Одна из причин, по которой так трудно напрямую обнаружить темную материю, состоит в том, что мы не знаем, что это такое. Но долгое время одним из ведущих кандидатов считались «слабо взаимодействующие массивные частицы» (WIMP), поэтому на попытки их обнаружить были направлены впечатляющие экспериментальные усилия. Недавно в эксперименте по поиску темной материи LUX‑ZEPLIN (LZ) произошло одно провокационное событие. Физик из LZ Дэниел Акериб присоединяется к нам, чтобы поговорить о темной материи и последних данных, статистическая значимость которых невелика, но которые все же интригуют.

Дэниел Акериб получил докторскую степень по физике в Принстонском университете. Сейчас он профессор физики частиц и астрофизики в Национальной ускорительной лаборатории SLAC, а также профессор кафедры физики Стэнфордского университета по дополнительному назначению. Он ищет темную материю с начала 1990-х годов: сначала в рамках Cryogenic Dark Matter Search, а затем в проектах LUX и LUX‑ZEPLIN.

Введение

ведущий: Всем привет. Добро пожаловать в подкаст Mindscape. Я ваш ведущий, Шон Кэрролл. Возможно, вы слышали об этом в новостях. Мы здесь, в Mindscape, обычно не следим за новостями. Мы не бросаемся за каждой срочной новостью, пытаясь рассказать вам о последнем повороте в научных или иных интеллектуальных открытиях. Но иногда стоит слегка изменить правила и сделать что‑то немного иначе. Итак, возможно, вы слышали о пресс‑релизе эксперимента LUX‑ZEPLIN, или просто LZ. Это эксперимент глубоко под землей, где ищут темную материю, ожидая, что изредка частица темной материи попадет в их детектор, столкнется с ядром и оставит сигнал. И вот новый результат: множество экспериментов уже довольно давно занимаются этим, и теперь они увидели событие, которое не могут объяснить. Мы разберемся с этим по двум причинам. Во‑первых, это может быть темная материя, а это было бы очень захватывающе. Сейчас результат совсем не обладает высокой статистической значимостью. Это лишь слабый намек. Совершенно точно не стоит из‑за него слишком волноваться. Но к нему все же стоит отнестись серьезно, верно? В конце концов, это люди, которые знают свое дело. Они приложили все усилия, чтобы опровергнуть интерпретацию этого события как возможного сигнала темной материи. Именно так поступают хорошие экспериментаторы, когда получают странный сигнал, чего‑то не ожидавшегося или потенциально очень захватывающего.

Они действительно приложили много усилий, чтобы понять, не могло ли это быть чем‑то другим. И не смогли выяснить, чем еще это могло бы быть. Хотя событие всего одно, оно все равно заметно выделяется. Поэтому, думаю, стоит разобраться, чем это может быть, почему нас это интересует, и во всем таком. Но есть и другая причина: это хороший урок того, как работает наука. Так на самом деле все и происходит: вы находите что‑то и не знаете, является ли это окончательным ответом или нет. В наше время ходит много ерунды о том, как работает наука, и полезно услышать от настоящего эксперта о процессе, в ходе которого мы собираем данные, затем интерпретируем их и изо всех сил стараемся понять, чем они могут быть, а также о множестве людей, работающих над этим. Окажется ли это действительно темной материей или нет, перед нами первоклассная наука в действии, именно такой, какой она и должна быть. Итак, сегодняшний гость — Дэниел Акериб, физик из SLAC. Мне кажется, SLAC постоянно меняет расшифровку своей аббревиатуры, но раньше это был Стэнфордский линейный ускоритель. Как бы то ни было, это связанная со Стэнфордом лаборатория физики частиц. И Дэна я знаю уже давно. Он давно занимается поисками темной материи.

Как мы еще обсудим, темная материя бывает разных видов, и существуют разные виды поисков. Он и его команды искали WIMP, слабо взаимодействующие массивные частицы. Долгое время WIMP были ведущими теоретическими кандидатами на роль темной материи. Они не единственные, но мы долго искали и пока их не увидели. Это не означает, что их нет. Возможно, они просто пока недосягаемы. Может быть, это первый намек на то, что мы их видим. Мне нравится этот пример настоящей науки: ее тщательности, рассудительности, осторожности, через которые настоящим ученым приходится проходить каждый день. В конце книги нет готовых ответов. Нельзя торопить процесс. Нужно пройти через него и быть внимательными. Так что получат ли они больше точек данных, будет ли больше событий и поймем ли мы, что это темная материя, исчезнет ли этот сигнал когда‑нибудь или окажется просто какой‑то ошибкой — все это возможно. Но мы будем знать, что это хорошая наука, а тем временем многому научимся. Вы, слушатели, будете понимать, что именно нужно осмыслить, когда поступит больше информации как от этого эксперимента, так и от других экспериментов, занимающихся похожими вещами. Итак, начнем.

Что такое темная материя

ведущий: Дэн Акериб, добро пожаловать в подкаст Mindscape.

Дэниел Акериб: Шон, я очень рад быть здесь. Рад тебя видеть.

ведущий: Прошло много времени. Мы с Дэном давно знаем друг друга, еще с тех времен, когда работали в разных учреждениях Среднего Запада, а теперь оказались на разных побережьях. Но приятно снова пообщаться. Ты посвятил жизнь поиску того, чего никто никогда не видел. [смех] Расскажи немного о темной материи. Что это такое? Давай начнем с самого общего. Почему мы думаем, что она существует?

Дэниел Акериб: Да. Хорошо, верно. В самом общем виде: либо мы не понимаем законов гравитации, либо чего‑то не хватает. Простой пример, который я люблю приводить, — Солнечная система. Со времен Кеплера и Исаака Ньютона мы понимаем, как она устроена. Гравитация Солнца удерживает планеты на их круговых орбитах. Внешним планетам требуется гораздо больше времени на оборот, потому что гравитация… Сила гравитации убывает. Там, дальше, она гораздо слабее, и поэтому тела движутся медленнее. Как шар на веревке: можно раскручивать его сильно и быстро, при большом натяжении веревки, или при более слабой, мягкой силе тела будут двигаться медленнее. Примените ту же физику к галактике в целом, к Млечному Пути, — и окажется, что тела движутся слишком быстро для количества вещества, заключенного в звездах. Так что уже около ста лет существует загадка: мы наблюдаем гравитационные силы, которые не можем объяснить массой, которая должна их порождать. По образованию я физик частиц, и в какой‑то момент, скажем примерно в 1980-х или 1990-х, стало понятно, что обычного вещества не хватит, чтобы восполнить разницу: обычная материя, протоны, нейтроны, периодическая таблица, все, что было создано в ускорителе, не может объяснить это недостающее вещество. И это здорово, потому что я, как физик частиц, ухватился за гипотезу, согласно которой для объяснения темной материи должна существовать новая форма вещества. Значит, давайте охотиться за новыми частицами. Это звучит довольно необычно, но в ядерной физике и физике частиц, начиная с 1920-х и 1930-х годов, нередко казалось, что нарушается какой‑нибудь из любимых законов сохранения. Но мы не можем отказаться от этого закона. Давайте придумаем новую частицу. И со временем такие частицы часто обнаруживали. Так что мы работаем в некотором роде в этой традиции. Не будем так легкомысленно отбрасывать законы гравитации. Посмотрим, сможем ли мы найти недостающее вещество.

ведущий: Ты упомянул возможность того, что проблема в гравитации. Давай сразу с этим разберемся. То есть, возможно, это и правда так, как ты сказал, но насколько серьезно ты относишься к этой возможности?

Дэниел Акериб: К возможности изменить законы гравитации?

ведущий: Да.

Дэниел Акериб: Лично я могу просто уклониться от этого вопроса [смех], потому что это не моя область.

ведущий: Верно.

Дэниел Акериб: Я не придумываю новые теории гравитации. Люди работают над новыми теориями гравитации уже 30 лет. Я бы… Ты знаешь об этом гораздо больше, чем я, так что не уверен, что действительно отвечу на твой вопрос.

ведущий: Нет, все в порядке. Наверное, я просто спрашиваю лично тебя: ложишься ли ты вечером спать с мыслью: а что, если темной материи попросту нет?

Дэниел Акериб: Что ж, я и так об этом думаю [смех], потому что мы охотимся уже 30 лет или больше. Когда я переживаю, что ее может не быть, я переживаю не потому, что законы гравитации могут оказаться другими. Но это… Отчасти дело в том, что как ученый ты делаешь ставку исходя из монет в своем кармане, из того, к каким проблемам можешь подступиться. Верно? И, думаю, суть исследований, если позволить себе немного мета‑уровня, в том, что легко откинуться на спинку стула и сказать: «Интересно, из чего состоит все на свете?» Верно? Но это не очень полезно, пока нельзя задать этот вопрос так, чтобы на него можно было ответить с помощью новой теории, измерения, которое можно провести в лаборатории, или наблюдения, которое можно осуществить. Поэтому, думаю, выбор ученых определяется тем, какой вопрос выглядит классным и интересным и могу ли я, с теми инструментами, которые у меня есть, и с теми коллаборациями, в которых участвую, подступиться к нему с пользой.

