Продуманная фотоловушка, закопанная в миле ниже Блэк-Хиллз в Южной Дакоте, может раскрыть устройство Вселенной.
Наша последняя попытка шпионить за темной материей - и, таким образом, раскрыть устройство Вселенной - находится почти в миле под землей. Мэтью Капуст/Sanford Underground Research Facility
Послушайте эксклюзивную аудиоверсию этой истории, подписавшись на Apple News+.
Повисла пауза, как раз перед тем, как двери клетки с грохотом закрылись, и мы начали 15-минутный спуск на 4 850 футов под землю. Нас набилось тесно: бригада из 30 физиков, инженеров, биологов и, в основном, горняков. Бывшие шахтеры, между прочим. Эта шахта не работала 18 лет. Парень, работающий на подъемнике, сообщил оператору лебедки над нами, что кабина заполнена и мы готовы. На короткое безумное мгновение, когда он завис на вершине того, что когда-то было самым большим и глубоким золотым рудником в Северной Америке, все стихло. Где-то наверху слабо свистел холодный ветер Южной Дакоты, проносившийся через Блэк-Хиллз в этот февральский день. Напоминание обо всем, о всем мире, который мы покидали, как начали падать.
И бросить.
И бросить.
Клетка двигалась медленно и неуклонно, преодолевая примерно пять футов в секунду. Мы миновали проходы на пологие этажи, темные и с которых капала вода. Биологи работали над некоторыми из них, собирая бактерии из грязи, изучая экстремофилов, чтобы рассмотреть формы жизни, которые могут существовать на других планетах. Эпическая загадка, конечно, но наша цель была еще ниже: этаж 4850 в бывшей шахте Хоумстейк в Лиде, за пределами Дедвуда, Южная Дакота, ныне Сэнфордский подземный исследовательский центр, или SURF. Здесь физики со всего мира пытаются решить загадку более фундаментальную, чем сама жизнь. А именно, из чего в основном состоит Вселенная?
Протоны, нейтроны, электроны - это нам знакомо. Элементарно даже. Мы также учли более странные, более мелкие субатомные вещества: альфа- и бета-частицы, кварки, нейтрино. Тем не менее, они не складываются. Отнюдь не. Чтобы существование существовало, чтобы галактики вращались так, как они это делают, чтобы свет от далеких звезд изгибался так, как кажется, должно быть намного больше, чем мы видели до сих пор. Стандартная модель, которая классифицирует все элементарные частицы, составляет всего 16 процентов массы Вселенной. Остаются еще 84 процента. Существует несколько теорий относительно того, чем может быть этот остаток, но все они носят одно и то же название: темная материя.
Истинная природа темной материи является предметом многочисленных споров. Это может быть что-то одно, частица одного типа, вроде протона; или это может быть несколько разных вещей, например, электрон и кварк. Пока мы не найдем конкретных доказательств, мы не будем знать наверняка. Целью сложного эксперимента, к которому опускалась эта клетка, было найти эти доказательства.
Здесь, в глубине, спрятанный от гудящих помех, исходящих от всего вокруг нас, сидит дико сложный детектор - назовем его фотоловушкой. Он был разработан и построен для регистрации присутствия главного претендента на темную материю, физического единорога, называемого вимпом, для слабо взаимодействующих массивных частиц. Начинание включает в себя пятифутовый резервуар, заполненный примерно четвертью годового запаса жидкого ксенона в мире. Если вимп пройдет, есть вероятность, что он соскользнет с ядра ксенона, которое испустит световую вспышку, фотон. Как только установка будет запущена - уже в конце 2020 года - она будет работать в течение пяти лет. В этот момент команда либо найдет доказательство существования частицы, которая может быть темной материей, либо нет. Проект известен как LUX-ZEPLIN или LZ. LUX расшифровывается как Large Underground Xenon, ZEPLIN - ZonEd Пропорциональная сцинтилляция в жидких благородных газах. Возможно, это наш лучший шанс обнаружить вимпа.
