Темна матерія

27-кілометрову підземне кільце прискорювача «Великий адронний коллайдер» проходить по території Швейцарії і Франції

«Мені аспірантки розповіли анекдот. Дві блондинки сидять в парку і розмовляють про квантову фізику. І тут бачать - йдуть двоє симпатичних хлопців. Одна говорить інший: - Давай поговоримо про моду, а то вони нас не зрозуміють »...
Федір Даневич

Андрій РОЖЕН,
член Національної спілки кінематографістів

Мені, здається, посміхнулося рідкісне кінематографічне щастя, як сказав би класик, «збулася мрія ідіота»: вдалося отримати фінансування на зйомку документального, точніше - науково-художнього фільму про нинішніх абсолютно неймовірних досягнення фізиків. Причому не тільки європейських, російських, японських або американських, а й українських. Власне, читач тижневика «2000» може скласти уявлення, про що піде мова в майбутньому фільмі, за моїми публікаціями.

Так вийшло, що останнім часом фізики стали моїми найкращими друзями і співрозмовниками. Я часто слухаю розповіді дослідників про свою роботу і поділяю їх легкий смуток з приводу того, що наукова діяльність майже не фінансується в рідній країні. Однак ще більш їх (і мене!) Засмучує те, що світового значення досягнення українських фізиків майже не цікавлять співвітчизників. Навіть надрукувати серйозний матеріал про їхні досягнення не можна в наших ЗМІ, крім «2000». І це в той час, коли в західній пресі повідомляють про справи в ЦЕРНі на перших шпальтах!

Щоб принести вибачення дослідникам і якось залучити читачів у світ цікавих проблем, я і готую цей фільм. Сподіваюся, якщо народ дізнається не тільки про те, що він живе за часів найбільших природничо-наукових відкриттів, але і за часів, коли, не виключено, доведеться переписувати шкільні та вузівські підручники фізики, оскільки вони старіють на очах, він почне читати запоєм про тих чудових події, сучасником яких йому мимоволі довелося стати ...

Поки ж повірте на слово: якби читачеві повезло побувати в лабораторіях фізиків, які займаються вивченням, наприклад, так званої темної матерії, він був би вражений. Тут вивчаються проблеми, перед якими блякне багато з того, про що витійствують провідні сучасні фантасти.

Ось що про це розповів завідувач відділом фізики лептонів Інституту ядерних досліджень НАНУ (Київ) доктор фізико-математичних наук Федір Даневич.

Федір Даневич

- Сьогоднішній стан фізики темної матерії вкрай цікаво. Це одне з найбільш захоплюючих напрямків як космології, астрофізики, так і фізики елементарних частинок і високих енергій. Що стосується назви, воно не зовсім вдале. Його краще було б змінити на «невидиму матерію», оскільки ця гіпотетична матерія абсолютно не взаємодіє з електромагнітним випромінюванням (а значить - не видно).

Темна матерія була відкрита в результаті більш ніж сімдесятирічних зусиль астрономів і астрофізиків. Вони показали, що не можна пояснити багато спостережувані явища у Всесвіті без додаткової маси. Ось так її і ввели з чисто теоретичних міркувань, зовсім не розуміючи, що вона собою являє. Вважається, що темна матерія складає майже четверту частину маси Всесвіту. Ще близько 70% припадає на темну енергію. Так що ми не знаємо, з чого «зроблені» 95% Всесвіту! Це - виклик вченим XXI століття.

А почалося все ще в кінці 30-х, коли швейцарський астроном Фріц Цвіккі, досліджуючи швидкості галактик в скупченнях, зрозумів, що вони занадто великі, - не вистачає сили тяжіння, щоб їх утримати. І потрібно ввести в кілька разів більшу масу, щоб пояснити таку їхню поведінку. Потім були спостереження астрономів за обертанням галактик. Тут теж не вистачало маси. Більш серйозне підтвердження все це отримало зараз, коли за допомогою супутників почали вимірювати характеристики реліктового випромінювання Всесвіту.

Пошуки темної матерії ведуться різними способами. Перший - це пошук нейтрино з дуже великою енергією, які можуть виникати в результаті анігіляції часток темної матерії на Сонці. Наприклад, на Південному полюсі, на антарктичній станції Амундсен - Скотт такі нейтрино шукають за допомогою декількох тисяч світлочутливих датчиків, вморожених в лід на глибині від 1,5 до 2,5 км.

Більш прямий шлях її виявлення - дізнатися, як взаємодіють частинки темної матерії зі звичайною матерією. Тобто передбачається, що ці частинки з вкрай малою вірогідністю можуть взаємодіяти з ядрами матерії, передаючи їм дуже малу енергію.