ведущий: Кстати, если тебе в какой‑то момент захочется выйти на мета‑уровень относительно науки или научного процесса, ты пришел по адресу. Здесь тебе это разрешено. Не чувствуй себя за это виноватым. Но это прямо подводит к следующему вопросу, потому что ты говоришь: «Хорошо, есть новая частица. Давай отложим вопрос гравитации в сторону. Представим, что темная материя — простейшее объяснение». В конце концов, многие частицы трудно увидеть, так что еще одна не такая уж большая просьба. Насколько далеко можно продвинуться в выводах о ней? То есть если темная материя существует в форме, которую мы предполагаем, то мы более или менее знаем, какой она должна быть? Или есть много, много, много разных возможностей?

Дэниел Акериб: Тогда мы обращаемся к нерешенным вопросам физики частиц, которые во многом возникли независимо. Итак, у нас есть Стандартная модель физики частиц. И эксперты, к которым я не отношусь, — я практик, — скажут вам: этот спектр частиц и фундаментальных сил, шесть кварков и лептоны, та‑да‑да‑да, выглядит очень произвольным. В нем задействованы масштабы масс и теории великого объединения, и во многом все выглядит неестественно. Поэтому люди предложили такие теории, как суперсимметрия, и другие, возможно уже вышедшие из моды: давайте исправим это… Давайте получим более фундаментальную теорию, которая выглядела бы естественнее. И мне нравится такая несколько глупая аналогия: представьте, что у нас были бы периодические таблицы элементов со всеми этими закономерностями, потенциалами ионизации, валентностями и всем прочим, но мы бы не знали о квантовой механике. Тогда можно было бы сказать: «О, у нас есть эта интересная структура периодической таблицы, но за ней должно быть что‑то еще. Должна существовать более фундаментальная теория». И открытие квантовой механики объяснило все это, верно? Химия в некотором смысле понимается через законы квантовой механики. Верно? Я понимаю, что эта аналогия не выдерживает строгой проверки, но Стандартная модель физики частиц во многом выглядит произвольной. Так есть ли более глубокая теория, лежащая в основе и проливающая свет на структуру того, что мы наблюдаем? И когда теоретики предлагали различные новые теории, такие как суперсимметрия, техницвет или что угодно еще, они неизменно предсказывали новые частицы. А связь, которую установили, не знаю, более 30 лет назад, была такой: «О, астрофизики и космологи ищут эту недостающую массу, а физики частиц ищут такие фундаментальные объяснения Стандартной модели, и, похоже, они указывают в одном направлении. Нам стоит начать поиски».

Дэниел Акериб: И это не единственный вариант. В теории сильных взаимодействий, то есть сильного взаимодействия, которое удерживает ядро вместе, были фундаментальные симметрии, которые, казалось, не нарушались, хотя, казалось, должны были нарушаться. Поэтому для решения проблемы сильного CP‑нарушения была предложена теория. Это сделали Хелен Куинн и Роберто Печчеи: они предложили новую симметрию, а она привела к предсказанию еще одной частицы, называемой аксионом. Аксион ведет себя совсем иначе, чем частица, которую ищем мы, то есть WIMP, слабо взаимодействующая массивная частица. Это может быть суперсимметричное расширение Стандартной модели. Другие ищут аксионы, которые проявлялись бы в детекторах совершенно иначе. Они были бы волнообразными. Уверен, мы еще подробно это обсудим. Мы ищем рассеяния по типу столкновений бильярдных шаров. Они пытаются настроиться на радиостанцию аксионов. Так что есть разные подсказки из физики частиц, за которыми мы следили. Примерно, не знаю, 10 или 15 лет назад, когда мы проводили эти поиски, а природа все еще не поддавалась нашим экспериментам, возникли новые идеи. Вместо того чтобы руководствоваться только нерешенными открытыми вопросами физики частиц, которые могли предсказывать частицы, способные быть темной материей, этот вопрос настолько фундаментален, а наши искатели аксионов и WIMP‑искатели делают чудесную работу, но природа пока не поддалась. Поэтому давайте расширим портфель и немного изменим вопрос: есть ли что‑то, что не запрещено — я правильно сформулировал двойное отрицание? — физикой частиц и при этом могло бы давать темную материю?

ведущий: Да.

Дэниел Акериб: Верно. Так что давайте расширять портфель и в этом направлении. Так возникло целое направление, называемое темным сектором; в нем могут быть темные фотоны и так далее. Это совершенно открытая область. Есть, не знаю, 30 порядков величины по массе для разных частиц, которые физики могут вообразить, которые можно было бы обнаружить или получить в ускорителях и так далее, пытаясь подобраться к этой по‑настоящему фундаментальной проблеме.

ведущий: И, к лучшему или к худшему, для разных видов частиц, судя по всему, требуются разные экспериментальные стратегии.

Дэниел Акериб: Безусловно. [смех] Верно. И когда предлагались эти теоретические идеи, конечно, они не возникали в вакууме. Было так: «О, это можно искать в эксперименте с поглотителем пучка. Это можно исследовать в CERN в столкновениях высоких энергий», и так далее, верно.

ведущий: И снова, для слушателей, которые, возможно, слышали кое‑что об этих модных словечках: есть WIMP, как ты упомянул, слабо взаимодействующие массивные частицы. Ты также вскользь упомянул суперсимметрию как идею, которая может иметь к ним какое‑то отношение. Так WIMP — часть суперсимметрии или как‑то с ней связаны?

Дэниел Акериб: Как охотники за WIMP, мы можем быть в некоторой степени независимы от конкретной теории, верно? Мы были бы чувствительны к любой частице, которая могла возникнуть при Большом взрыве и взаимодействует с обычным веществом. Полезно иметь конкретные цели. Поэтому мы… Когда мы проводим эксперимент и исключаем некоторую область пространства параметров, мы можем сказать: определенная область пространства параметров суперсимметрических моделей, по‑видимому, не объясняет темную материю. Но остается множество неисследованных порядков величины. Так что есть модели, на которые можно охотиться. Это способ связать наши поиски с другими методами. То, чем занимаемся мы, называется прямым детектированием. Это WIMP непосредственно рассеивается на ядре в нашем детекторе и оставляет характерный сигнал. WIMP могут также собираться в крупных гравитирующих телах, в центрах звезд, в центре галактики; WIMP и анти‑WIMP могут аннигилировать и порождать гамма‑сигнал или иной сигнал. Поэтому, формулируя все в терминах конкретных моделей, мы можем сопоставлять и сравнивать наши результаты с другими методами поиска темной материи, с поисками суперсимметрии на коллайдерах, например в Фермилабе, а теперь и на БАК. Тогда они говорят: «Мы видим или не видим эту модель. Может, вы наблюдаете нечто с ней связанное?»

ведущий: И, кажется, ты упомянул что‑то около 30 лет. То есть ты, все сообщество, очень давно этим занимаетесь. Было ли ощущение, что мы уже должны были это увидеть? Нас немного удивляет, что этого до сих пор нет?

Дэниел Акериб: Да. Если вернуться, полагаю, в 1990-е, когда суперсимметрия была… она была уже совсем близко. Считалось, что это очень естественное объяснение этих вопросов физики частиц. Для природы это была бы такая удачная возможность выбрать суперсимметрию в ранней Вселенной и породить темную материю, которую мы теперь могли бы обнаружить. Считалось, что это очень естественный масштаб для рождения темной материи. В поисках WIMP мы охватили, не знаю, семь или восемь порядков величины. Вероятно, сейчас мы добрались до режимов, где знатоки сказали бы: «Ну, если бы это было естественно, оно уже как‑то проявилось бы», верно? И, думаю, отчасти поэтому люди 10 или 15 лет назад начали всерьез вкладывать время в мысль: давайте… «Она все еще может быть там, и мы продвигаемся вперед, но, может быть, природа выбрала не это. Так что давайте расширим портфель». Думаю, для научного сообщества это очень естественная реакция: «Давайте расширим портфель. Продолжим искать, но расширим портфель».

ведущий: Значит, идея WIMP как кандидата на темную материю все еще жива и вполне здорова, но то, что мы пока их не нашли, не привело к отчаянию. Это привело к мысли: давайте подумаем, чем еще она может быть, потому что теоретических возможностей предостаточно.

Дэниел Акериб: Совершенно верно. Да. Да.

ведущий: Но ты работаешь в мире WIMP. Именно их ты ищешь.

Дэниел Акериб: Я работаю в мире WIMP. Верно. Верно.

ведущий: И как ты это делаешь?