«Это самое захватывающее время для физики, потому что перед нами все еще стоят действительно большие загадки», - говорит Кевин Леско, старший физик Национальной лаборатории Лоуренса в Беркли, который координирует проект LZ. В начале 2020 года детектор находился на завершающей стадии сборки. Команды от шести до двенадцати физиков и инженеров работали в две смены каждый день, с 8 утра до полуночи, над экспериментом, для которого более пяти лет требовались специалисты в таких разных областях, как обнаружение фотонов и компьютерное моделирование, и из примерно 37 учреждений в семи странах.. «Люди любят говорить, что мы знаем, как объяснить вселенную. А сейчас мы пытаемся составить большую карту Вселенной», - говорит Леско об огромных коллективных усилиях.
Ксеноновый баллон - ключевой инструмент для заполнения этой карты путем определения того, что может быть большей частью материи. В октябре 2019 года он спустился по шахте через клетку в ходе тщательно спланированного однодневного мероприятия, которое не оставляло места для ошибок или толчков. Всего один промах и авария, годы планирования, плюс миллионы долларов на исследования и разработки - все это ушло бы в шахту.
Доказательства наличия темной материи повсюду,хотя нам еще предстоит увидеть саму материю. В 1933 году Фриц Цвикки, швейцарский астроном из Калифорнийского технологического института, заметил, что скорости скоплений галактик, похоже, не имеют смысла: гравитационных сил видимого вещества недостаточно, чтобы удержать группы от рассеяния. Чтобы эти небесные тела собрались так, как они это делают, некая невидимая масса (плюс гравитация) должна помогать их сближению. В 1970-х годах астрономы Вера Рубин и Кент Форд изучали спирали галактики Андромеды и ко всеобщему изумлению обнаружили, что звезды на самых дальних краях движутся так же быстро, как и звезды в центре, нарушая третий кеплеровский планетарный закон (в в данном случае галактическое) вращение, согласно которому объекты, вращающиеся вокруг ядра, должны двигаться медленнее по мере увеличения расстояния от центра. То, что они не предполагают, что на эти тела влияет какая-то более далекая масса. Есть и другие подсказки, например, то, как свет от далеких звезд преломляется на пути к нам, и постоянство космического микроволнового фона, и эллиптические и спиралевидные формы галактик. Все это указывает на существование огромной несветящейся невидимой массы.
Вглядывание в космос дает нам ощущение влияния темной материи на форму и внешний вид нашей вселенной, но все эти доказательства косвенные, тень тени. Этот невидимый материал останется загадкой до тех пор, пока физики не смогут наблюдать частицу или частицы, которые его объясняют, что они пытались сделать около 30 лет. Некоторые эксперименты пытаются построить диаграмму, указывающую на темную материю, путем поиска доказательств ее распада с помощью высоко летающих инструментов, таких как космический гамма-телескоп Ферми. Они называют этот подход непрямым обнаружением.
Другие методы вместо этого пытаются создать темную материю. С 2012 года физики проводят эксперименты, которые могут сделать именно это - на ускорителе частиц Большого адронного коллайдера в ЦЕРН, недалеко от Женевы, Швейцария. Усилия, получившие общее название ATLAS, сталкивают протоны, чтобы имитировать обстоятельства Большого взрыва, когда сформировалось все в нашей Вселенной, включая, теоретически, темную материю. Сравнивая известную им энергию, поступающую в ускоритель, с измерениями того, что выходит, ученые могут доказать его существование.
Чаще всего сыщикам темной материи нужны веские доказательства. То есть, они хотят напрямую обнаружить это. Но опять же, никто точно не знает, что именно они ищут. Помимо вимпа, есть еще один потенциальный виновник: теоретическая частица, называемая аксионом. Если они существуют, то аксионы помогли бы объяснить, как нейтронам, даже тем, в которых движутся заряженные кварки, удается оставаться нейтральными. Они также будут примерно в триллион раз менее массивными, чем электрон, а это означает, что их триллионы поместятся в пространстве размером с кубик сахара. Физики считают, что хитрость в том, чтобы шпионить за ними, заключается в ускорении их в противном случае ледникового распада на фотоны, которые относительно легко обнаружить. Детектор, созданный командой из Вашингтонского университета, использует огромный и невероятно мощный магнит, чтобы ускорить этот темп, в то время как резонатор, настроенный на микроволновую частоту возможного распада, следит за этим..
