жидкий ксенон

В подземной лаборатории в Южной Дакоте детектор LUX-ZEPLIN, наполненный жидким ксеноном, ждёт редких столкновений. Обычно частицы тёмной материи проходят сквозь него бесследно, но однажды ядро ксенона сдвинулось с места с энергией 248 кэВ. Это слишком сильный толчок для привычных моделей, где тёмная материя лишь слегка задевает ядра.

В баке с тремя тоннами жидкого ксенона, спрятанном глубоко под землёй, однажды что-то шевельнулось. Не сам ксенон, а одно из его атомных ядер: оно получило толчок с энергией 248 тысяч электронвольт и отскочило, как бильярдный шар, в который попал невидимый шар.

В сканирующем туннельном микроскопе, способном видеть отдельные атомы, поддерживаются экстремальные условия: температура около -268°C и сверхвысокий вакуум. Чтобы осадить одиночные атомы железа на исследуемую поверхность, обычно требуется прямой путь от испарителя к образцу.

Лазерный луч бьёт по тонкой мишени, спрятанной внутри слоёв другого материала. За миллиардные доли секунды вещество сжимается до плотности 25 грамм на кубический сантиметр — это как если бы кусок свинца стал в два с лишним раза тяжелее, оставаясь на месте. Температура подскакивает до 20 электронвольт, что примерно в 230 тысяч раз горячее комнатной.

Тёмную материю никто не видел, но она должна проходить сквозь детекторы как ветер сквозь листву. Иногда, очень редко, частица тёмной материи задевает ядро атома — и тогда детектор должен уловить этот толчок. Проблема в том, что лёгкие частицы тёмной материи почти не могут сдвинуть тяжёлые ядра: это как пытаться сбить кеглю, бросая в неё пушинку.

Представьте бильярдный шар, висящий в воздухе. По нему из духовой трубки вылетают крошечные горошины. Каждый удар едва заметен, но если шар очень лёгкий и почти не дрожит от тепла, можно разглядеть отдельные толчки. Примерно так устроен эксперимент: стеклянная сфера размером с бактерию парит в вакууме, а на неё летит узкий пучок атомов ксенона.

В недрах Солнца протекают термоядерные реакции, которые могут порождать гипотетические лёгкие частицы — аксионы, почти не взаимодействующие с веществом. Один из таких процессов, если он существует, приводит к появлению аксионов с энергией 5,49 МэВ — это сравнимо с энергией теннисного мяча, летящего со скоростью 100 км/ч.

Кристалл йодида натрия, активированный таллием (NaI(Tl)), — своего рода фотоплёнка для невидимых частиц. Когда в него попадает гамма-квант или гипотетическая частица тёмной материи, он испускает слабую вспышку света — сцинтилляцию. Два кремниевых фотоумножителя, прижатые к торцам кристалла, регистрируют эту вспышку с двух сторон.

Радиотелескоп с пятисотметровой тарелкой FAST зарегистрировал сигнал на длине волны 21 сантиметр — это спектральная линия излучения холодного нейтрального водорода. Сигнал исходил от облака, получившего название Cloud-9. Оно находится вблизи галактики M94, но не содержит ни одной звезды.

В двумерном кристалле диселенида вольфрама (WSe₂) поглощённый свет порождает пары связанных зарядов — электрон и дырку, удерживаемые кулоновским притяжением. Такие квазичастицы называют экситонами.

Солнечные нейтрино — крошечные частицы, рождающиеся в недрах Солнца каждую секунду триллионами. Они проходят сквозь Землю, почти не замечая её, и долгое время считались абсолютно стабильными. Но, возможно, и они способны «стареть» — незаметно распадаться, исчезая по пути к нам. Проверить это взялись физики, работающие с детекторами тёмной материи.

В девять утра детектор DarkSide-50 в 1400 метрах под горой Гран-Сассо фиксирует слабый ионизационный импульс. К одиннадцати вечера частота таких событий заметно падает. Это не сбой электроники и не сезонная вариация фона. Каждые сутки поток тёмной материи, достигающий детектора, меняется почти вдвое по амплитуде.

Квантовые технологии остро нуждаются в универсальном «переводчике» между языками микроволн и света. Сверхпроводящие кубиты общаются на сантиметровых волнах, тогда как фотоны в оптоволокне — на оптических частотах. Мостом могут стать квантовые состояния магнонов — коллективных возбуждений спинов в магнитных кристаллах.