[смех]

Поиск WIMP в эксперименте LZ

Дэниел Акериб: Как мы ищем или почему я…

ведущий: Как вы ищете? Как устроен эксперимент?

Дэниел Акериб: Отлично. Верно. Я человек простой, Шон. [смех] Рассеяние при столкновении бильярдных шаров — очень простая концепция. Поэтому наш детектор состоит из многих, многих, многих, примерно десяти тонн, если угодно, ксеноновых бильярдных шаров, сконденсированных в жидкость. Итак…

ведущий: Извини. Когда ты говоришь «ксеноновые бильярдные шары», ты имеешь в виду настоящие, отдельные атомы?

Дэниел Акериб: Я имею в виду ксенон… Настоящие атомы ксенона, и в контексте эксперимента мы будем думать о них как о микроскопических бильярдных шарах. Темная материя… Ее взаимодействия очень редки, поэтому нужно поставить на ее пути как можно больше оснащенного средствами регистрации вещества мишени в надежде, что темная материя пройдет через детектор. Чем больше масса детектора, тем выше шанс, что частица темной материи попадет в ядро ксенона. Это ядро ксенона испытает отдачу и оставит характерный сигнал. Итак, нынешний эксперимент, который мы проводим, LUX‑ZEPLIN, или LZ, в Южной Дакоте, собирает данные с… Не помню, когда мы начали собирать данные? С 2023 года. Его внутренняя камера содержит семь тонн жидкого ксенона. Представьте себе титановый сосуд диаметром около полутора метров и высотой около полутора метров, заполненный этим сжиженным ксеноном. Его температура составляет около минус 100 градусов Цельсия.

ведущий: Хорошо.

Дэниел Акериб: Его легко охлаждать жидким азотом, который можно просто приобрести для промышленных нужд. Этот ксенон примерно в три раза плотнее воды. Когда частицы взаимодействуют с ним, возникают небольшие вспышки света, а часть ксенона ионизируется. Так освобождаются электроны. С помощью специальной системы электродов мы можем дрейфовать эти электроны и извлекать их в газовую фазу над поверхностью жидкости. При первом взаимодействии мы получаем сцинтилляционный свет, то есть световой и зарядовый сигналы. Заряд превращается во второй световой сигнал. Регистрируя эти световые сигналы массивами фотоумножительных трубок, мы можем для каждого события установить, что произошло в детекторе и где. Измеряя эти два сигнала по отдельности, мы можем кое‑что узнать о том, частица какого типа могла провзаимодействовать. Большинство взаимодействий вполне обыденны: остаточная радиоактивность в окружении эксперимента, фоновые нейтроны от радиоактивности, которые могут рассеиваться несколько раз или оставлять сигналы в других частях нашей детекторной системы.

Итак, все это — попытка найти иголку в стоге сена: очень слабый сигнал неизвестной силы на фоне огромного числа фоновых событий. Мы разместили эксперимент на глубине одной мили в бывшем золотом руднике в Южной Дакоте. Мы окружаем его восемью метрами очищенной воды. У нас есть дополнительные детекторы снаружи этого титанового бака, чтобы отслеживать остаточный фон: гамма‑лучи от радиоактивности, нейтроны и так далее. Затем и внутри ксенонового бака мы можем точно установить, где произошло событие. При диаметре в полтора метра мы можем определить место события с точностью до нескольких миллиметров. Если оно произошло возле краев этого бака, скажем, во внешних 10 сантиметрах ксенона, то мы можем сказать: ага, слишком велика вероятность, что причина в радиоактивности. Поэтому мы сосредоточим поиск темной материи только на внутренних четырех или пяти тоннах, а внешнюю тонну или две используем как щит, как активный щит. Так мы пытаемся создать внутреннее святилище, очень тихое с точки зрения радиоактивности, проникновения излучения и так далее. А затем ждем и ищем особый сигнал.

ведущий: Хочу лишь заметить: когда ты говоришь «семь тонн ксенона», мое воображение рисует что‑то размером с дом, а тут всего около метра в поперечнике. Это не так уж много. [смех]

Дэниел Акериб: Да. Верно. Можно примерно вытянуть руки в стороны и коснуться краев детектора.

ведущий: Какую долю мирового запаса ксенона вы используете?

[смех]

Дэниел Акериб: Да. Итак, ежегодно во всем мире производят от 60 до 100 тонн ксенона. Мы используем десятую часть мирового производства. Мы закупали его в течение нескольких лет. Надо покупать так, чтобы не взвинтить цену: в зависимости от промышленного применения он может быть дорогим. Примерно один атом из 10 миллионов атомов в атмосфере — атом ксенона. Поэтому для промышленных нужд сжижают огромные объемы воздуха и дистилляцией выделяют благородные газы: ксенон, криптон и, кажется, неон тоже получают дистилляцией.

ведущий: Я знаю, что сейчас в мире есть проблемы с цепочками поставок. Нужно ли вам беспокоиться о поставщике ксенона?

Дэниел Акериб: Пока все в порядке. То есть ксенон покупают один раз и берегут. У вас есть все эти резервные системы, так что, если вы лишитесь охлаждения и ксенон начнет кипеть, вы включите резервные генераторы. Вы делаете все, чтобы никогда не выпустить его обратно в атмосферу. И…

ведущий: Но он не портится.

Дэниел Акериб: Он не портится. Нет‑нет‑нет. Он не расходуется. Да.

ведущий: Итак, у вас есть эта емкость с ксеноном размером примерно полтора метра. Вы защитили ее, скажем, слоями экранирования. Вы поместили ее на глубину мили, что само по себе поразительно, но у этого тоже есть история. Расскажи об идее размещать физические лаборатории под землей.

Дэниел Акериб: Да, да. Итак, думаю, один из первых таких экспериментов провел человек по имени Рэй Дэвис, интересовавшийся регистрацией солнечных нейтрино. И я думаю, не знаю, какой была исходная мотивация. Может быть, просто проверить стандартную модель Солнца. Итак, ядерные взаимодействия на Солнце производят более тяжелые элементы: протоны сливаются, образуя тяжелые изотопы водорода и гелия. Эти взаимодействия порождают нейтрино, то есть частицы с очень слабым взаимодействием. В некотором смысле их можно считать весьма похожими на WIMP, только они очень легкие. Поэтому Рэй решил построить большой эксперимент, рассчитал, какая масса мишени ему потребуется. И это было… Не знаю, было ли это… Чисел я не помню, но много тонн хлора в какой‑то жидкой форме. Кажется, это была жидкость для химчистки. Думаю, это был дешевый промышленный способ купить хлор. [смех] И он разместил эксперимент, на самом деле в той же пещере, где мы работаем сегодня. Теперь она называется пещерой Дэвиса.

ведущий: О, здорово.

Дэниел Акериб: Перенесемся вперед: Рэй весьма успешно регистрировал солнечные нейтрино, но обнаружил большую загадку. Он зарегистрировал лишь треть количества, предсказанного стандартной моделью Солнца. А способ, которым он собирал… то есть измерял частоту, был таким: если на Земле у вас есть радиоактивный кусок материала, он может претерпевать бета‑распад. Нейтрон в ядре превращается в протон, испуская электрон и нейтрино. Рэй использовал обратный процесс. В его детекторе были атомы хлора. Они поглощали нейтрино от Солнца. Нейтрон превращался в протон. Это означало, что атом хлора, благополучно находившийся в какой‑то молекуле жидкости для химчистки, превращался в атом аргона — благородного газа, который в некотором смысле внезапно освобождался из молекулы, частью которой был. И каждый месяц Рэй мог извлечь из этой огромной цистерны жидкости для химчистки с десяток или около того атомов аргона. Но он обнаруживал лишь примерно треть от числа, предсказанного солнечной моделью. Так что это само по себе стало большой загадкой, верно? Все говорили: «Рэй, может, ты не понимаешь свой детектор. Может, ты теряешь часть из своих десяти атомов аргона в месяц», или сколько их там было. Рэй твердо стоял на своем. Он не сдавался.

В конце концов эксперимент SNO в Садбери использовал иной метод измерения солнечных нейтрино и обнаружил нейтрино, которых не хватало в эксперименте Рэя: Солнце их производило, но по пути они меняли аромат, и детектор Рэя не был к ним чувствителен. Вместе эти эксперименты показали, что у нейтрино есть аромат и что они меняют аромат, путешествуя от Солнца. Это целая самостоятельная область. Сейчас мы проводим крупные эксперименты, чтобы изучать, как нейтрино меняют аромат. Поэтому это, возможно, был первый большой, успешный, новаторский подземный эксперимент. А Рэй проводил свой эксперимент под землей потому, что космические лучи — это высокоэнергетические частицы из космоса. Может быть, из остатков сверхновых, и так далее. Они создают на поверхности огромное количество высокоэнергетического излучения. Если вы хотите провести очень чувствительный эксперимент, чтобы искать очень редкие процессы, на поверхности этого делать не стоит. Это все равно что заниматься астрономией днем. Да, днем звезды светят, но рассеянного солнечного света очень много. Поэтому астрономией лучше заниматься ночью. Для нас аналог такой: давайте… давайте проводить измерения глубоко под землей, где мы защищены или, по крайней мере, где эта миля толщи земли экранирует некоторые фоны, а именно космические лучи.