Тем не менее, среди широкого круга составов темной материи, которые ученые изучали на протяжении многих лет, включая кандидатов от первичных черных дыр до MACHO (массивных астрофизических компактных гало-объектов), половина основной массы наших солнечных вимпов остается основной целью. Если бы они существовали, то они точно согласовывались бы с другим популярным понятием в теоретической физике, называемым суперсимметрией, идеей о том, что у каждой частицы массы, которую мы можем видеть, есть также несветящаяся копия, инь к своему ян. Если эта идея верна, то, что мы сложили из всего, охватываемого Стандартной моделью, будет отражаться присутствием вимпов. Вселенная, какой бы непознаваемой и хаотичной она ни казалась, стремится к элегантным решениям, подобным этому. Или элегантные решения вроде этого, как правило, объясняют вселенную.
Тем не менее, даже в мире вимпов остаются вопросы. Частицы могут существовать в диапазоне масс от примерно одного протона до 100 000 протонов. Один эксперимент, названный SuperCDMS, направлен на поиск вимпов меньшего размера, чем LZ. Основанный на никелевом руднике в Онтарио, Канада, он использует шесть детекторов, изготовленных из кремниевых или германиевых кристаллов; если вимп попадет в один из них и потревожит электроны кристалла, взаимодействие вызовет вибрации - сигнал, который можно усилить. Буровая установка работает при температуре -450°F, чтобы исключить шум, создаваемый тепловой энергией. И он также находится глубоко под землей на глубине 6 800 футов, защищенный от радиоактивности повседневной жизни, космического шума, исходящего от всего, от звезд до подошв ваших Чак Тейлоров.
Есть еще одна попытка обнаружения WIMP на основе ксенона, международная попытка, расположенная под горой Гран-Сассо в Италии, и метко названная XENON. Участвующие ученые объявили в июне 2020 года, что их эксперимент регистрирует дополнительные фоновые сигналы, которые могут оказаться доказательством существования аксионов. Или это могут быть нейтрино. Или результат загрязнения. Как и многое другое в темной материи, может показаться, что данные находятся на грани изменения реальности, но на деле оказываются ничем.
Леско, который работал над такими подземными экспериментами, в том числе над меньшим предшественником LZ, LUX, в течение большей части 30 лет, объясняет, почему эти усилия всегда происходят так глубоко под землей. Представьте, говорит он, «вы пытаетесь услышать шепот. Вы делаете это в центре Нью-Йорка, вы этого не услышите, слишком много шума. Вы хотите уйти от нашего фона - космические лучи и мусор, которыми мы бомбардируемся, скроют очень редкие сигналы, которые мы ищем». Но тут Леско останавливает себя: сигнал, частица «не обязательно редки, редки лишь взаимодействия с вещами, которые мы можем наблюдать».
Проблемы наблюдения порождают на грани одержимости устранением каждой йоты потенциальных помех. Вот почему, когда Леско летал в Лид (конечно, до пандемии), чтобы посетить шахту, ставшую лабораторией, на неделю каждый месяц, большая часть того, над чем он и его бригады работали, заключалась в том, чтобы поддерживать абсолютно все в исключительной чистоте. насколько это возможно. Это трудная задача в любом месте, но это абсурдно так глубоко внутри туннеля, вырубленного в скале.
Двери клетки открылись на уровне 4850,и мы все вышли. Экипажи ученых и сотрудников сгрудились в электрифицированные тележки - минные тележки! - чтобы проехать четверть мили длиной по неосвещенному проходу с земляным полом к более отдаленным лабораториям. Ближе к тому месту, куда нас доставил подъемник, я сменил свои ботинки на пару очень чистых трейлраннеров, которые никогда не покидали это место. Я вытер телефон, ручку, блокнот и руки и прошел по липкому полу, чтобы стряхнуть пыль с обуви, затем по длинному коридору, ведущему в комнату, где собиралась ЛЗ. Из-за дверей донесся протяжный высокий свист, похожий на ужасный крик.
“Это жидкий азот, который мы пускаем по трубам - он громкий!” - завопил Аарон Маналейсей, физик из Национальной лаборатории Лоуренса в Беркли, перекрывая истошные вопли. Маналайсай был здесь внизу с командой аспирантов, работая несколько месяцев, чтобы закончить сборку всех тысяч компонентов LZ, которые заняли почти всю комнату.