Тёмная материя не оставляет следа в обычных детекторах — она проходит сквозь них, как ветер сквозь марлю. Чтобы её заметить, нужны приборы, способные ощутить удар комара в бурю. Квантовые датчики с порогом в доли электронвольта (в тысячу раз меньше энергии видимого света) как раз такие.

Лазер — это не только свет. Если заставить частицу колебаться, как маятник, и эти колебания сами себя поддерживают, получается фононный лазер. Звучит сложно, но суть проста: вместо волн света прибор испускает стройные волны механических колебаний — фононы. В новой работе таким «маятником» стал один-единственный ион кальция, пойманный в электромагнитную ловушку.

Детекторы тёмной материи — это, по сути, микрофоны невероятной чуткости, способные расслышать шёпот в грохоте рок-концерта. Их задача — уловить редкие толчки от гипотетических частиц тёмной материи, которые, как полагают, изредка сталкиваются с ядрами обычного вещества.

Каждую секунду сквозь тело проходит около сотни невидимых частиц — мюонов. Они рождаются высоко в небе, когда космические лучи сталкиваются с атомами воздуха, и дождём сыплются на Землю. Эти частицы настолько проникающие, что могут пройти сквозь многоэтажное здание, но при этом слегка меняют направление, встретив плотное вещество — например, свинец или уран.

История началась с недоумения: в 1930-х Фриц Цвикки заметил, что скопления галактик ведут себя так, будто в них спрятана огромная невидимая масса. Через полвека Вера Рубин подтвердила — звёзды на окраинах галактик вращаются слишком быстро, чтобы их удерживала лишь видимая материя.

В тёмной комнате на лазерном луче висит стеклянная бусина размером с пылинку. Под ней — два зеркала: алюминиевое и серебряное. Если где-то рядом проносятся аксионы — лёгкие частицы-невидимки, которые могли бы составить таинственную тёмную материю, — они обмениваются ими с атомами зеркал, и бусина чуть-чуть смещается.

Тёмная материя — невидимая субстанция, чья гравитация удерживает галактики от разлёта, — до сих пор ускользает от прямого наблюдения. Одна из гипотез предполагает, что она состоит из аксионов — гипотетических очень лёгких частиц, предсказанных теорией.

Детектор, заполненный сверхтекучим гелием-4, похож на идеально тихое озеро. Жидкость не плещется, не пузырится — она замерла в едином квантовом состоянии. Сквозь неё пролетает невидимый гость — частица тёмной материи. Сама она не светится и не оставляет следа. Но иногда задевает ядро атома гелия. Ядро получает слабый толчок и сдвигается.

Нейтронная звезда — это мёртвое ядро массивной звезды, сжатое до размеров города. Чайная ложка её вещества весит как гора. Сквозь такую плотную среду частицы тёмной материи пролетают почти свободно, но иногда всё же ударяются о нейтроны и застревают, словно пули, вязнущие в толще песка. Осев в центре, они отдают энергию — и звезда чуть нагревается.

Крошечная стеклянная бусина висит в луче лазера, как пылинка в солнечном свете. Вокруг неё — разреженный газ: атомы криптона, ксенона и тяжёлые молекулы шестифтористой серы. Они сталкиваются с бусиной, и каждый удар передаёт ей крошечный импульс — как горошина, брошенная в натянутую простыню, заставляет её дрожать. Импульс — это мера движения: произведение массы на скорость.

Холодное облако атомов похоже на рой светлячков, которые тянутся друг к другу. Притяжение между атомами пытается собрать их в один плотный ком. Но квантовое дрожание — неустранимое движение частиц — мешает кому схлопнуться. Когда притяжение сильное, облако разбивается на отдельные сгустки.

Кремниевая пластинка толщиной в полволоса ловит пролетающую частицу, как ладонь ловит каплю дождя. Но если капля — это протон, разогнанный до огромной энергии, ладонь может получить ожог. Внутри детектора рождается лавина заряда, и иногда её хватает, чтобы прожечь микроскопическую дыру. Это называют одиночным выгоранием.

В тёмной комнате вспыхивает невидимая лампа. Её свет не похож на привычный: у него нет постоянной яркости, только редкие, но мощные всплески. Это яркий сжатый вакуум — состояние света, в котором нет обычной волны, но есть сильные квантовые флуктуации. Именно таким светом физики обстреляли атомы ксенона. Каждый всплеск выбивает из атома электрон.