ведущий: И мне нравится, что это в шахте, потому что физика недешева. Она стоит больших денег, и мы тратим на нее большие деньги, но, думаю, люди не понимают, насколько физики стараются сэкономить, когда это возможно. Ведь можно было бы построить подземную лабораторию, выкопать ее самим, но вы говорите: «Нет, это стоит денег». [смех]

Дэниел Акериб: Именно. Именно. Мы бережливы. И в науке всегда больше хороших идей, которые стоило бы реализовать, чем средств на их реализацию. Поэтому естественно идет конкуренция идей за финансирование и так далее. Это совершенно другая тема. Но да, это было уже имеющееся свободное пространство, верно?

ведущий: Да. Расскажи немного об истории поисков темной материи. Ты упомянул 30 лет, но ваш эксперимент работает не так долго. Были ли предыдущие эксперименты, на которые вы опираетесь? Это то же самое, только поменьше, или технологии меняются?

Развитие экспериментов по поиску WIMP

Дэниел Акериб: Конечно, технологии со временем менялись. И прежде чем физики начали искать редкий процесс взаимодействия темной материи, они искали другой редкий процесс, называемый безнейтринным двойным бета‑распадом. Мы уже немного говорили о том, что нейтрон распадается на протон, порождая нейтрино и электроны. Есть еще не открытый процесс, который называется безнейтринным двойным бета‑распадом. Позволь вернуться на секунду назад… Дело в том, что в природе есть определенные изотопы, которым запрещен одиночный бета‑распад, поскольку при этом они должны были бы распасться в более тяжелое ядро. А это не допускается законом сохранения энергии. Энергия и масса эквивалентны: . Поэтому объект с данной массой не может распасться на нечто более тяжелое, поскольку это нарушило бы закон сохранения энергии. Так что некоторые ядра, германий — один из примеров, германий-76, не могут испытывать одиночный бета‑распад. Но, если сделать двойной скачок, они могут испытать двухнейтринный бета‑распад и превратиться в более легкое ядро.

Дэниел Акериб: Это допускается законом сохранения энергии и Стандартной моделью, и так далее. У ксенона, что интересно, тоже есть ядро, способное к двойному бета‑распаду. И и германий, и ксенон оказались хорошими материалами для создания очень чувствительных детекторов. Поэтому примерно тогда, когда поиск темной материи в форме WIMP начал становиться отдельным направлением, физики уже использовали детекторы из германия для поиска этого процесса двойного бета‑распада. Так что первые эксперименты по поиску темной материи по сути приспособили под себя эксперименты по двойному бета‑распаду германия. Вместо поиска этого сигнала у конечной точки бета‑распада они решили: «Что ж, давайте перенастроим это. Мы ожидаем, что взаимодействия WIMP будут редкими, как и двойной бета‑распад. Так что замечательно: вы уже построили эксперименты глубоко под землей, экранированные, с очень чувствительными детекторами и низкой радиоактивностью. Это почти именно то, что нам нужно, только вы ищете в области, в наших единицах энергии, двух МэВ, а нам нужны сигналы с энергией примерно, не знаю, в 100 раз ниже. Мы хотим искать в масштабе 10 кэВ». Поэтому электронику, систему считывания перенастроили на поиск с ультранизким порогом. И несколько экспериментов по двойному бета‑распаду стали первыми экспериментами по поиску темной материи. И это было…

ведущий: Хорошо. Теперь все совершенно понятно. Я этого и правда не знал. Это очень полезно. [смех] Итак, ты работаешь в эксперименте LUX‑ZEPLIN. Расскажи немного о нем, потому что мы знаем… Все слышали истории о том, что в экспериментах на Большом адронном коллайдере участвуют 5 000 человек. Я никогда не работал в таких больших коллаборациях. А как у вас?

Дэниел Акериб: К тому времени, когда я начал заниматься поисками темной материи, я уже работал в эксперименте под названием CLEO. Это были электрон‑позитронные столкновения на ускорителе в Корнелле. Когда я пришел, в нем работало примерно 100 человек. А через два года их стало около 200. Не знаю, изучал ли это кто‑нибудь, но число совещаний, похоже, зависит от [смех] не знаю, логарифма, квадратного корня или еще чего‑то от числа участников коллаборации.

ведущий: Может, линейно.

Дэниел Акериб: И мне просто казалось… Да. И мне просто казалось: вот это да, похоже, я провожу в лаборатории все меньше времени, а на совещаниях — все больше. Поэтому такой способ работы приносил мне все меньше удовлетворения. И по личным причинам я был… хотел переехать на Западное побережье. Я огляделся, чтобы понять, чем интересным можно заняться. И нашел группу, которая искала темную материю. И, надо же, в ней было всего три учреждения и около 30 человек. При этом они все еще искали нечто, что могло привести к фундаментальному открытию в физике частиц. Поэтому с социологической точки зрения это стало для меня очень привлекательным. Я присоединился к этой группе, которая только что участвовала в этих экспериментах, где германиевые детекторы для двойного бета‑распада перепрофилировали для поиска темной материи. А затем они запускали новый тип детектора, который работает до сих пор в коллаборации, теперь называемой SuperCDMS. Тогда это был CDMS I, криогенный поиск темной материи (Cryogenic Dark Matter Search). В нем использовались германиевые шайбы, охлажденные до сверхнизких температур, чтобы искать в макроскопическом куске вещества повышение температуры…

То есть повышение температуры прибора из‑за взаимодействия с одной частицей. Верно. Так что я работал в рамках этой программы около 15 лет, и мы сильно продвинулись. В течение этого периода мы много раз были мировыми лидерами в поиске WIMP. Мы проводили более чувствительные и длительные экспозиции, чем любая другая команда. Но примерно в 2007 году стала появляться новая технология: команды, разрабатывавшие жидкоксеноновые детекторы для гамма‑астрономии, а также для поиска темной материи, начали понимать, что такие детекторы можно использовать для поиска темной материи. Первые запущенные детекторы, думаю, имели массу порядка 10 килограммов. Мы приближались к такой массе в наших германиевых устройствах при милли‑кельвинных температурах. Но когда начали появляться XENON10 и, кажется… это был ZEPLIN‑II или ZEPLIN‑III, эти детекторы, по сути, оставили нас далеко позади, потому что они тоже позволяли создавать детекторы с очень низкой собственной радиоактивностью. И, похоже, они замечательно хорошо регистрировали сигналы очень малых энергий. В сущности, в 2007 году у XENON10 поиск темной материи оказался более чувствительным, чем в этих германиевых экспериментах. А я, не изобретатель технологий, а их пользователь, подумал: пора менять технологию.

ведущий: Ага. Вот и все.

Дэниел Акериб: Верно. И последние 15 лет именно жидкоксеноновые детекторы лидируют. Существовало три основных коллаборации. LUX и ZEPLIN объединились, образовав LZ. Программа XENON, которая эксплуатирует детекторы в лаборатории Гран‑Сассо примерно в часе езды от Рима, и PandaX — китайская коллаборация, эксплуатирующая детекторы в Китае. Эти три коллаборации со временем, можно сказать, обгоняли друг друга. Думаю, каждая из них в какой‑то момент заявляла, что провела самый чувствительный в мире поиск темной материи с данной экспозицией. И это здорово, потому что дело не столько в стремлении провести самую долгую экспозицию и ничего не увидеть, сколько в том, что теперь можно сказать: о, следующие шесть месяцев наших данных будут чувствительнее всего, что было получено до сих пор. А значит, финансирующее агентство, у нас есть потенциал для открытия. Верно? То есть, если темная материя в форме WIMP была уже совсем близко, именно мы могли бы первыми увидеть ее проблеск.

ведущий: И теперь вы ее нашли, верно?

Слабый намек на темную материю

Дэниел Акериб: Боже мой. [смех] Мы увидели первый слабый намек на, возможно, что‑то, но пока не знаем, что это за что‑то. Это…

ведущий: Расскажи о новом событии, из‑за которого весь этот шум…

Дэниел Акериб: Да. Боже мой. Да‑да. Дайте мне перевести дух. [смех]

ведущий: Пожалуйста.

