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.

И так удачно получилось, что в том же 1993 году НАСА вместе с рядом других космических агентств договорились о сотрудничестве с целью строительства будущей Международной космической станции (МКС). Ну а раз фундаментальные исследования были заявлены как одно из главных оправданий траты огромной суммы денег налогоплательщиков на создание, запуск, сборку и эксплуатацию МКС, то представлялось логичным использовать будущую космическую лабораторию в качестве платформы для задуманного Тингом высокоточного массивного и энергозатратного магнитного спектрометра. Это стало бы образцовым примером использования космической станции для научных целей.

Как и в любом наземном детекторе, в магнитном альфа-спектрометре предполагалось применить целый ряд технологических методов для измерения массы, заряда, скорости и энергии практически каждой прошедшей сквозь него частицы. В основе эксперимента огромный 1200-килограммовый магнит, поле которого в 3000 раз сильнее земного магнитного поля, он должен искривлять траектории электрически заряженных частиц, позволяя отличать положительно и отрицательно заряженные. А поскольку все технические решения были совершенно новыми, перед установкой инструмента на МКС для долгосрочной работы надо было опробовать технологию, отправив прибор в полет на шаттле.

Большинство людей не могут начать какое-нибудь дело, а Сэм Тинг, как только план созрел у него в голове, уже не мог остановиться. Он заручился поддержкой и сотрудничеством администратора НАСА Дэниэла Голдина, получил начальное финансирование от министерства энергетики и собрал международную группу ученых из 16 стран. Проект AMS был одобрен в апреле 1995 года. Первый вариант детектора антиматерии, детали которого изготавливались в разных институтах в Европе и Азии, был собран в ЦЕРНе менее чем за три года.

2 июня 1998 года Тинг наблюдал за запуском в космос прибора AMS‑01 на борту шаттла «Дискавери», который отправлялся в свой последний полет. Шаттл летел к российской орбитальной станции «Мир», но AMS‑01 работал из грузового отсека челнока. Прибор показал себя великолепно, несмотря на проблемы с передачей данных во время этого полета «Дискавери». В ходе эксперимента были даже получены неожиданные научные результаты – в частности, был обнаружен избыток низкоэнергичных позитронов. Результаты эксперимента были опубликованы в 2000 году в журнале Physics Letters B3.

Первоначальный план состоял в том, чтобы отправить этот же прибор – или как минимум его очень точную копию – на МКС. Но до завершения строительства МКС оставалось много лет, и поэтому у группы Тинга оставалось полно времени для улучшения конструкции устройства. Созданная в результате новая версия прибора – AMS‑02 – была размером 5 × 4 × 3 метра (она, пожалуй, не поместилась бы в вашей гостиной) и весила 7,5 тонны – почти в два раза больше своего предшественника4. В общей сложности детекторы этого огромного инструмента насчитывали 50 000 оптических волокон и 11 000 фотодатчиков. Прибор AMS‑02 с его 300 000 электронными каналами и 650 быстрыми микропроцессорами выдавал данные со скоростью 7 гигабит в секунду при энергопотреблении 2,5 киловатта. Запуск был запланирован на 2005 год.

Но 1 февраля 2003 года случилась катастрофа – при входе в атмосферу шаттл «Колумбия» разрушился и погиб весь экипаж из семи человек. В следующем году администрация Джорджа Буша – младшего внесла изменения в программу шаттлов, и все последующие полеты предполагалось осуществлять только для обеспечения работы МКС и доставки запасных частей, а сразу же после завершения строительства космического аванпоста эксплуатация челноков должна быть прекращена. И все, никакого больше специального полета для эксперимента AMS.

Тинг был подавлен. Прибор AMS был сконструирован так, чтобы поместиться в грузовом отсеке шаттла. Без шаттла