Всего лишь 4% массы Вселенной приходится на понятное нам обычное вещество, состоящее из атомов. На остальные 96% она состоит из загадочных субстанций - темной материи и темной энергии. Физики всего мира пытаются понять их природу.

     Если вы спросите Матиаса Бартельмана, чем он занимается, ученый молча откроет свой ноутбук – и на ваших глазах родится Вселенная. Сначала на мониторе появляется красный шар из раскаленного до миллионов градусов газа. Повинуясь неведомой силе, газ собирается в туманности, движущиеся к центру шара. Туманности сгущаются в звезды, а те стягиваются в галактики, скопления которых образуют причудливый узор – так называемую космическую пену. На экране видно, как в местах этих скоплений концентрируется какое-то вещество. Это и есть неуловимая темная материя, которую ищут физики и астрономы. Ищут давно, но пока никак не могут найти…

     Они смотрят в небо через мощные телескопы и устанавливают в недрах земли сверхчувствительные измерительные приборы. Не так-то просто высветить темную сторону Вселенной! Как говорит Дэвид Клайн из Калифорнийского университета, речь идет о самом сложном эксперименте, который когда-либо проводился физиками.

     Свою компьютерную модель – виртуальную Вселенную – Бартельман, астрофизик из Гейдельбергского университета, смешал как коктейль: взял темную материю, добавил немного космического пространства и щепотку излучения... Главный игредиент – темная материя. Без нее не было бы ни галактик, ни звезд, ни планет. А значит – и нас тоже.

     Чтобы Вселенная стала такой, какая она есть, понадобилось очень много этой загадочной субстанции. Астрономы измерили космическое фоновое излучение – долгое «эхо» Большого взрыва, и пришли к выводу: темная материя составляет 23% всей Вселенной. Еще 73% – это «космические дрожжи» – не менее загадочная темная энергия, заставляющая Вселенную расширяться. И только на какие-то 4% космос состоит из привычных элементов: водорода, гелия, железа, кремния… Свет излучает одна десятая их количества. Так что сияние звезд и галактик на ночном небе – это всего лишь чудесная декорация. За ней бесконечная тьма.

     Весь сыр-бор вокруг темной материи начался в 1933 году, когда американский астрофизик Фриц Цвикки стал наблюдать скопление галактик в области созвездия Волосы Вероники. Оценив их массу и измерив скорости, он пришел к выводу: некоторые галактики движутся слишком быстро. Силы притяжения их видимых масс явно недостаточно, чтобы скомпенсировать центробежную силу и не дать галактикам разлететься. А значит, заключил Цвикки, во Вселенной имеется гигантский источник гравитации – какая-то невидимая материя. Коллеги сочли это очередной забавной идеей чудаковатого профессора.

     Астрономы вспомнили о ней только в начале 1970-х, когда заметили, что звезды и облака газа на краях спиральных галактик, вроде нашего Млечного Пути, вращаются с огромной скоростью. Но почему-то не отрываются и не улетают. Профессор Цвикки был прав: невидимая субстанция, сила притяжения которой удерживает звезды и газ внутри галактик, все-таки есть.

     Сегодня мало кто сомневается в существовании темной материи. Наблюдая эффект гравитационной линзы, ученые пытаются понять, где же эта материя все-таки находится, и создать нечто-то вроде атласа невидимой Вселенной. (Согласно теории относительности, космические массы преломляют проходящие близко от них лучи, то есть благодаря своей гравитации действуют как линзы.)

     Чтобы понять, как распределяется во Вселенной видимая (светящаяся) и темная материи, Матиас Бартельман с помощью компьютера моделирует эффект гравитационной линзы. Перед фотографией скопления галактик он «помещает» невидимую массу гигантского космического объекта. Ее гравитационное поле искривляет траекторию луча света, идущего от другого объекта, расположенного дальше. Поэтому на мониторе компьютера изображения далеких галактик искажаются, принимая формы линий, дуг и колец. Сравнив компьютерные модели с реальными фотографиями неба, Бартельман и определяет, где в космосе находятся сгустки таинственного вещества.

     Но обосновать существование темной материи и составить карту скрытой части Вселенной – это полдела. Главное понять, из чего состоит эта таинственная среда? На каком бульоне сварен «космический суп»?