Дэниел Акериб: Существовала теоретическая предвзятость, согласно которой WIMP должны были порождать эти события при очень низких энергиях. Примерно десять лет назад теоретики сказали: давайте посмотрим, нельзя ли построить более общий набор моделей, которые также заставили бы нас искать в строящихся экспериментах другие места и другими способами. Для меня все это просто модные словечки. Я знаю, что для вас они значат больше, чем для меня. [смех] Итак, эффективные теории поля и нерелятивистские эффективные теории поля, по сути, ставили вопрос: каким наиболее общим образом WIMP могут взаимодействовать с ядрами ксенона, германия и так далее? Это привело к появлению различных типов спектров отдачи. Мы исходим из того, что WIMP рассеивается на ядре. У WIMP есть собственное распределение скоростей в гало Млечного Пути. Они находятся в некотором гравитационном потенциале. Поэтому, подобно тому как Солнце и Солнечная система обращаются вокруг центра галактики, каждая отдельная частица WIMP движется по собственной круговой орбите вокруг центра галактики. Таким образом, есть распределение скоростей. Но тогда возникает вопрос: как WIMP взаимодействуют с ядрами? Если рассматривать самый простой вариант — рассеяние как столкновение бильярдных шаров, — то даже простые расчеты, которые я могу понять, [смех] показывают, что энергетический спектр WIMP выглядел бы как убывающая экспонента.

ведущий: Ладно, погодите. Я не знаю, что такое энергетический спектр.

Дэниел Акериб: Хорошо. Если бы вы…

ведущий: То есть я знаю, но давайте предположим, что не знаю.

Дэниел Акериб: Да, верно. Если бы вы измерили в своем детекторе 100 отдач от WIMP и измерили энергию каждой из этих отдач, вы бы построили график числа событий в зависимости от энергии. И если бы вы взяли логарифм числа событий в каждом энергетическом интервале, то получили бы убывающую… убывающую прямую. Если же логарифм не брать, получился бы экспоненциальный спад.

ведущий: Верно.

Дэниел Акериб: Хорошо. Итак…

ведущий: То есть… Но я хотел сказать, что спектр относится не к одному событию. У одного события нет спектра. Спектр — это…

Дэниел Акериб: Совершенно верно. Да.

ведущий: Гистограмма всех событий…

Дэниел Акериб: Всех событий…

ведущий: Потому что их получается так много. Да.

Дэниел Акериб: Верно. Будем надеяться. Верно. Итак, теоретики сказали, что нужно смотреть более широко. Не ограничиваться этим низкоэнергетическим режимом. Более общие способы, которыми WIMP могут взаимодействовать с ксеноновым детектором… с ядрами ксенона в вашем детекторе, показывают, что существуют другие модели, другие типы связи, в которых, если учесть зависимость от скорости, спин и тому подобное, можно получить события при существенно более высоких энергиях. В наших естественных единицах мы используем кэВ, килоэлектронвольты. Мы рассматривали область порядка 10 кэВ, и теперь уже некоторое время у нас есть основания исследовать диапазон до нескольких сотен кэВ. В нашем эксперименте мы формируем аналитические группы. У нас есть группа низкоэнергетических ядерных отдач, группа высокоэнергетических ядерных отдач, группа низкоэнергетических электронных отдач и так далее. [смех] Потому что в каждой такой группе вы говорите: «Вот модель… модель сигнала, которую мы хотим изучать. Вот характерные фоны, о которых нам придется беспокоиться, чтобы увидеть сигнал. Вот конкретные калибровки, которые нам придется провести, чтобы откалибровать детектор в этом диапазоне», и так далее. Так что это почти как четыре эксперимента, встроенные в один‑единственный эксперимент.

ведущий: Хорошо.

Дэниел Акериб: Ранее мы устанавливали ограничения в этих поисках вплоть до нескольких сотен кэВ — это примерно предел нашей калибровки. На более высоких энергиях по практическим причинам калибровку проводить трудно. Вероятно, прямо сейчас кто‑то думает, как улучшить это. В наборе данных, который мы накопили в 2023 и 2024 годах, команда, искавшая высокоэнергетические ядерные отдачи, обнаружила событие. Оно находилось точно на полосе ядерных отдач, которую мы откалибровали, поднося к детектору источники нейтронов. И оно было достаточно далеко от остаточных фонов радиоактивности, порождающих так называемые электронные отдачи. Кроме того, при поиске редкого процесса нужно думать не только об отдельных событиях, которые могут имитировать искомое, но и о том, не бывает ли таких стечений обстоятельств, когда [смех] два события приходят в детектор с наложением, и, возможно, одно из них произошло у края детектора и потеряло часть заряда или света, или что‑то еще, а эти события, сами того не ведая, по чистой случайности заполнили бы полосу ядерных отдач. Верно? Поэтому мы должны допускать все эти возможности, и все эти фоны были тщательно изучены. И в конце концов…

ведущий: Я тоже хочу… Позвольте мне только…

Дэниел Акериб: Конечно.

ведущий: Подчеркнуть то, что вы очень быстро упомянули: вы приносите источник нейтронов к эксперименту, а затем убираете его. И, по сути, проверяете: «Детектируем ли мы его, когда точно знаем, что события действительно происходят?»

Дэниел Акериб: Именно так. Именно так. Мы не можем принести тестовый пучок WIMP, потому что такого не существует. Но мы можем принести… Ведь наша теоретическая установка состоит в том, что WIMP будут рассеиваться на ядре в детекторе. Это большая тяжелая мишень. Лежащая в основе квантовая механика говорит: «Вот сигнал, который нужно искать. Это заложено в нашей модели сигнала». Отдача ядра в детекторе оставляет очень характерный след. Чтобы продемонстрировать, что мы понимаем этот след, мы подносим источник нейтронов. Это может быть пучок нейтронов, созданный прибором под названием DD‑генератор, или источник деления — радиоактивный изотоп, испускающий нейтроны, или так называемый альфа‑n-источник, испускающий альфа‑частицы… В общем, в нашем наборе инструментов есть все это. Мы достаем источник нейтронов из хранилища и подносим его к эксперименту. Поскольку нейтроны — нейтральные частицы, они не создают эти электронные отдачи, которые являются фоном, но рассеиваются на ядрах ксенона, подобно бильярдным шарам. Так мы получаем возможность калибровать отклик детектора. И, по сути, это очерчивает область в пространстве наших измеряемых величин, говоря: именно здесь следует искать ядерную отдачу.

ведущий: Верно. И чтобы слушатели понимали: дело не в том, что события почти никогда не наблюдаются, — вы постоянно видите самые разные события.

Дэниел Акериб: Верно.

ведущий: И вы пытаетесь выделить те, что выглядят странно.

Дэниел Акериб: Мы пытаемся выделить события вдали от краев. Мы пытаемся выделить события, согласующиеся с ядерной отдачей, события с нужным отношением первичного сцинтилляционного сигнала к вторичному, потому что это… Отношение этих двух сигналов — характерная для нас сигнатура. При электронных отдачах, когда гамма‑квант попадает в детектор и рассеивается, возникает определенное отношение заряда к свету. При ядерных отдачах отношение заряда к свету ниже. Это наша сигнатура. И мы можем картировать этот отклик, используя нейтронные калибровочные источники.

ведущий: Хорошо, отлично. Простите, что перебил. Кажется, вы говорили, что теоретики вдохновили вас искать другие виды сигналов и что именно это, возможно, привело к нынешнему ажиотажу.

Дэниел Акериб: Да. Да. Мы обнаружили событие в этом, скажем, высокоэнергетическом диапазоне и не смогли объяснить его ни одним из рассматривавшихся нами фонов. За этим стоит множество раздумий и накопленного опыта, которые говорили: «Вот все способы, какие мы смогли придумать, при которых может возникнуть такое сочетание обстоятельств: случайное совпадение двух наложившихся событий, смещающееся из области фона в область сигнала».

ведущий: И самому событию уже два‑три года.

Дэниел Акериб: Оно произошло в 2023 году. Мы даже шутили, что нужно выяснить, кто тогда дежурил [смех], и подарить им футболки с надписью: «Я был на смене». И вся футболка — только эта надпись: «Я был на смене».

[смех]

ведущий: В чем же особенность этого события? Сформулируйте суть.

Дэниел Акериб: Оно согласуется с темной материей.

ведущий: Понятно.

Дэниел Акериб: И не согласуется ни с одним известным фоном. Но одного события недостаточно, чтобы на нем строить выводы, верно? Поэтому вы проводите статистический анализ и требуете строгого статистического учета фонов, сигнала, ожидаемых и смоделированных величин и так далее. И… Я просто приведу формулировку из статьи: глобальная значимость этого наблюдения составила , что ниже порога для намека, свидетельства, открытия и так далее… , , . Насколько серьезно следует к этому отнестись? Причина в том, что в одном из 100 экспериментов возникнет флуктуация на уровне . А физики частиц проводят сотни экспериментов в год. Верно? То есть по всему сообществу. Поэтому, когда сообщество говорит: «У меня результат на уровне », вы отвечаете: «Ну, это мило».