Починаючи з кінця дев'яностих, група DАМА * з Італії (з якої ми тісно співпрацюємо в пошуку інших рідкісних процесів) шукає темну матерію в підземній лабораторії Гран Сассо. Вона розташована в тунелі на глибині понад кілометр для захисту від космічних променів. Крім того, у них детектор оточений потужним шаром пасивного та активного захисту.

_____________________
* Учасники проекту з вивчення темної матерії

Група DАМА більше десяти років спостерігає на сцинтиляційних детекторах якісь сигнали, інтенсивність яких змінюється протягом року по синусоїді. Як вони пояснюють, це наслідок того, що Земля обертається навколо Сонця і періодично то летить назустріч потоку темних частинок, то за ним.

У фізиків багато сумнівів з цього приводу, і вони постійно намагаються знайти якісь помилки в цьому експерименті (вже дуже велике значення отриманого результату!). Група DАМА на нападки колег відповідає з іронією - мовляв, гранично акуратно виконується їх експеримент.

На конференції в Мюнхені, що проходила у вересні 2011 р (а це конференція найвищого рівня), дослідники представили настільки точні дані, що ще одне заперечення проти їх результатів (про можливу імітації ефекту космічними променями, мала частина яких проникає навіть на таку глибину) було відкинуто.

Найцікавіше, що в останні роки з'явилися повідомлення і інших груп про сигнали, які можуть бути викликані темною матерією. Одна з них в Сполучених Штатах працює на іншому обладнанні, з напівпровідниковими детекторами (і знову таки розташованими глибоко під землею). Вони теж бачать схожий, хоча і дуже слабкий, ефект. Це змушує фізиків з більшою довірою ставитися до подібних повідомлень.

На конференції ще одну спільноту науковців - Cresst ** - також заявило, що реєструє події, які можуть бути викликані темною матерією. Масла у вогонь підлило звістка про ще одному експерименті, проведеному в США за зовсім іншою методикою, - за допомогою охолоджених до наднизьких температур германієвих болометрів. Тут теж спостерігалися ексцеси. Поки вчені про це говорять обережно (тим більше що вони завжди критикували результати групи DАМА). Але ситуація вкрай цікава. Тут навіть автори детективних романів можуть позаздрити настільки різким і несподіваним поворотам і колізій.

__________________________
** створило кріогенний детектор темної матерії з однойменною назвою

Якщо на цьому напрямку отримають впевнений сигнал, ми станемо перед досить складною проблемою, тому що всі експерименти говорять по-різному про темну матерію. На конференції прозвучала гіпотеза, що темна матерія це не щось однорідне, а суміш різних частинок. Якщо це так, то завдання стає куди складніше, ніж передбачалося спочатку.

Навіть той мізер, що відкрито, породило «крамольні» припущення, що теорія гравітації Ньютона не зовсім правильна. Ось тобі й маєш! І нібито вона в великих масштабах діє по-іншому, ніж в малих. Однак не всі спостережувані факти така модифікована теорія гравітації може описати ...

Але є і більш радикальні моделі. У деяких розроблюваних теоріях, що роблять «глибокий підкоп» під сучасну фізику, існують припущення, що пояснити все можна, якщо допустити багатовимірність (і навіть безконечномірний!) Простору. Мовляв, можуть існувати дефекти простору (їх називають доменними стінками, суперструн). Ці об'єкти є як би залишками якихось багатовимірних просторів. Все розвивається в такому загадковому напрямку, стільки пропонується найнеймовірніших кандидатів на роль темної матерії, що тільки русалок, дріад і кентаврів не вистачає в мікрофізику! Вже очевидно, що темна матерія і темна енергія вимагають від нас зробити стрибок в нашій свідомості. Мабуть, доведеться створити зовсім іншу фізику.

І тут ясно, що потрібні нові, все більш чутливі експерименти. Ми беремо участь у великому європейському проекті, який називається EUREC ***. Мета його - пошук темної матерії за допомогою приблизно тонни охолоджених до наднизьких температур різних кристалів. Він розрахований на багато років. Для його реалізації були залучені вчені з Німеччини, Франції, Великобританії, Іспанії, України, а також ЦЕРНу та Об'єднаного інституту ядерних досліджень в Дубні.

____________________________
*** У коло його інтересів входить дослідження найрізноманітніших наукових проблем

Від України в проекті бере участь група з Інституту ядерних досліджень НАНУ. Зараз йде розробка необхідних детекторів, зокрема сцинтиляційних. І виявляється, що ми беремо участь в такому приголомшливому експерименті завдяки тому, що у нас не тільки збереглися, а й тривають розробки за технологією росту кристалів на рівні, часом недоступному в інших країнах! В цьому ми покладаємо велику надію на Інститут сцинтиляційних матеріалів в Харкові.