     Гипотез существует множество. Некоторые исследователи считают темной материей «мачо» (MACHO – Мassive Сompact Нalo Оbject). Эти небесные тела – далекие планеты, потухшие звезды, черные дыры – состоят из обычного вещества. Они излучают так мало света, что практически невидимы. Однако «мачо» составляют малую часть скрытой массы Вселенной. Кроме того, львиная доля темной материи находится не в сгустках, а распределена в галактиках и между ними.

    Еще один из часто называемых кандидатов на роль темной материи – нейтрино. Эти частицы возникают при термоядерных реакциях в центре Солнца и при ядерных реакциях на атомных электростанциях. За секунду наше светило посылает примерно 100 млрд нейтрино на каждый квадратный сантиметр земной поверхности. Но мы этого не чувствуем. Нейтрино не имеют электрического заряда и почти не вступают во взаимодействие с веществом – они проходят сквозь нашу планету, как ветер сквозь проволочную сетку. Проблема в том, что для составляющей почти всю массу Вселенной темной материи эти частицы слишком легкие.

     Долгое время физики считали, что у нейтрино вообще нет массы. Только в 1998 году удалось доказать, что космические пушинки все же ее имеют. Правда, до сих пор неизвестно, какую. Но суммарная масса нейтрино во Вселенной все равно остается ничтожной – от 0,1 до 6%. Более того, они слишком «горячи» и мчатся с такой огромной скоростью, что не могут создавать сгущений, необходимых для образования галактик. «Вселенной понадобилось бы слишком много времени для создания галактик из одних лишь нейтрино», – считает Саймон Уайт из Института астрофизики Общества имени Макса Планка. Поэтому охотники за темной материей сосредоточились в основном на «холодных» элементарных частицах. На научном сленге они называются вимпами. Вимпы инертнее, чем нейтрино, при этом также электрически нейтральны и невидимы. И тоже слабо взаимодействуют с обычным веществом, стремительно проносясь даже сквозь могучие горные массивы! Ведь между ядрами и окружающими их электронами в атомах вещества горных пород много свободного пространства – «проскочить» можно. Каждую секунду сквозь наше тело проходит около миллиарда вимпов. И лишь раз в несколько дней одна из этих частиц наталкивается на ядро атома, чтобы затем продолжить свое путешествие во Вселенной.

     Напасть на след этих невидимок мешает то, что Землю из космоса постоянно бомбардируют другие частицы, например, электроны и протоны. Поэтому эксперименты по фиксации вимпов проводят глубоко под землей, в заброшенных шахтах. Толща горной породы служит преградой для других частиц – не таких всепроникающих, как вимпы.

     Ангар на краю Модана – городка во французских Альпах недалеко от Гренобля. Сюда перевезли детали «Эдельвейса II», новой установки по поиску темной материи. Вскоре она будет смонтирована и приступит к ловле вимпов.

     «Что это такое?» – ледяным голосом спрашивает Габриэль Шарден. Его сотрудники, физики Лионского университета, растерянно разглядывают грязное пятно на белоснежном полу. Все понимают: это ЧП! Ведь каждая пылинка вблизи детектора создает серьезные помехи. Именно поэтому их шеф Шарден долгие годы искал деньги на создание лаборатории, в которой можно поддерживать почти абсолютную стерильность. В своих больших круглых очках Шарден очень похож на студента-отличника. На самом деле он – руководитель одного из главных проектов по улавливанию темной материи. В проекте «Эдельвейс II» участвуют сорок ученых. Шардена считают уникальным специалистом – профессор теоретической физики, программист, инженер, а вдобавок еще и талантливый менеджер. Работать не прекращает ни на секунду. Дома даже телевизора нет. В редкие свободные часы слушает музыку и обдумывает новую теорию элементарных частиц, которая должна объяснить существование загадочной темной энергии.

     Шарден и его коллеги садятся в микроавтобус с мигалкой. В своих странных красных фартуках они похожи на группу дорожных рабочих. По тринадцатикилометровому туннелю, соединяющему Францию с Италией, ученые спешат в подземную лабораторию. Женский голос на французском и итальянском постоянно напоминает водителям, что быстрее семидесяти километров в час ехать запрещено и необходимо соблюдать дистанцию. Эти правила ввели после страшного пожара в туннеле «Монблан» в марте 1999 года. Наконец автобус останавливается. Ученые выходят, пропускают громыхающую колонну грузовиков и перебегают на другую сторону подземной дороги. Там в скале виднеется неприметная металлическая дверь. Она открывается, и участники проекта входят под каменные своды лаборатории, напоминающей старинную сельскую церковь. Прямо у входа – пластиковые бутылки с водой. «Пить приходится постоянно, – говорит, раздавая их, один из сотрудников. – Воздух здесь, под землей, очень сухой». Детали новой установки уже перевезены со склада в подземную лабораторию. Детектор темной материи помещен в большой белый ящик, стенки которого покрыты защитным слоем парафина и свинца. Внутри похожий на бочку охлаждающий аппарат, а в нем, как в матрешке, еще четыре термосистемы. Температура минус 273,14°С – всего на одну сотую градуса выше абсолютного нуля!