ведущий: Да. [смех]

Дэниел Акериб: Соберите больше данных. [смех] Потому что, возможно, каждому из нас следует считать…

ведущий: В психологии это было бы огромным достижением.

Дэниел Акериб: Верно. Нет, каждый из нас должен считать, что наш результат на уровне или ниже может оказаться просто флуктуацией. Многое исчезало как флуктуация при более тщательной проверке. И могут существовать фоны, о которых мы еще не подумали и которые пока не смоделировали. Поэтому набор дополнительных данных даст нам не только больше статистики; есть еще фоны, которые, возможно, сложились таким образом, если мы неверно оценили их уровень или что‑то в этом роде, или если есть иной способ, каким эти фоны могли объединиться; может быть, нам «не повезло», и они попали точно на полосу ядерных отдач, а мы устроили весь этот шум зря. Дополнительные события такого класса ничего не знают об этой очень узкой особой полосе ядерных отдач.

ведущий: Конечно.

Дэниел Акериб: Так что они могут усеять другие части этого распределения.

ведущий: Хорошо.

Дэниел Акериб: Верно? И это научило бы нас: «Ладно, ребята, мы воодушевились, но, похоже, это что‑то обыденное. О полосе ядерных отдач оно ничего не знало. Теперь давайте попробуем понять, какой фон мы упустили». Потому что при любом будущем анализе нам хочется заранее устранить этот фон, верно? Итак, одна возможность такова: мы увидим больше событий, но не там, где нужно. Отбой, успокаиваемся, верно? Хорошо. С другой стороны, мы могли бы увидеть больше событий, лежащих точно на этой полосе, и тогда это было бы… охренеть в квадрате. Верно? Или можем больше ничего не увидеть. Больше ничего может и не быть. Это так и останется загадкой, точка. Верно? Такое уже случалось.

ведущий: Чтобы слушатели могли это представить: попробую добавить его в примечания к выпуску, если не забуду, но этот график довольно красноречив, верно? Хотя событие всего одно, у вас есть график, и на нем видны все фоновые события. По ним очень ясно, как выглядит фон. А потом есть одна эта маленькая зараза, далеко от всего остального.

Дэниел Акериб: Да, там большое размытое пятно, затем пустое белое пространство, а затем это событие. Смотришь — и это привлекает внимание. Да.

ведущий: У тебя есть любимая гипотеза? Если это фон, то есть не нейтрино — о них мы знаем и уже разобрались бы с ними, — есть ли у тебя догадка, чем это могло бы быть?

Дэниел Акериб: Нет.

ведущий: Нет. Именно это и делает все интересным. Да.

Дэниел Акериб: Вот что делает это… Ведь мы приложили к этому немало умственных усилий. Провели много исследований. Отчасти… Кстати, если бы мы ничего не увидели, мы все равно опубликовали бы этот результат. Мы, возможно, не выпустили бы пресс‑релиз, но каждый новый нулевой результат мы публикуем. Так что, конечно, раз мы определили этот набор как интересный и увидели нечто, мы непременно это опубликуем. Пусть информация будет доступна. Есть и другие эксперименты: XENONnT и PandaX. Это наверняка побудит их поискать в своих данных, если они еще этого не сделали, или, возможно, они уже проводят собственный анализ. Так что посмотрим, увидят ли они что‑нибудь.

ведущий: Одна из забавных вещей, которые я узнал, общаясь с ребятами из LIGO после обнаружения ими своего сигнала, заключается в том, что они изо всех сил пытались обмануть самих себя. Они внедряли в конвейер фальшивые данные и смотрели на них. Вы делаете что‑то подобное?

Дэниел Акериб: Мы проводим процедуру, которую называем «подсаливанием». То есть… Можно провести слепой анализ, а можно «подсолить» данные. [смех] Думаю, вашим слушателям знакома идея исследования лекарственного препарата. Вы проводите двойное слепое исследование. Есть действующее лекарство и плацебо. Ни пациенты, ни врачи не знают, кто из участников получает действующее вещество, а кто плацебо, чтобы можно было подойти к результатам настолько непредвзято, насколько возможно.

ведущий: Да.

Дэниел Акериб: Верно. Мы любим делать свою версию этого. Мы можем скрыть от себя сигнальную область и принять все решения, необходимые для того, чтобы момент раскрытия данных не оказался подвержен смещению. Пока вы принимаете все эти решения, можно работать вслепую: у вас есть калибровка, боковые области, все эти исследования, которые можно проводить, и все эти… Вы принимаете окончательные решения: «Вот так выглядит сигнал: если он появится, то появится, а если нет — то нет». Другое, что можно сделать, — это подсаливание. Небольшая рабочая группа внутри нашей коллаборации может подмешать в данные искусственно созданные события, которые для всех остальных будут выглядеть как сигнальные. И только после того, как аналитики сделают все, что собирались сделать для поиска сигнала в данных, вы даете им ключевые параметры, чтобы проверить: это подмешанные события или настоящие? И вот у нас было совещание по физическому анализу, на котором основная группа анализа выдержала сотню вопросов от остальной коллаборации: «Вы это проверили? Вы посмотрели на то? А как насчет этого распределения?» Бла‑бла‑бла‑бла‑бла. Ладно, закончили. Все удовлетворены тем, что мы сделали все возможное. Теперь пора снять соль с данных. Итак, барабанная дробь, снимаем соль. [смех] Это не было подмешанным событием. Точка на графике не была подмешанным событием. Правда, нас не вполне устраивает, как было проведено подсаливание для этого результата, поэтому мы не придавали ему большого значения в данном анализе.

ведущий: Хорошо.

Дэниел Акериб: Отчасти дело просто в том, в какой момент было проведено подсаливание, а затем мы выполнили более точную калибровку ядерных отдач и подумали: хм, это событие выглядит так, будто оно, возможно, было создано по старой калибровке. Верно? Оно не там, где вы бы… Может быть, это была морская соль, а нужно было использовать каменную, или… [смех] Я просто немного над этим подтруниваю. Но все же оно так далеко от фонов, которые мы можем объяснить. Думаю, часть наших новых данных была подсолена уже после улучшенной калибровки. Так что посмотрим.

ведущий: Давай позволим себе представить, что это действительно темная материя. Нам можно, по крайней мере мне точно можно.

Дэниел Акериб: Ты даешь мне разрешение…

ведущий: Да, даю тебе разрешение. Когда ты ожидаешь получить какое‑нибудь подтверждение?

Дэниел Акериб: Данные, которые мы проанализировали, относятся к 2023 и 2024 годам. У нас записано втрое больше данных, которые мы еще не смотрели, потому что хотели…

ведущий: Посмотрите их. Что вы вообще делаете на подкастах?

Дэниел Акериб: Да. Посмотрим, посмотрим.

ведущий: Вот именно.

[смех]

Дэниел Акериб: Мы выделили этот кусок и решили: «Давайте как следует займемся им, пока продолжаем собирать данные».

ведущий: Это действительно требует времени.

Дэниел Акериб: Требует времени. Теперь мы извлекли уроки. У нас есть алгоритм. Сейчас в коллаборации активно обсуждают: «Ладно, ребята, будем действовать медленно и предельно вдумчиво? Бросимся напролом? Выберем нечто среднее? Хотим ли мы…» Мы… Я не знаю. Не хочу… Я даже не могу сказать, что мы раскрываем карты, потому что, мне кажется, мы еще не приняли решения. В общем…

ведущий: Бросайтесь напролом. Давайте напролом. Я голосую за то, чтобы броситься напролом.

Дэниел Акериб: Об этом результате сообщили восемь дней назад. Верно. Так что команда, которая руководила анализом, откровенно говоря, вымотана. [смех] Эти ребята работали очень много и подолгу. Команда, писавшая статью, команда, рецензировавшая статью, остальные из нас, пытавшиеся вставить свои пять копеек… В первом черновике статьи было 300 комментариев. Так что это очень вдумчивый процесс. И мы не хотим все испортить. Есть такая карикатура Far Side: симфонический оркестр, а сзади стоит парень с двумя огромными тарелками, и в его мысленном облачке написано: «Только не облажайся. Только не облажайся. Только не облажайся». А подпись гласит: «Роджер облажался». [смех] Так что мы должны все сделать правильно. Это наука. Мы обязаны все сделать правильно, так что…

ведущий: Хорошо, один… Вот…

Дэниел Акериб: Допустим, мы все сделали правильно.

ведущий: Да. Сделали правильно.

Дэниел Акериб: И допустим, есть еще три события, и допустим, они лежат прямо на полосе ядерных отдач. Мы страшно взволнованы. Это меняет правила игры. Возможно, это, только возможно, начинает отвечать на вопрос, который стоит уже 100 лет.

ведущий: И, похоже, если это реально, другие эксперименты смогут подтвердить это довольно скоро.