Благо директор інституту академік НАНУ Борис Вікторович Гриньов добре розуміє необхідність розвитку не тільки прикладних, що представляють комерційний інтерес досліджень, а й фундаментальної науки. Тому ми продуктивно співпрацюємо з цим інститутом. Адже часом потрібні якісь абсолютно нові матеріали. Такі розробки за кордоном коштують стільки, що вченим і в голову не приходить звертатися до великих компаній з такими проханнями. А ми завжди можемо попросити Бориса Вікторовича розробити якийсь новий кристал (про який, буває, написано в підручниках, що його неможливо виростити), і, дивись, через кілька місяців отримуємо перші зразки для досліджень.

Але є багато проблем. Головна з них - зробити сцинтилятори без домішок радіоактивних елементів. А вони є всюди і випромінюють радіацію. Це фон, який заважає пошуку темної матерії. Сцинтілятор повинен бути дуже чистим. Як показує досвід групи DАМА, для таких розробок потрібні великі кошти. З огляду на кризу, необхідних грошей немає не тільки в Україні, але і в Європі. Проте ми продовжуємо вести деякі спільні розробки таких сцинтиляторів.

- Як так вийшло, що в майже вмираючої, погано фінансується Академії наук України раптом з'явився відділ, який здатний займатися такими передовими проблемами?

- Краще сказати не з'явився, а зберігся. Це довга історія. Завжди, якщо є реальний успіх, то він досягнутий завдяки зусиллям яскравого, самовідданого людини. У нашому випадку - це членкор НАНУ Юрій Георгійович Здесенко, на жаль, пішов від нас у 2004 р Ця людина побачив ще на початку 70-х перспективи в явищі, яка видавалася тоді не дуже цікавим, - в подвійному бета-розпад. Це вкрай рідкісний ядерний розпад (він навіть занесений в Книгу рекордів Гіннеса як найбільш рідкісний процес, який спостерігається людством). Але в середині 80-х раптом стало ясно, що від нього видно вихід на властивості нейтрино (він дозволяє відчути масу цієї загадкової частинки), а значить, і до темної матерії, частиною якої є нейтрино.

Юрій Георгійович ще за радянських часів зміг побудувати унікальну підземну лабораторію в соляній шахті в Закарпатті. Він створив хорошу групу, яка не зупинилася навіть в найважчі роки. Здесенко дав нам такий поштовх, що ми вирішили не розмінюватися на дрібниці. Написали план роботи на 25 років. У ньому поставили планку - або працюємо на серйозному міжнародному рівні, або який сенс взагалі витрачати час?

Для цього сформулювали для себе три конкретних принципу, що забезпечують успіх.

Перший - міжнародне співробітництво. Адже не тільки Україна, але і розвинені країни в поодинці не здатні потягнути такі експерименти.

Другий - залучення до робіт молоді.

Третій - підтримувати і оновлювати дослідницьку базу, наскільки це можливо.

Коли був повний розвал в країні і не платили зарплату, ми все одно проводили експерименти. Аби електрику було в лабораторії! Тому навіть в найважчі роки не тільки вижили, а й провели завдяки проекту Українського науково-технологічного центру один з кращих експериментів з пошуку подвійного бета-розпаду одного з ізотопів кадмію. Цей результат, як і раніше - один з кращих в світі.

З тих пір ми не можемо зупинитися. Значну підтримку нам надає директор нашого інституту академік НАНУ Іван Миколайович Вишневський. Що б там не говорили про нашу академію, але в ній дуже багато вчених найвищого рівня, які розуміють значення фундаментальної науки.

У НАНУ є цільова програма «Космомікрофізика». Її завдання - дослідження темної енергії і темної матерії у Всесвіті. Незважаючи на скромне фінансування, вона об'єднала авторитетних вчених, що працюють на міжнародному рівні і публікуються в журналах з високим рейтингом. Керує цією програмою видатний радіоастроном, академік НАНУ Валерій Михайлович Шульга. Зараз розпочато нову програму НАНУ, в яку учасники «космомікрофізики», природно, вписуються, - космічних досліджень. Нею керує чудовий вчений-астроном, академік НАНУ Ярослав Степанович Яцків.

Адже Україна може виводити на орбіту супутники! І якраз позаземне астрономія здатна дати нові знання не тільки про Всесвіт, а й про Землю. Взагалі немає жодного результату чистої науки, який рано чи пізно не знайшов би практичного застосування. Взяти хоча б використовувані багатьма водіями системи визначення місця розташування GPS. Але ж там обов'язково враховуються ефекти, здавалося б, такої далекої від повсякденного життя загальної теорії відносності Ейнштейна.

Важливо і те, що Україна має Б. В. Гриньова - людини креативного і працездатного. В його інституті можуть зробити те, чого не можуть навіть на Заході. Це дозволяє працювати нашим експериментаторам на високому рівні.