Когда крик стих, мы прошли через двойные двери в помещение. Сначала я ожидал увидеть танк в центре эксперимента по ЛЗ, огромный и блестящий. Вместо этого были ряды труб и проводов, идущих от датчиков к стопкам компьютеров снаружи контейнера; криогенная панель для охлаждения газообразного ксенона чуть ниже -163 ° F (температура, при которой он сжижается) и помогает снизить фоновые помехи внутри самого резервуара; пластиковые шторы, накинутые на места, где еще идет сборка; воздуховоды и шкафчики, оранжевые конусы и предупреждающие знаки. В центре всего этого находилась 20-футовая изогнутая конструкция из нержавеющей стали: первый слой бака LZ. Он будет заполнен 70 000 галлонами воды для дополнительной защиты внутренней ксеноновой камеры - в некотором смысле гигантский термос.
А. Поставьте цель: Частицы темной материи, возможно, слабаки, окружают и перемещаются повсюду, включая ЛЗ, даже если мы их не замечаем.
Б. Устранение шума: чтобы повысить шансы обнаружить его, физики буферизируют ловушку вимпов множеством слоев, самым внутренним из которых является титановый резервуар.
С. Подождите спокойно: нереактивный, около 11 тонн жидкого ксенона, помещенный в резервуар, создает спокойное пространство, в котором можно наблюдать за активностью темной материи.
Д. Взаимодействие: если вимп коснется ядра атома ксенона, столкновение вызовет искры энергии: взрыв фотонов.
Е. Хватай вспышку: Сотни детекторов фотонов шириной 3 дюйма, расположенные в виде кругов вверху и внизу конструкции, усиливают любую активность.
Ф. Запишите сигнал: массив преобразует всплеск в точки данных электронов, которые указывают место внутри резервуара, где произошло взаимодействие. Максвелл Эрвин
Всмотревшись в небольшой, тяжелый, распахнутый иллюминатор, я увидел внутреннее святилище, ксеноновый баллон. Почему ксенон? Он чрезвычайно плотный и, как один из благородных газов, инертен. В большинстве случаев он не реагирует на большинство вещей, с которыми соприкасается. Другими словами, он очень тихий. Таким образом, реакции внутри элемента, как правило, выделяются, а это именно то, что вам нужно, когда вы пытаетесь обнаружить внезапную вспышку, которая может в конечном итоге доказать существование темной материи. Внутри этого титанового сосуда находились детекторы фотонов - «камеры» в ловушке: несколько сотен трубок шириной 3 дюйма, объединенных в два круга диаметром почти 5 футов вверху и внизу огромной канистры.
Мы отступили от иллюминатора и поднялись по лестнице на антресольный уровень на полпути к внешнему резервуару, где Тереза Фрут, научный сотрудник по физике из Университетского колледжа Лондона, работала над детекторами. Она проверяла, как они будут функционировать в остальной части системы. Лампы действуют как устройства захвата и усиления, объяснила она. Когда частица, вимп или что-то другое, проходит через резервуар и сталкивается с ядром атома ксенона, результатом является энергия в форме света: фотон или, что более вероятно, много. Массивы поглощают их и преобразуют в электроны. Каждая из них представляет точку данных - координаты X, Y и Z - которая показывает, откуда в области происходит взаимодействие.
Подавляющее большинство событий будет связано с разрушением окружающих скальных стен. «Это произойдет», - сказал Фрут. «Нам все равно». Физики знают, как выглядят эти сигналы, и могут легко их игнорировать. Кроме того, одно из преимуществ наличия такого огромного количества ксенона, объяснила она, заключается в том, что его внешние края - в дополнение к самому резервуару, и воде, и другому резервуару, и миле земли над ним - действуют как буфер.«Если мы подойдем ближе к центру, мы станем намного тише». Это было место, где они могли найти темную материю. Или где «мы можем разумно искать редкое взаимодействие».