Дэниел Акериб: Да. Не доверяйте одному‑единственному эксперименту. Верно. Верно. И…

ведущий: Не доверяйте одному‑единственному событию. Не доверяйте одному‑единственному эксперименту.

Дэниел Акериб: Не доверяйте одному‑единственному событию. Да. И все в науке носит предварительный характер. Верно? Это можно опровергнуть. Такое может больше не повториться. Все это может отправиться на свалку истории. Мы просто не знаем. Нужно продолжать работать.

Что означало бы подтверждение

ведущий: Важный вопрос: если это темная материя, то… Хорошо ли это согласуется с нашими теоретическими ожиданиями относительно того, как должна выглядеть темная материя?

Дэниел Акериб: Безусловно, да. Да.

ведущий: То есть это именно то, чего вы ожидали?

Дэниел Акериб: Ну, опять же, это область более высоких энергий. Так что это учит нас мыслить шире. Но да, это вполне может быть частица темной материи, которую… Которую… Откровенно говоря, нам нужно изучать до изнеможения. Верно? Для нас это означает продолжать набирать данные: одно событие превращается в три, затем в 20, и тогда мы сможем начать наполнять данными этот энергетический спектр, содержащий информацию. Хотелось бы провести еще более крупный эксперимент, способный зарегистрировать сотни событий, если… Если частота составляет одно событие на, скажем, четыре тонно‑года экспозиции. И, разумеется, статистический разброс для одного события огромен. Хотелось бы изучить это очень подробно. Также хотелось бы увидеть такое событие в коллайдерном эксперименте, потому что, если масса составляет один ТэВ, что соответствует нашему наилучшему совпадению при огромных погрешностях, если это вообще что‑то, то оно должно быть доступно на коллайдерах, верно? Итак, хочется подробно изучить это в лаборатории, подробно изучить его астрофизические проявления, а затем снова начать общаться с друзьями‑наблюдателями. Эй, Риса, вот эти ваши симуляции формирования галактик: [смех] если темная материя окажется частицей с массой один ТэВ, с такими‑то константами связи с обычным веществом, бла‑бла‑бла, поможет ли это понять ваши модели? Поможет ли настроить ваши модели и так далее? В некоторых галактиках темную материю не наблюдают, есть карликовые галактики или что‑то в этом роде. То есть можем ли мы начать сшивать всю эту историю воедино? Если то, что мы видим, реально, это просто определит работу, которую нам предстоит делать в следующие 30 лет. Верно.

ведущий: Да. Это что‑то такое… Я понимаю, что событие всего одно, но говорит ли оно нам хоть что‑нибудь о том, какой может быть темная материя? Мы знаем, что это за частица?

Дэниел Акериб: Мы не знаем, что это за частица. Мы так многого о ней не знаем. Но… Сейчас я немного подшучу над друзьями‑теоретиками.

ведущий: Здесь безопасная среда.

Дэниел Акериб: Если вы хотите прочитать о паре сотен возможных вариантов, [смех] можете зайти в интернет и посмотреть несколько недавних статей. Думаю, справедливо будет сказать, что это все еще может быть почти что угодно.

ведущий: Я слышал слово «хиггсино». [смех]

Дэниел Акериб: Да. Верно.

ведущий: То есть… Полагаю, я хочу донести мысль, что, хотя это не говорит нам, что именно за частица перед нами, оно все же кое‑что подразумевает о ее типе. Некоторые типы частиц были бы больше похожи на это.

Дэниел Акериб: Она тяжелая, но мы знаем, что она… Это… Если это реально, перед нами тяжелая частица со слабыми взаимодействиями, верно? Со слабыми взаимодействиями, потому что потребовалось четыре тонно‑года экспозиции, чтобы она наконец проявилась. Верно. Верно. Итак, мы знаем, что она взаимодействует слабо, знаем, что она массивная. Вот, по сути, и все, что можно сказать на основании одного события. И все еще огромны погрешности как для силы ее связи, так и для массы и так далее. Но дайте нам еще 10 событий, и…

ведущий: Да. Тогда это будет совсем другая история.

Дэниел Акериб: Совсем другая история, верно…

ведущий: Но, по сути, ты говоришь, что 100 разных теоретиков увидели это одно событие и написали статью со словами: «Ну, это могло бы быть вот это»? [смех] Я обожаю теоретиков.

Дэниел Акериб: Теоретики… Теоретики прекрасны. Они очень изобретательны. [смех] Они помогают нам понять, что искать, и помогают разобраться, что это могло бы означать. Верно? Здесь многое строится на партнерстве. И, совершенно справедливо, каждый теоретик воодушевлен собственными идеями.

ведущий: Да.

Дэниел Акериб: И это здорово. Они говорят: «Я размышлял об этом 30 лет, и, если эта частица согласуется с теорией, о которой я все это время думал, будьте уверены, я напишу об этом статью».

ведущий: Ты напишешь статью, конечно.

Дэниел Акериб: На самом деле я уже написал статью. Теперь я только… [смех]

ведущий: Подставишь числа.

[смех]

Дэниел Акериб: Ты задаешь параметры, а я подставляю числа.

ведущий: Расскажи, возможно, о том, как все это происходит. И снова, мы все еще рассуждаем так, будто это реально, да? Мы не знаем. Мы не знаем.

Дэниел Акериб: Верно. Верно.

ведущий: Ты ожидаешь, что нечто подобное подкрадется незаметно? То есть вы увидите одно событие, потом подождете и, возможно, увидите еще одно? Или вы ожидали включить детектор — и вот они?

Дэниел Акериб: Думайте об этом как об очень навороченном счетчике Гейгера. Включаете счетчик Гейгера, а он: щелк, щелк‑щелк, щелк, [смех] щелк‑щелк‑щелк, щелк. Верно? То есть это просто случайный…

ведущий: Случайный, да.

Дэниел Акериб: Это случайный процесс, верно? И он обманывает большинство людей. Если подбросить монету 50 раз, очень вероятно, что выпадет серия, скажем, из шести орлов подряд или что‑то в этом роде. Когда людей просят придумать случайное распределение результатов подбрасывания монеты, они неизменно делают недостаточно длинные серии орлов или решек, верно? Так что мы не очень хорошо умеем, верно, рассуждать о статистике. Все сталкивались с этим со счетчиком Гейгера, когда пытаешься измерить низкую частоту. Он включен? [смех] О, да… Верно? Так что, возвращаясь к одному событию: любой, кто владеет основами статистики, может это сделать. Одно событие за 220 дней экспозиции. Если я теперь скажу: хорошо, у меня есть… Не знаю, сколько именно, допустим, в запасе 600 дней, — можно построить доверительную полосу от 10% до 90%, которая покажет, сколько событий следует увидеть по мере увеличения экспозиции. И она очень быстро становится очень широкой. [смех] Потому что…

ведущий: Вы это делали?

Дэниел Акериб: Да, конечно, делали.

[смех]

ведущий: Но я имею в виду: чего мы ожидаем? Каков диапазон?

Дэниел Акериб: Я не помню. Не знаю.

ведущий: Он широкий. Он широкий.

Дэниел Акериб: Он широкий, верно? То есть, если мы… Есть вполне разумная вероятность, что при втрое большей статистике мы не увидим ничего. Есть вполне разумная вероятность, что при втрое большей статистике мы что‑то увидим. И это предсказание стоит ровно столько, сколько стоит бумага, на которой оно напечатано. Вероятно, оно даже не напечатано, потому что мы все равно будем смотреть. Вот и ответ. Ответ…

ведущий: И важно помнить: даже если вы ничего не увидите, это все еще может быть реальным, верно? Возможно, вам очень повезло в самом начале, верно?

Дэниел Акериб: Оно может быть реальным. Верно. Возможно, это был тот щелчок, а потом восемь секунд ничего.

ведущий: Поэтому после этого нужно продолжать.

Дэниел Акериб: Верно. Поэтому мы должны продолжать, верно.

ведущий: Ты упомянул, что мы попытаемся связать это с ускорителями частиц. А что насчет, ты упоминал, непрямого детектирования, наблюдений на небе? Имеет ли это какие‑то последствия для того, что искать на небе?

Дэниел Акериб: Я не такой уж специалист в этом. Как сейчас выглядит передовое непрямое детектирование? Это… Мне кажется, это нужно было бы смоделировать. Возможно, уже есть статья, где говорится: хорошо, допустим… Нет, ведь люди уже думали об этом. И теперь это задача: подставить числа и спросить, как выглядел бы сигнал из центра Галактики? Если это частица массой 1 ТэВ или 10 ТэВ и так далее, тогда можно что‑то сказать о ее распространенности и, следовательно, о том, сколько таких частиц могло скопиться в центре Галактики и какие разные сигнатуры нам следует искать. Люди могут вернуться к данным гамма‑телескопа Fermi и спросить: смотрели ли мы… Если это темная материя, смотрели ли мы… Можно ли провести более прицельный поиск, чтобы искать именно эту штуку, а не проводить широкий поиск? Возможно, это уже происходит. Не знаю. Да.