     Сердце детектора – три кристалла германия, каждый размером с хоккейную шайбу и весом около 300 граммов. Когда вимп столкнется с ядром атома германия, в кристалле возникнут колебания, и сенсоры зафиксируют ничтожно малый подъем температуры. Вот почему температура внутри установки должна быть близкой к абсолютному нулю. Искать вимп среди других частиц куда сложнее, чем пресловутую иголку в стоге сена. Но Шарден не собирается сдаваться. Он упорно борется с естественным радиоактивным излучением, которое исходит от горной породы и от самого детектора. В каждой капле человеческого пота, в каждой пылинке и спайке термосистемы прячутся ядра атомов, которые так и «норовят» распасться. Даже в сверхчистых кристаллах германия скрупулезный Шарден обнаруживает остаточную радиацию. К счастью, на проникновение разных частиц детектор реагирует по-разному. Таким образом ученые могут их различать.

     Для эксперимента необходимо много германия. Чем больше масса кристаллических ловушек, тем выше вероятность поймать стремительный вимп. В детекторе «Эдельвейс II» германия будет свыше 30 кг! Увы, места для новой аппаратуры в подземной лаборатории явно недостаточно. Необходимо расширяться. А значит, исследования придется прервать на целый год.

     Габриэль Шарден прекрасно понимает, что конкуренты не дремлют. Немецкий детектор второго поколения монтируют в подземной лаборатории в итальянских Альпах (Гран-Сассо). Но их кристалл германия весит только 10 кг. Так что вряд ли немцы опередят французов.

     Ученые понимают, что поиски могут оказаться безрезультатными, но продолжают работать как одержимые. «Это как с лохнесским чудовищем, – говорит Блас Кабрера из Стэнфордского университета. – Шансов обнаружить чудище мало, но искать не перестают».

     Сам Кабрера один раз уже стоял на пороге открытия. В 1982 году ему удалось зафиксировать магнитный монополь. Считается, что эта элементарная частица может быть источником магнитного поля. После этого в течение восьми лет Кабрера безуспешно пытался повторить свой эксперимент. Увы, все сигналы оказались случайными помехами. Сегодня космологи считают, что монополи встречаются исключительно редко и шансов их обнаружить практически нет.

     За эти годы Кабрера уже успел поседеть, однако все так же неутомимо продолжает идти по следу темной материи. Свой эксперимент CDMS-II Кабрера проводит в заброшенном руднике на севере штата Миннесота. Детектор, который действует по тому же принципу, что и «Эдельвейс», еще три года назад считался абсолютным фаворитом в гонке за темной материей. Но неожиданно возникли проблемы.

     Ученым понадобился специальный холодильник, способный поддерживать температуру на десятые доли градуса выше абсолютного нуля. Прибор размером с афишную тумбу решили собрать прямо в руднике. И на глубине 800 м выяснилось, что температуру эта махина не держит! Тащить ее обратно в лабораторию уже не было возможности. Теперь ученым приходиться мотаться из Калифорнии в Миннесоту и обратно. «Если бы он стоял у нас в Стэнфорде, мы бы справились гораздо быстрей», – говорит Кабрера. Но несмотря на эти трудности, команда CDMS не падает духом и уже собрала много ценной информации.

     А возможно, удача улыбнется тем, кто выбрал окружной путь и пытается определить природу темной материи по косвенным признакам. В Намибии, в ста километрах к югу от Виндхука среди пологих холмов, покрытых зарослями колючек, высятся огненно-красные стальные конструкции, похожие на американские горки. Это телескопы, которые установили здесь участники немецкого проекта Hess. Он назван в честь австрийца Виктора Гесса, открывшего космические лучи. Но Hess еще расшифровывается и как High Energy Stereoscopic System, стереоскопическая система высокой энергии. Гигантские установки, каждая из которых оснащена 380 зеркалами, могут улавливать жесткие электромагнитные волны – гамма-излучение.

