жены старшим научным сотрудником. В 2001 году Априле уже была профессором Колумбийского университета, а Гибони все еще был ее сотрудником. Их совместная работа оказалась очень плодотворной для проекта XENON, но разрушительной для брака. Опять проблема гендера и власти.

«Я поняла, что невозможно получить что-то, не потеряв в чем-то другом», – говорит Априле, глядя в большое окно скай-лаунджа. По ту сторону Ист-Ривер самые высокие небоскребы начали исчезать из виду, окутанные серыми облаками. «Я добилась успеха в работе, но не в личной жизни, и потеряла при этом мужа».

Членами группы XENON кроме Априле и Гибони также были физик Ричард Гейтскелл из Брауновского университета и его коллега Томас Шатт из Принстона. Гейтскелл и Шатт вместе участвовали в программе «Криогенный поиск темной материи» (Cryogenic Dark Matter Search, CDMS) – эксперименте с использованием полупроводниковых детекторов (о них расскажем позже). Но Гейтскелла и Шатта вдохновили перспективы использования жидкого ксенона.

Елена Априле в лаборатории атомной ловушки (Atom Trap Laboratory) Колумбийского университета тестирует технологию улавливания атомов криптона – нежелательной примеси в жидком ксеноне, используемом в качестве рабочей среды в детекторах темной материи

После создания трехкилограммового детектора-прототипа под названием XENON3 дальнейший план состоял в создании самой чувствительной в мире установки по поиску темной материи на основе жидкого ксенона и опережении британских соперников. Разумеется, так же как и ZEPLIN, новый детектор должен быть защищен от космических лучей, и поэтому Априле, Гибони, Гейтскелл и Шатт занялись поисками подходящей подземной физической лаборатории – другими словами, достаточно глубокой шахты.

Одним из возможных вариантов был старый никелевый рудник Крейгтон поблизости от города Садбери в канадской провинции Онтарио. Этот рудник, где уже располагалась нейтринная обсерватория SNOLAB, находится на глубине более двух километров и расположен сравнительно близко к Восточному побережью США, где как раз работали члены группы Априле3. А криогенный эксперимент, в котором участвовали Гейтскелл с Шаттом, базировался в железном руднике Судан в штате Миннесота – это, конечно, подальше, но зато знакомое место. Еще одним вариантом был золотой рудник в Лиде (штат Северная Дакота) – там с конца 1960-х годов располагалась нейтринная установка. А еще было глубокое хранилище радиоактивных отходов Waste Isolation Pilot Plant в штате Нью-Мексико. А может, отправиться в Европу? Даже соперники группы ZEPLIN имели право устроить свой эксперимент в том же руднике Булби на границе вересковых болот Норт-Йорк-Мурс. Наконец, на родине Априле в Италии Шатт участвовал в нейтринном эксперименте Борексино в туннеле Гран-Сассо – месте, хорошо знакомом Априле и Гибони по их участию в нейтринном эксперименте ICARUS – еще одном проекте, организованном по инициативе Карло Руббиа4.

В конце концов они остановили свой выбор на лаборатории Гран-Сассо по ряду причин практического характера – и, конечно же, не обошлось без шуток по поводу культуры, еды и климата. Благодаря выделенному Априле финансированию от Национального научного фонда США и средствам, полученным Гейтскеллом от министерства энергетики США, удалось в короткие сроки создать XENON10 – это название так и закрепилось за установкой, хотя на определенном этапе в эксперименте использовалось 15 килограммов жидкого ксенона, заключенных в цилиндрический сосуд размером чуть больше четырехлитровой банки для краски. Детектор был изготовлен в лаборатории Невиса в Колумбийском университете, доставлен в Италию и установлен в марте 2006 года. К этому времени научная группа разрослась до 30 человек. В том же году начался сбор данных.

Установку XENON10 изготовляли и запускали в большой спешке. Группа работала по 18 часов в сутки и без лишнего шума, чтобы физическое сообщество ничего не заподозрило. Так что первые результаты, объявленные в 2007 году и опубликованные в январе 2008-го в журнале Physical Review Letters, застали всех врасплох5. Нет, эксперимент XENON10 не обнаружил вимпы и вообще ничего неожиданного. Но почти в одночасье XENON10 стала самой чувствительной из когда-либо созданных установок по поиску темной материи, намного опередив всех конкурентов. В результате с ее помощью удалось получить новые важные оценки верхнего предела эффективности взаимодействия вимпов и тем самым наложить ограничения на теоретические модели, которые до тех пор никогда не подвергались экспериментальной проверке.

Чтобы лучше представить себе ожидаемую эффективность взаимодействия вимпов, вспомним, что Солнце и Земля, обращаясь вокруг центра Галактики с периодом 250 миллионов лет, движутся сквозь более или менее неподвижное гало из частиц темной материи со скоростью около 220 км/с, или почти 800 000 км/ч. Если темная материя состоит из вимпов, а каждый вимп примерно в 100 раз массивнее протона, то в среднем в объеме размером с кубик Рубика должна находиться одна частица темной материи. Но, учитывая скорость Земли относительно гало, каждую секунду через ваше тело должен проходить почти один миллиард вимпов.

Вимпы не восприимчивы к электромагнитным силам и поэтому не взаимодействуют с электронами. Но при этом они восприимчивы к слабому взаимодействию и должны при эпизодических столкновениях с атомными ядрами взаимодействовать с составляющими их кварками. Для регистрации этих взаимодействий надо тщательно следить за большим количеством ядер, исключить все возможные помехи и терпеливо ждать. Идеальной средой для обнаружения таких столкновений оказался жидкий ксенон (при температуре –95 °C) – благодаря отсутствию у него естественной радиоактивности, которая бы полностью испортила данные наблюдений.

Детектор работает следующим образом. Столкновение вимпа с ядром ксенона приводит к «встряске» атома, и в результате расположенные в небольшой области атомы ксенона теряют часть своих электронов (это процесс называется ионизацией) и на короткое время переходят в возбужденное молекулообразное состояние. Возвращение атомов в нормальное состояние сопровождается слабой ультрафиолетовой вспышкой на длине волны 178 нанометров длительностью не более 20 наносекунд – так называемый сцинтилляционный сигнал. Этот невероятно слабый сигнал можно зарегистрировать с помощью фотоэлектронных умножителей, установленных сверху и снизу от цилиндрического резервуара с ксеноном, – эти фотоумножители настолько чувствительны, что способны обнаруживать одиночные фотоны.

Главная проблема в том, что похожее возбуждение и похожие сцинтилляционные сигналы на той же длине волны возникают в результате гораздо более обычных (и более частых) взаимодействий. Конечно же, как мы уже знаем из главы 2, экспериментаторы делают все возможное, чтобы защитить детектор от космических лучей и обеспечить чистоту ксенона. Но ничто не идеально, и невозможно избавиться от всех нежелательных помех.

Жидкий ксенон в определенной мере сам дает защиту от нежелательных сигналов-помех, и поэтому наибольший интерес для охотников за вимпами представляет регистрация сцинтилляции из центральной части резервуара – вероятность помех там меньше, чем на внешней границе. Но сама по себе регистрация краткой ультрафиолетовой вспышки не несет ценной информации. Поэтому Априле вместе со своей