ведущий: Ты упомянул LHC как одно из мест, где мы будем искать, но, предположительно, если это частица массой 1 ТэВ, то бозон Хиггса, для сравнения, имеет массу 0,125 ТэВ, это [неразборчиво], и, предположительно, это сильно мотивирует строительство еще более крупных ускорителей частиц.

Дэниел Акериб: Безусловно. И сейчас у нас период остановки: LHC, сама машина, модернизируется, модернизируются детекторы. Но эта штука… Потому что мы все еще делаем вид, что она реальна?

ведущий: Да, давай сделаем вид.

Дэниел Акериб: Да. Хорошо. Итак, [смех] это может быть ключом к пониманию того, в каком секторе находится темная материя. И эта одна частица не была бы всей историей физики частиц. Если это суперсимметрия, у нее есть множество родственников. Поэтому люди будут искать в уже имеющихся данных более прицельно. Если я учитываю это в поиске, давайте тоже перенесемся в комнату Дэна и Шона и представим, что все это реально: как мне уточнить поиск, чтобы увидеть, есть ли в моих данных родственники этой частицы темной материи? Верно? И это уже можно сделать.

ведущий: Я предполагаю, что, по сути, никакие данные, которые может получить ваш эксперимент, не скажут нам: «А, это суперсимметрия». Для этого ведь нужны гораздо более подробные данные от…

Дэниел Акериб: Совершенно верно. Это не… Да. У нас есть и преимущество, и недостаток весьма общего поиска. Мы ищем рассеяние бильярдных шаров. Если мы получим спектр событий, то сможем сказать об этом немного больше, но это не… Суперсимметрию обнаружат на ускорителе. Там определят константы связи и скажут: «А, похоже, мы находим родственников вашей частицы темной материи, которая рассеялась на ядре ксенона в июне 2023 года». И это так здорово, потому что теперь мы знаем, как WIMP, или суперсимметричная частица, взаимодействовала бы с другими суперсимметричными партнерами и обычным веществом в ранней Вселенной, когда возраст Вселенной составлял секунды или около того. И именно так возникла бы темная материя. Верно? И журналист спрашивает меня: «Ребята, вы разгадали темную материю?» А я отвечаю: «Даже близко нет». [смех] Верно? То есть чтобы действительно поставить в этой истории точку. Думаю, некоторые из ваших слушателей знакомы с книгой Стивена Вайнберга из предыдущего поколения «Первые три минуты» (The First Three Minutes).

Дэниел Акериб: Теперь мы понимаем, опираясь на лабораторные измерения, наблюдения, теоретическое моделирование и расширение Вселенной после Большого взрыва, и располагаем согласованной картиной соотношений легких элементов, образовавшихся в первые три минуты после Большого взрыва: водорода, гелия, дейтерия и так далее. Верно? Мы знаем лабораторную физику. Прокручивая хаббловское расширение назад, мы узнали температуру Вселенной в определенный момент времени, и тогда было… Вот таким было соотношение протонов и нейтронов, вот такой была энергия ядерной связи, и вот столько их слилось, образовав гелий, и так далее. Возможно, следующие 30 лет уйдут на подробные лабораторные исследования, наблюдения и построение моделей, чтобы мы могли понять, что загадочное событие, зарегистрированное в июне 2023 года, действительно было вызвано частицей темной материи, потому что у нас есть все… Мы сможем связать всю эту историю воедино и буквально вычислить реликтовую плотность на основе физики этого вида частиц. Это было бы потрясающе.

ведущий: Ладно, можем отключить поле искажения реальности и перестать притворяться. Ничего страшного.

Дэниел Акериб: Ах, обратно к работе.

ведущий: Напоследок… Нет, еще не совсем обратно к работе. Хочу задать тебе последний вопрос. Ты здесь уже проделал тяжелую работу. Если все же окажется, что это реально…

Дэниел Акериб: Да.

ведущий: Что ты почувствуешь? И еще: если окажется, что это не реально, если вы больше никогда не увидите ни одного такого события, что ты почувствуешь?

Дэниел Акериб: Итак, хорошо, если окажется, что это реально, я испытаю восторг. Это будет потрясающе. Просто быть частью команды, совершившей открытие. Эта столетняя тайна — это просто невероятно. Я не… На самом деле не знаю, что почувствую.

ведущий: Немного облегчения?

Дэниел Акериб: Подтверждение, [смех], облегчение. «Эй, родные, оказывается, мы не сумасшедшие». Верно? Не знаю, просто было бы потрясающе быть частью этого предприятия. Я охочусь на странные, редкие вещи со времени эксперимента для моей докторской диссертации, и было бы потрясающе стать частью открытия. Это было бы самым крутым из всего. Если сигнал исчезнет, если мы увидим еще четыре события и ни одно из них не окажется в полосе ядерных отдач, то обоснование, которое мы приводили, все равно останется в силе. Верно? Поиск темной материи теми способами, которыми мы ее ищем, с помощью используемых нами инструментов — все это по‑прежнему имеет смысл, и мы сделаем все возможное, чтобы обосновать не только продолжение нынешнего эксперимента, но и строительство следующего. Мы выдвинули вполне конкретные предложения о том, что, по нашему мнению, нужно построить и почему, и они прошли процедуру экспертной оценки, принятую в нашей области: какие идеи было бы интереснее всего развивать в следующем десятилетии и как расставить им приоритеты по стоимости, масштабу программы и так далее, и так далее, и так далее. И это предложение пережило этот отбор и было рекомендовано к реализации, но в бюджетных сценариях, которые пока не осуществились.

[смех]

Следующее поколение экспериментов

ведущий: И дело не в том, чтобы просто взять 100 тонн ксенона и снова сделать то же самое.

Дэниел Акериб: В некотором смысле именно в этом. Нужно построить более крупную установку с большим количеством ксенона, но также снизить фоновый уровень. Мы немного говорили о фоне. Поэтому, если вы собираетесь построить установку в раз больше и эксплуатировать ее в пять раз дольше, вам придется снизить фон в раз. Иначе вы просто очень хорошо измерите распады криптона-85 или чего‑то еще, выбирайте свой фон. А с социологической точки зрения любопытно вот что: наш новый предлагаемый эксперимент называется XLZD. Я без зазрения совести потрачу немного времени на пиар.

ведущий: Пожалуйста.

Дэниел Акериб: Мы объединились с нашими нынешними конкурентами. Сейчас мы конкурируем с коллаборацией XENONnT — это объединение нескольких групп из США, Европы и Японии; они проводят эксперимент, весьма похожий на наш, со сходной методикой, сходной экспозицией и сходными сроками. Несколько лет назад мы объединили усилия, чтобы сформировать XLZD: Xenon, LUX‑ZEPLIN, DARWIN. Дурацкое название. Простите, извините. Представьте XKCD, XLZD. [смех] Так его легче произнести. Поэтому мы объединили команды, чтобы предложить и построить этот новый эксперимент, а также воспользоваться более широким резервом опыта. В XENONnT некоторые вещи получились лучше, чем решения, которые мы приняли в LZ, и наоборот. Поэтому здорово собрать воедино, так сказать, лучшие хиты обеих команд. И конечно, финансирующим агентствам нравится, когда вы так поступаете, потому что тогда расходы распределяются. И вот мы вернулись к исходной точке. Как я упоминал раньше, ядро ксенона способно к двойному бета‑распаду, и мы считаем, что эта установка, первоначально предложенная для поиска темной материи, теперь, по сути, предлагается для обоих видов исследований. Мы полагаем, что для обеих задач можно построить, по сути, одну и ту же установку: и для поиска темной материи, и для исследования двойного бета‑распада ксенона-136.

ведущий: Знаешь, мне кажется, все мы должны поблагодарить тебя за то, что ты посвятил этому свою карьеру. Было бы здорово, если бы это оказалось правдой. Я болею за вас. Надеюсь, вы ее нашли. На это уходит много времени и немного… Даже не немного, а немало упорства.

Дэниел Акериб: Мне нравится сама охота. Да.

ведущий: Возможно, вы уже ее нашли. Посмотрим. Мы еще вернемся к этому. Если вы действительно нашли темную материю и мы будем в этом уверены, то, хотя я никогда‑никогда не приглашаю одного и того же человека в Mindscape дважды, мы позовем тебя снова, чтобы ты рассказал, действительно ли нашел темную материю. [смех] Специальный выпуск.

Дэниел Акериб: Надо разделить успех: у меня 200 соавторов, так что…

ведущий: Это правда. Но ладно, думаю, и их тоже… закидаем цветами. Но разговор вышел замечательный. Дэн Акериб, большое спасибо, что пришел в подкаст Mindscape.

Дэниел Акериб: Это было очень весело, Шон. Огромное спасибо.