Редкое взаимодействие, если оно произойдет внутри резервуара,может вспыхнуть, и никто даже не заметит. Последняя уловка, возможно, самая сложная из всех, заключается в том, чтобы убедиться, что мы действительно замечаем эту вспышку активности среди всех остальных. Как только LZ появится в сети, он будет регистрировать примерно миллиард взаимодействий в год. За эти петабайты данных отвечает Мария Елена Монцани. Она работает в Национальной ускорительной лаборатории SLAC в Стэнфорде и управляет программным обеспечением и вычислительной инфраструктурой LUX-ZEPLIN.
Поскольку никто раньше не видел взаимодействие темной материи, важно попытаться быть уверенным во всем, что мы действительно видели. Monzani координирует каталогизацию и моделирование всех «известных», чтобы неизвестным было легче выделиться.«У нас будет несколько миллиардов событий, а темная материя будет небольшой», - говорит Монзани. «Очень важно, чтобы мы понимали, что представляют собой эти несколько миллиардов событий. Как только вы это узнаете, вы сможете понять: «А, это что-то».
Монцани наблюдает за тем, что, по сути, является прививкой против стремления ума видеть вещи (узоры, частицы), которых на самом деле нет. У нее есть несколько взводов физиков, разбросанных по всему миру, которые работают в двух центрах обработки данных, выполняющих полные симуляции LZ. Они калибруют машину, алгоритмы и, да, людей. Чтобы откалибровать человека, Монзани и ее команда штампуют наборы данных из симуляции резервуара LZ, а затем дьявольски добавляют дополнительные данные, которые выглядят точно так же, как настоящие, - метод, называемый солением..
Экипаж Монцани сбрасывает данные, которые, скажем, выглядят как энергия, которую вимп оставит после себя. Они знают, что эти маркеры фальшивые, а их аналитики - нет, поэтому они создают слепой тест, чтобы уменьшить предвзятость, которая может возникнуть из-за очень реального желания физиков найти захватывающее взаимодействие. Когда пробный запуск завершен, команда Монцани показывает, какие из сигналов были плацебо. В данном случае остаются «настоящие», созданные с помощью моделирования LZ (они повторят процесс, когда эксперимент включится и начнут поступать данные в реальном времени). Все хотят найти темную материю. Соление учит их быть честными.
Выполнение симуляции за симуляцией систем LZ стало основной задачей в середине весны. В марте 2020 года пандемия COVID-19 вынудила предприятие прекратить работу на месте, за исключением критически важного технического обслуживания. Некоторые из ученых остались в городе, поскольку путешествия, особенно международные, казались рискованными, а Лид (население 3021) был достаточно приятным местом, чтобы застрять в этой вызванной вирусом неопределенности.
Еще многое предстоит сделать на поверхности, много калибровок для совершенствования. Независимо от того, когда они начнутся, потребуется пять лет сниффинга WIMP, чтобы собрать достаточно данных, чтобы узнать, находится ли частица в диапазоне обнаружения LZ. И кроме того, как отмечает координатор проекта Леско, все эти месяцы работы в две смены окупились: они почти завершили сборку на 4850, и проект находился в стабильном и безопасном месте. Немногие места могут быть более безопасными во время пандемии, чем одно на глубине мили под землей.
Тем не менее, как и все мы, они задаются вопросом, когда же все это может закончиться: когда они смогут полностью вернуться к эксперименту, и если, как только они это сделают - с запечатанным резервуаром LZ и бдительно ожидающими массивами детекторов- они вообще что-нибудь найдут. Ни одна из почти дюжины предыдущих попыток поймать проблеск WIMP за последние три десятилетия не сработала. Тем не менее, члены команды, такие как Фрут, специалист по фотонным детекторам, оптимистично настроены в отношении возможности того, что работа всей их жизни ничего не даст. «Знание того, что это не что-то, все же чего-то стоит», - говорит она. Когда вы точно не знаете, что такое WIMP, полезно выяснить, чем он не является.
Жить в условиях неопределенности и размышлять о неизведанном - комфортное пространство для них, потому что это то, чем занимаются ученые, особенно физики в этой конкретной продолжающейся охоте. Фрут сравнивает темную материю с незаполненной частью карты, битами «здесь будут монстры». «Мы проводим эту черту, - говорит она, - и говорим: «Смотрите, мы ничего не знаем за этой чертой». А затем мы продвигаемся еще дальше и узнаем еще немного. И линия движется, и мы движемся вместе с ней».