дакота в физическую лабораторию удалось осуществить благодаря предоставленному бизнесменом и филантропом Денни Сэнфордом гранту в размере 70 миллионов долларов. В 2007 году Гейтскелл и Шатт решили построить в руднике очередной детектор на основе жидкого ксенона. Эту идею поддержали четыре из семи американских групп, участвовавших в проекте XENON: работать «поблизости», в своей собственной стране было бы гораздо удобнее, чем мотаться в Европу и обратно. Но Априле настояла на том, чтобы остаться в Италии. Создание установки XENON100, вмещавшей до 165 килограммов жидкого ксенона, шло полным ходом. Лаборатория Гран-Сассо была в их распоряжении, и она не хотела терять набранный темп. Априле желала быть первой и лучшей. Казалось, до прямого обнаружения темной материи рукой подать, и было бы просто глупо терять время.

Так что Гейтскелл с Шаттом пошли своим путем и начали реализацию собственного проекта по поиску темной материи – Large Underground Xenon (LUX) – «Большого подземного ксенонового эксперимента» во вновь созданном Подземном исследовательском центре Сэнфорда (Sanford Underground Research Facility)8. Им удалось собрать группу из более чем 100 физиков из 27 научных организаций. Конечно, на этом они потеряли два или три года, но установка LUX с 370 килограммами (более 100 литров) вещества мишени, окруженного 260 000 литрами воды для поглощения нежелательных нейтронов, оказалась чувствительнее, чем XENON100. Строительство установки началось в 2009 году, а первые данные были получены в 2013-м, через год после публикации Еленой Априле новых оценок верхнего предела эффективности