Слева – огромный заполненный водой резервуар, в котором расположен детектор, справа – пункт управления

Особого внимания требует предотвращение взаимодействий частиц, порождающих сигнал, похожий на тот, которого ученые ожидают от столкновения ядра ксенона с частицей темной материи. Даже слой горных пород толщиной 1400 метров не в состоянии со 100 %-ной надежностью задержать каждый мюон космических лучей, и одна частица из миллиона все же проникает на эту глубину. При взаимодействии мюонов с окружающей лабораторию породой образуются нейтроны, которые могут создавать помехи эксперименту, потому что, сталкиваясь время от времени с ядрами ксенона, порождают ультрафиолетовые вспышки, напоминающие вспышки от столкновения с частицами темной материи. Именно поэтому прибор помещен в большой резервуар с очищенной водой, которая эффективно поглощает нейтроны.

А есть еще и естественная радиоактивность – ядра тяжелых элементов постепенно распадаются с образованием более легких ядер, и в ходе этого процесса испускаются альфа-частицы, электроны и высокоэнергичные фотоны гамма-излучения. Все эти продукты распада порождают фоновый шум. Сквозь сварные швы резервуара с ксеноном постоянно проникают атомы радиоактивного радона. Следы радиоактивного криптона встречаются на нашей планете буквально повсюду с тех пор, как мы начали испытывать ядерные боеголовки и устанавливать их. А в промышленном ксеноне содержится очень небольшое количество радиоактивного трития. Чтобы свести нежелательное влияние этих примесей к минимуму, жидкий ксенон постоянно очищают с помощью огромной ректификационной колонны, расположенной в прозрачном сооружении рядом с резервуаром.

Метод детектирования (подробнее о нем мы расскажем в главе 18) был придуман в конце XX века. Эксперимент XENON был начат в 2001 году. Его автор – итальянский физик из Колумбийского университета Елена Априле, по словам Колейна, «очень своеобразный человек». В ходе этого постоянно расширяющегося международного проекта было создано несколько детекторов – каждый больше и чувствительнее предыдущего – начиная от первого трехкилограммового опытного образца и до современного восьмитонного исполина. Елена Априле все еще продолжает возглавлять проект.

Колейн также рассказал мне о большом конкуренте проекта XENONnT – эксперименте под названием LUX-ZEPLIN, который сейчас выполняется в Подземном исследовательском центре Сэнфорда (Sanford Underground Research Facility) в Южной Дакоте. Руководитель проекта, физик из Брауновского университета Ричард Гайтскелл, несколько лет работал в сотрудничестве с Априле в рамках эксперимента XENON, но в 2007 году эта совместная деятельность прекратилась. Большинство участвовавших в эксперименте XENON американских исследовательских групп перешли к Гайтскеллу, чтобы заняться созданием нового детектора. А есть еще и проект PandaX – масштабный эксперимент по поиску темной материи с помощью ксенонового детектора, проводимый в китайской подземной лаборатории Цзиньпин, – это еще один участник гонки с целью непосредственного обнаружения темной материи.

Несмотря на десятилетия тщетных поисков и потустороннюю атмосферу, посещение Национальной лаборатории Гран-Сассо вдохновляет и воодушевляет. Здесь, так же как и в немногих других подобного рода лабораториях, самые гениальные физики с помощью самых чувствительных в мире инструментов исследуют то, что считают самым распространенным и при этом самым таинственным компонентом Вселенной. Увлеченность этих ученых поражает, а их уверенность заразительна. Вне всякого сомнения, мы на пороге великого открытия – оно свершится в ходе эксперимента XENONnT или конкурирующих проектов, ну или, возможно, в результате менее масштабных экспериментов в лаборатории Гран-Сассо вроде DarkSide, CRESST, DAMA или COSINUS7. Лишь бы упрямая частица показалась, пусть и на мгновение, оставив слабый, но обнаружимый след в каком-нибудь из наших навороченных приборов.

Или мы все же гонимся за химерами? А вдруг все наши усилия тщетны? Неужели нам не суждено достичь успеха потому, что никакой детектор не в состоянии зарегистрировать неуловимую частицу или потому, что такой частицы вообще нет? Наше однодневное пребывание в Гран-Сассо подошло к концу, мы направляемся к автомобилю, на котором выбираемся из туннеля на солнечный свет, и я спрашиваю Колейна, что он думает о возможности столь печального исхода, об отчаянном положении физики темной материи. Что, если он всю жизнь занимался безнадежным делом?

Удивительно, но мысль о возможности неудачи совсем не угнетает Колейна. Прежде всего, он не уверен в существовании темной материи. «Я поверю, только когда ее увижу», – сказал он мне. Колейном на самом деле движет не желание открыть частицу темной материи. Его скорее интересует решение технических проблем самого эксперимента – возможность создания невероятно «тихого» прибора, свободного от любого мыслимого внешнего или внутреннего шума. По его словам, создание детекторов вроде XENONnT будет полезно для науки независимо от результата. Новое поколение физиков учится идти до предела и отодвигать границы возможного. Для него главная награда – это удовольствие от работы с великолепной группой.

В тот вечер я ужинал вместе с Колейном и шестью участниками его группы, среди которых был Дзюндзи Наганома. Мы наслаждались ликером из гентианы, традиционным шашлыком из ягненка и местным вином монтепульчано в заведении под названием «Арростини Дивини» на виа Кастелло в Л’Акуила, неподалеку от сильно разрушенной средневековой церкви Санта Мария Паганика. Спустя более десяти лет после разрушительного землетрясения большинство зданий с черепичными крышами в центре пострадавшего города остаются незаселенными, но бары и рестораны процветают. Жители Л’Акуила не сдаются и готовы преодолеть даже самые большие трудности. Точно так же и молодые мужчины и женщины за столом – я их всех воспринимаю как мальчишек и девчонок – полны решимости преодолеть любые препятствия и справиться с любыми неудачами в их поиске решения одной из величайших загадок природы, стоящих перед человечеством. Первые серьезные свидетельства существования темной материи были обнаружены еще до их рождения, в 70-х годах прошлого века. Есть надежда, что они доживут до раскрытия этой тайны.

А вот первопроходцам не так повезло.

3. Первопроходцы

Якобус Корнелиус Каптейн умер 18 июня 1922 года – в тот самый год, когда он предположил, что темная материя является необходимым элементом строения и динамики Вселенной.

Ян Хендрик Оорт умер 5 ноября 1992 года, через 60 лет после того, как получил первую количественную оценку темной материи в плоскости Млечного Пути – нашей Галактики.

Фриц Цвикки умер 8 февраля 1974-го, через 41 год после обнаружения им первых свидетельств наличия огромного количества темной материи в далеком скоплении галактик.

Каптейн, Оорт и Цвикки были пионерами в этой области исследований. Они поняли, что во Вселенной есть нечто невидимое. Они очень серьезно и глубоко подошли к этой проблеме, и все трое так и умерли, не дождавшись ее решения. Тайна темной материи все так же преследует нас, подобно надоедливому вирусу, с которым мы как-то привыкли сосуществовать1.

Конечно, тайны перестают быть тайнами. Сегодня нам трудно представить себе, как мало мы