Академік Борис Гриньов на питання, яким повинен бути матеріал для пошуку темної матерії, пояснив:

- Ніхто зараз не може сформулювати точні вимоги до такого матеріалу, оскільки ніхто точно не знає, які властивості шуканих частинок. Тому важливо використовувати різні сполуки з різних елементів, починаючи від легких і до найважчих. Але якими б властивостями він не володів, зрозуміло, що це будуть штучні синтетичні матеріали, яких в природі немає. Припускати, що знайдемо самородок, який нам відкриє всі, надії немає. Майбутній матеріал потрібно придумати, як хімічну формулу, потім підтвердити, що він може бути стійкий у вигляді якогось з'єднання. Потім його треба отримати і перевірити, що його властивості підходять.

Хтозна, як ми зістиковують молекули один з одним. Необхідно дізнатися, що в такій комбінації вони дозволяють отримати потрібний сигнал. Це комплексне завдання. Вона починається від глибокої фізики у споживача проекту до фундаментальної фізики, яка є у нас, як цей матеріал отримати. Нарешті, вона триває до технології експерименту, до, якщо дай Бог все вийде, електроніки, процесингу, алгоритму ...

- Є ще одна група в Новосибірську в Інституті органічної хімії, - розповідає Федір Даневич, - де за радянських часів були розроблені унікальні установки. Вони виховують кристали методом, який самі придумали і який ніде не можуть повторити. Цей метод підходить і для наших завдань. Але, на жаль, він працює тільки для матеріалів з не дуже високою температурою плавлення.

У Львові є науково-виробниче об'єднання «Карат». У них теж з радянських часів залишилося хороше обладнання, і вони роблять в тому числі високотемпературні сцинтилятори. Щоб розробляти такі унікальні речі, мало знати рецепт, треба мати досвід, який накопичується десятиліттями. Тоді можеш щось сказати зарубіжним колегам.

Повернуся до розмови про Бориса Гриньова. Він не ставить гроші як умова для проведення складних експериментів. Хоча більшість людей починають з питання: скільки у вас є грошей?

Їх, звичайно, можна зрозуміти. Але без пошукових робіт теж не можна. Рано чи пізно зійдеш з дистанції в швидкісний гонці під назвою «науково-технічний прогрес». І тоді те, що ти вмієш робити - вже мало кого цікавить. Потрібні нові все більш досконалі матеріали і технології. І той, хто ними буде володіти, зможе непогано заробляти. Адже know how (знаю як) завжди дуже дорого коштує.

Те ж стосується і України в цілому: без розвитку фундаментальних досліджень вона скотиться до «бананової республіки». Але ж ми могли б стати високотехнологічної державою, що виробляє не тільки прокат або зерно (хоча і тут без науки не обійтися), але і сучасне обладнання, матеріали, наукомістку продукцію. У нас все ще є науковий, технологічний, людський потенціал!

Уряди розвинення стран це прекрасно розуміють; високий рівень життя там, де інтенсивно ведуться наукові дослідження. Нині стрімкими темпами розвивається наука в колись третіх країнах. Коли я був на конференції в Південній Кореї (теж приклад держави, що пройшов шлях «від сохи» до новітніх технологій за якісь сорок років), запитав у китайського колеги, як у них справи з наукою. Він відповів: «Не дуже хороші. Фінансування гірше, ніж в США ... »Як тут не посміхнутися!

Очевидно, там у вищого керівництва держави є чітке розуміння, що якщо вдасться розвинути науку, прийдуть і нові технології, і ідеї, і з'явиться високотехнологічна продукція. Фундаментальна наука принесе такий імпакт, такий імпульс, що багато зрушиться з мертвої точки само собою. Китайці, переживши нелегкі часи, вийшли на впевнене друге місце в світі після США за кількістю наукових публікацій, випередивши Великобританію, Японію і Німеччину. Україна в цьому списку все ще займає цілком гідне 38-е місце після ПАР, Аргентини та Угорщини. Не знаю, що буде далі ...

- Розповідь про темну невидимої матерії мимоволі викликає найфантастичніші асоціації, а інші виміри наводять на думку про існування паралельних світів і іншого життя. Що ви відповісте на це читачам?

- Думок, що це призведе до відкриття інших цивілізацій в інших вимірах, у мене немає. Ми поки принципово не можемо пояснити появу не те що розумного життя, а й життя взагалі. Прірва між неживою матерією і життям така, що виникає відчуття: ми - єдині у всьому Всесвіті. Недарма в США, де довго займалися пошуками позаземних цивілізацій, програма була згорнута як безперспективна.

Але вивчення темної матерії веде нас до нової фізики, на горизонті з'являється щось, що потрібно пояснити. Адже головне призначення науки - пізнання навколишнього світу з тим, щоб дбайливо і розумно над ним панувати.

Шановні читачі, PDF-версію статті можна скачати тут ...