поиск редких событий

В антарктическом льду спрятан детектор размером с кубический километр. Он ловит не свет, а призрачные частицы — нейтрино, которые почти не взаимодействуют с веществом. Но иногда в нём может мелькнуть совсем другой зверь: пара мюонов, которые рождаются вместе и разлетаются широким веером. Такой узор не нарисовать ни одной известной частицей из обычной материи.

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 галактике NGC 1052 DF2 звёзды движутся со скоростью всего 8 километров в секунду — будто никакой невидимой массы вокруг нет. Для сравнения: в нашем Млечном Пути окраинные светила разгоняются до 200 километров в секунду, удерживаемые массивным гало 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.

Тёмная материя — невидимый архитектор Вселенной, удерживающий галактики от разлёта. С лёгкой руки Фрица Цвикки и Веры Рубин мы знаем: обычного вещества в космосе — лишь ничтожная примесь. Но что скрывается за этим тёмным веществом?

Старая фотография, сделанная в момент рождения Вселенной, почти 14 миллиардов лет несёт к нам свой свет. Этот снимок — реликтовое излучение, остывшее эхо Большого взрыва. На нём запечатлены мельчайшие неоднородности, из которых позже выросли галактики.

Выделить один бракованный микрочип из миллиона, не имея ни малейшего представления о том, как выглядит дефект, — классическая задача поиска иголки в стоге сена. Обычный компьютер стал бы перебирать чипы один за другим. Квантовый же действует как самонастраивающийся дуршлаг: вы высыпаете всю партию разом, и лишь редкие дефектные экземпляры «загораются» — без какого-либо предварительного описания брака.

Тёмная материя невидима, но её гравитация управляет движением галактик. Из чего она состоит — загадка. Одна из идей: это сверхлёгкие частицы, похожие на аксионы.

Обычные детекторы тёмной материи похожи на футбольного вратаря, который ждёт мощного удара, а мяч еле катится. Частицы-невидимки, заполняющие нашу Галактику, часто движутся слишком медленно, чтобы их заметили чувствительные датчики.

В детекторе CMS на Большом адронном коллайдере столкнулись протоны, разогнанные почти до скорости света. Среди миллиардов таких столкновений физики искали редкий след: рождение одной тяжёлой частицы, которая тут же разваливается на W-бозон и b-кварк.

В 2016–2018 годах на Большом адронном коллайдере в ЦЕРНе протоны сталкивались с энергией 13 тераэлектронвольт — как если бы две горошины разгоняли до скоростей, при которых их удар рождает целый рой новых частиц.

На Большом адронном коллайдере протоны сталкиваются почти со скоростью света. Иногда они не разбиваются, а обмениваются фотонами — частицами света. Эти фотоны могут породить пару: одну частицу, которую детектор видит, и другую, которая улетает незамеченной.

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.

Детектор тёмной материи похож на очень чувствительный микрофон, который слушает тишину. Он ловит крошечные толчки тепла — фононы, — которые возникают, когда частица задевает кристалл. Но вместо тишины приборы годами слышат шум: множество слабых сигналов ниже нескольких сотен электронвольт.

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.

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.

Детектор MicroBooNE — это большой бак с жидким аргоном, который ловит частицы, пролетающие сквозь него. Когда частица проходит, она оставляет след из заряда и вспышку света. Эти следы складываются в трёхмерную картинку события, как будто частица рисует свой путь в прозрачном кубе.

Пуля, которая пробивает не одну мишень, а оставляет след сразу в нескольких слоях брони. Примерно так ведёт себя сверхтяжёлая тёмная материя, которую впервые искали в детекторе DarkSide-50. Обычные кандидаты в тёмную материю — слабо взаимодействующие массивные частицы (WIMP) — проходят сквозь вещество почти незаметно, изредка сталкиваясь с ядрами.