     Установленные в южном полушарии Земли, эти телескопы видят центр Млечного Пути. Считается, что именно там особенно плотные скопления вимпов, а значит, велика вероятность их столкновения и взаимоуничтожения – аннигиляции. Обычно она сопровождается яркой гамма-вспышкой с характерной энергией квантов. Участники проекта Hess надеются засечь эту световую пульсацию. Аннигиляция порождает не только электромагнитное излучение, но и нейтрино. Они должны рождаться там, где высока плотность темной материи, – например, в центре Солнца.

     В нашем представлении телескоп – это что-то вроде большой подзорной трубы. Нейтринные телескопы состоят из сотен шарообразных детекторов, которые фиксируют поток летящих из космоса сверхлегких частиц. Они распознают не сами нейтрино, а элементарные частицы, называемые мюонами. Мюоны похожи на электроны, но тяжелее их примерно в двести раз и возникают при столкновении нейтрино с ядром атома. Во время движения в веществе мюон испускает свет – его и должны уловить шарообразные детекторы.

     Самый большой действующий нейтринный телескоп – «Аманда» – погружен в толщу антарктических льдов в районе американской полярной станции. Он похож на гигантскую люстру диаметром 200 метров. Только вместо хрустальных подвесок – стеклянные шарообразные модули.

     Лед, как и горная порода, поглощает нежелательное излучение, идущее из космоса. Поэтому ученые мощной струей горячей воды промывают в нем отверстия километровой глубины и погружают туда модули – 4800 штук на одном квадратном километре. Гигантскую сеть с веселым названием Ice Cube («Кубик льда») физики раскинули на Белом континенте для поимки темной материи, которая концентрируется притяжением Солнца. «При аннигиляции вимпов, – объясняет немецкий исследователь Кристиан Шпиринг, – нейтрино вырываются прямо из недр Солнца. Их и должны засечь наши детекторы».

     А возможно, тайну материи-призрака раскроют в Швейцарии. Там, на Женевском озере, в 2007 году начнет работу крупнейший в мире ускоритель элементарных частиц LHC. Около 6000 ученых участвуют в создании гиганта. Их задача – смоделировать Большой взрыв в миниатюре. В ходе эксперимента они будут сталкивать между собой ядра атомов, разогнанные до гигантских скоростей, то есть обладающие огромными энергиями. Среди родившихся при этом частиц, возможно, будут и вимпы. LHC охотится не только за темной материей. С его помощью физики пытаются создать всеобъемлющую теорию для всех сил и частиц в природе.

     Она должна прийти на смену стандартной модели физики элементарных частиц, которая описывает мельчайшие кирпичики вещества – кварки, электроны, нейтрино – и три из четырех главных сил природы: электромагнитную силу, определяющую взаимодействие электрических зарядов, слабое ядерное взаимодействие, управляющее распадом радиоактивных элементов, и сильное ядерное взаимодействие, которое «склеивает» кварки в протоны и нейтроны.

     Четвертая сила природы, гравитация, в этот ряд не укладывается. С помощью стандартной модели физики элементарных частиц невозможно вычислить около двадцати так называемых свободных параметров гравитации. Поэтому ученые стремятся расширить рамки своих теоретических построений. А вот существование вимпов вполне вписывается в ту версию стандартной модели, которая называется суперсимметрией. В ее рамках можно свести все силы природы к одной первичной и таким образом доказать существование некоего зеркального мира с огромным количеством новых частиц. Там, согласно вычислениям, должно существовать электрически незаряженное нейтралино (не путать с нейтрино!).

     Быть может, нейтралино и есть темная материя? С точки зрения суперсимметрии, эта частица отвечает всем необходимым для кандидата на звание темной материи требованиям – она медленная, тяжелая и неуловимая.

     Нейтралино (если, конечно, они существуют), возникли вскоре после Большого взрыва и теперь составляют большую часть Вселенной. По подсчетам космологов, их полная масса сопоставима с массой невидимой материи. Нейтралино могут оказаться главной составляющей космической головоломки.

     Если эксперименты в горных пещерах и под толщей антарктических льдов не дадут результата, тогда вся надежда на ускорители элементарных частиц. А если и тут физиков постигнет неудача? Тогда придется начинать все сначала – строить новые гипотезы, проводить новые опыты. Не можем же мы вечно оставаться в неведении относительно того, из чего состоит наш мир!

Ян Лублински

«GEO»