Глубоко под Апеннинскими горами, в чане с тремя тоннами жидкого ксенона, раз в несколько дней что-то едва заметно вздрагивает. Это солнечное нейтрино — частица-призрак, рождённая в термоядерном пекле Солнца, — пролетела 150 миллионов километров сквозь пустоту и горную породу, чтобы наконец столкнуться с ядром ксенона.

Металлическая игла опускается на кусочек сверхпроводника. Всё это происходит внутри холодильника, который остужает образец до 30 тысячных градуса выше абсолютного нуля — в сто раз холоднее, чем открытый космос. Через иглу пропускают слабый ток, и по тому, как электроны проходят сквозь крошечное пятнышко контакта, физики читают, что творится внутри материала.

Обычная антенна ловит радиоволны, но есть поля, которые она почти не чувствует. Речь о медленных электрических полях — таких, что меняются раз в секунду или реже. Для них физики собрали датчик из пучка атомов рубидия. Пучок летит в вакууме, и атомы в нём ведут себя как крошечные стрелки компаса, только реагируют не на магнит, а на электрическое поле. Атомы в пучке сначала облучают лазером.

Под землёй, в бывшей золотой шахте, стоит бак с жидким ксеноном. Если через него пролетит частица тёмной материи, ксенон вспыхнет. Но вспыхивает он и от обычных частиц — например, от нейтрино или остатков радиоактивности. Задача — понять, какая вспышка от тёмной материи, а какая от шума.

Камера, которая ищет опухоли, работает как очень чувствительный фотоаппарат: ловит слабое свечение от вещества, накопленного в больных клетках. В обычных аппаратах свет рождается в кристалле — твёрдом куске, похожем на стекло. Но кристалл не всегда точно передаёт, где именно вспыхнул свет, и картинка получается слегка размытой. Новая идея — заменить кристалл на жидкий ксенон.

На кухне два луча фонариков проходят сквозь друг друга, не замечая один другого. Свет со светом почти не взаимодействует. Но если разогнать частицы до огромных энергий, два фотона могут столкнуться и родить нечто новое.

Кастрюля с кипящей водой стоит на плите: чем сильнее огонь, тем горячее вода и тем больше пара вырывается наружу. Примерно так же ведёт себя горячий газ в скоплениях галактик. Но в небольших группах галактик этот «пар» утекает быстрее, чем можно ожидать по температуре.

В тёмном баке на тридцать тонн вода светится, когда сквозь неё пролетает частица-призрак. Нейтрино почти не взаимодействует с веществом, но изредка задевает атомы, и тогда рождается вспышка. Чтобы её поймать, в воду добавляют особое вещество — жидкий сцинтиллятор, который усиливает свет. Обычные детекторы видят либо один тип свечения, либо другой.

В тёмной шахте под итальянскими Альпами стоит бак с тремя тоннами жидкого ксенона. Когда в него попадает частица, она выбивает из атомов слабые вспышки света и облачка электронов. По этим следам физики надеются увидеть редчайший распад: ядро ксенона-136 превращается в барий-136, испуская два электрона и ни одного нейтрино.

В глубине канадской шахты стоит бочка с 3269 килограммами жидкого аргона — прозрачной жидкости, похожей на очень холодную воду. Эта бочка — детектор DEAP-3600, и её задача — поймать частицы тёмной материи, которые, как считается, пронизывают Вселенную, но почти не взаимодействуют с обычным веществом.

В глубоком холоде, при температуре всего два градуса выше абсолютного нуля, медная полость размером с кастрюлю слушает тишину Вселенной. Эта полость — сердце прототипа детектора Supax, созданного для поиска аксионов: частиц, которые никто никогда не видел, но которые могут составлять невидимую тёмную материю, удерживающую галактики вместе.

При эпилепсии врач подбирает дозу лекарства почти вслепую. Слишком мало — приступы продолжаются, слишком много — появляются побочные эффекты. Обычно кровь пациента отправляют в лабораторию, и результат приходит через день-два. А теперь тот же анализ можно сделать на крошечном кремниевом чипе. Датчик работает как очень чувствительный нос.

Представьте детектор тёмной материи как комнату, где исследователи пытаются расслышать едва уловимый шёпот, но всё вокруг заполнено треском статического электричества. Этот треск создают атомы радона — радиоактивного газа, который непрерывно просачивается из конструкционных материалов и воздуха.

Вселенную удерживает невидимый каркас из тёмной материи — загадочной субстанции, проявляющей себя только через гравитацию. Возможно, её часть — тёмные фотоны, гипотетические призрачные копии обычных фотонов, которые почти не взаимодействуют с веществом и проходят сквозь него, словно свет сквозь стекло.