Тёмная материя — как невидимый клей, который держит галактики вместе. Она не испускает свет, но если её частицы сталкиваются, может вспыхнуть гамма-излучение. Учёные искали такие вспышки в карликовых галактиках — маленьких звёздных скоплениях, где тёмной материи очень много, а обычной почти нет.

В океане иногда возникает огромная одиночная волна, которая вырастает из ниоткуда и исчезает. Такие волны-убийцы редки, но опасны. Похожие редкие и сильные всплески бывают и в других системах — от финансовых рынков до лазеров. Проблема в том, что их трудно предсказать и тем более вызвать по заказу.

Древний свинец, пролежавший на дне моря две тысячи лет, стал сердцем детектора, который ищет самую неуловимую субстанцию во Вселенной. Из него вырастили прозрачный кристалл вольфрамата свинца массой 13 граммов и охладили почти до абсолютного нуля. Такой свинец ценен тем, что за столетия из него успели распасться почти все нестабильные атомы — он стал исключительно чистым, как вода из горного родника.

С тех пор как Вера Рубин впервые убедительно показала, что галактики окружены невидимым веществом, поиск природы тёмной материи остаётся одной из главных задач физики.

Детекторы гравитационных волн — ряби пространства-времени, порождаемой массивными космическими событиями — традиционно работают по принципу согласованной фильтрации: сигнал сравнивают с банком заранее рассчитанных шаблонов, словно пытаясь узнать знакомую мелодию в шуме.

Тёмная материя — невидимый гравитационный каркас, удерживающий галактики от центробежного распада. Ещё в 1930-х Фриц Цвикки, анализируя движение галактик в скоплении Волос Вероники, обнаружил аномально высокие скорости, требующие дополнительной массы.

Рентгеновский лазер LCLS-II в Калифорнии бьёт короткими мощными вспышками — как стробоскоп на дискотеке. Между вспышками остаются тёмные паузы длиной в 26,9 наносекунды (миллиардных доли секунды). Именно в этих паузах физики хотят ловить тёмную материю — загадочное вещество, которое не светится, но притягивает обычную материю своей гравитацией.

В детекторе BESIII частицы разыгрывают спектакль: сталкиваются, рождаются и распадаются, оставляя вспышки света. Но иногда актёр может уйти со сцены незаметно — через потайную дверь, которую не видят камеры. Физики искали именно такие «тихие» распады, когда частица превращается в нечто невидимое для приборов.

Обнаружить слабый сигнал на фоне шума — всё равно что пытаться услышать далёкий колокол в бурю. Обычное усиление делает грохот только оглушительнее, ведь усиливается и шум, и сигнал. Квантовая коррекция ошибок — метод, изначально придуманный для защиты квантовых компьютеров от сбоев, — решает проблему неожиданно.

В 1997 году Тихий океан разогрелся так, что кораллы побелели от Индонезии до Галапагосов, а наводнения и засухи прокатились по пяти континентам. Такие события, которые климатологи называют экстремальными Эль-Ниньо, случаются раз в несколько десятилетий, и чтобы понять, насколько часто они будут приходить в будущем, нужны тысячи лет наблюдений.

Сто лет назад магнитные обсерватории записывали лишь медленные дыхания земного ядра. Сегодня их данные превращаются в охотничьи угодья для физики частиц. В обсерватории Эскдалемюр на севере Англии каждую сотую долю секунды фиксируются колебания магнитного поля. Десять лет таких записей — 9909 восьмичасовых сегментов — стали ловушкой для призрака: тёмного фотона.

Кремниевая сфера диаметром 166 нанометров парит в луче инфракрасного лазера. Давление ниже 10⁻⁸ мбар, температура движения — около 10 милликельвинов. Это холоднее реликтового излучения. Сфера — микроскопический сейсмограф, улавливающий квантовые толчки невидимых частиц. Каждый удар частицы тёмной материи передаёт сфере импульс. Сфера вздрагивает.