На глубине в тысячи метров под поверхностью Земли исследователи пытаются обнаружить то, чего никто до сих пор не смог увидеть. Темная материя — невидимая форма материи, которая не отражает и не испускает свет, — проявляет себя через гравитационные эффекты, указывающие на то, что она может составлять значительную часть всей материи во Вселенной.
Китайская подземная лаборатория под горой Цзиньпин в провинции Сычуань / © Wikimedia Commons
Ученые разместили детекторы темной материи под таким слоем горных пород, что если сложить более семи Эйфелевых башен одну на другую, их высота все равно будет меньше глубины некоторых из этих установок. Чем глубже находятся детекторы, тем эффективнее окружающая порода защищает их от радиации, способной заглушить чрезвычайно слабые сигналы, которые пытаются зарегистрировать исследователи. Поиск недостающего элемента космической структуры требует особых условий и практически абсолютной тишины. В этих сверхзащищенных подземных комплексах сегодня формируется один из наиболее интересных фронтиров современной физики.
Самая глубокая лаборатория Китая
Китайская подземная лаборатория в Цзиньпине расположена под горой Цзиньпин в провинции Сычуань. Над ней находится около 2 400 метров горных пород — это крупнейший слой естественной защиты среди действующих подземных лабораторий мира.
Комплекс является частью туннельной системы, проложенной через гору Цзиньпин. Благодаря этому исследователи и оборудование могут попасть в лабораторию, расположенную на глубине более полутора километров, без необходимости прокладывать отдельную шахту.
Одним из главных экспериментов здесь был PandaX-4T. В нем использовалось около шести тонн ксенона, в том числе четыре тонны рабочего вещества, непосредственно участвовавшего в регистрации событий.
Жидкий ксенон особенно удобен для подобных экспериментов: когда частица сталкивается с атомом ксенона, возникает короткая вспышка света, а затем высвобождаются электроны. Анализируя оба сигнала, исследователи могут определить место взаимодействия и количество выделившейся при этом энергии.
Цель эксперимента — не просто зафиксировать необычные события. Обычная радиоактивность, нейтроны, нейтрино и даже дефекты материалов детектора способны имитировать сигналы, которые ищут физики. Поэтому PandaX работал внутри нескольких уровней защиты, а сама гора Цзиньпин блокировала большую часть космического излучения, поступающего сверху.
Эксперимент PandaX-4T уже завершен. Детектор закончил поэтапную программу наблюдений 17 апреля 2026 года, накопив в общей сложности 1 465 дней работы. Теперь коллаборация переходит к следующему проекту — PandaX-20T, значительно более крупному детектору с рабочей массой порядка 20 тонн. Его увеличенный объем позволит гипотетическим частицам темной материи взаимодействовать с гораздо большим количеством атомов ксенона, повышая шансы на регистрацию редких событий.
Наземные сооружения SNOLAB на руднике Крейтон / © Wikimedia Commons
Сеть лабораторий под Канадой и Италией
В лаборатории SNOLAB недалеко от города Садбери в канадской провинции Онтарио исследователи работают примерно на двухкилометровой глубине в шахте Vale Creighton. Толща горных пород над комплексом снижает уровень космического излучения примерно в 50 миллионов раз. На поверхности частицы космических лучей постоянно проходят сквозь людей и окружающие предметы. В SNOLAB, по данным самой лаборатории, человеку пришлось бы держать вытянутую ладонь в воздухе несколько месяцев, прежде чем через нее пролетела бы космическая частица.
В эксперименте DEAP-3600 используется около 3,6 тонн жидкого аргона. Когда частица взаимодействует с атомом аргона, жидкость испускает ультрафиолетовый свет, который регистрируют окружающие детекторы.
PICO работает по совершенно другому принципу. В нем применяется технология пузырьковой камеры: взаимодействие частицы может привести к образованию микроскопического пузырька в рабочей жидкости. Еще один эксперимент, SuperCDMS, предназначен для поиска особенно легких кандидатов в частицы темной материи. Для этого используются кристаллы кремния и германия.
Рабочая температура детектора показывает, насколько экстремальными могут быть условия в подобных лабораториях. В марте 2026 года SuperCDMS достиг температуры всего в несколько десятков милликельвинов — примерно в сто раз ниже температуры космического пространства. При столь низких температурах тепловые колебания практически подавлены, что позволяет регистрировать чрезвычайно малые порции энергии, выделяющиеся внутри кристаллов.
Гран-Сассо с перевала Вадо-ди-Корно / © Wikimedia Commons
Под массивом Гран-Сассо в Италии
Национальная лаборатория Гран-Сассо в Италии использует в качестве естественного экрана около 1 400 метров горных пород. Благодаря этому поток космических лучей снижается примерно до одной миллионной от уровня на поверхности. Внутри горного массива расположены три огромных экспериментальных зала, каждый длиной около 100 метров. Их размеры позволяют разместить детекторы, которые было бы практически невозможно установить в обычном лабораторном помещении.
Один из них — XENONnT, еще один эксперимент с использованием сверхчистого жидкого ксенона. В установке содержится около 8,6 тонн ксенона, из которых 5,9 тонн находятся непосредственно в активной зоне детектора. Ксенон поддерживается при температуре около −95°C. Если частица сталкивается с ядром атома ксенона, детектор регистрирует сначала короткую вспышку света, а затем второй сигнал, возникающий при высвобождении электронов. По этим данным исследователи могут восстановить координаты взаимодействия в трех измерениях.
События, происходящие рядом со стенками детектора, можно отбраковывать с большей эффективностью: они с большей вероятностью связаны с радиоактивным загрязнением материалов, чем с прохождением частицы темной материи через установку. Однако даже 1 400 метров горной породы недостаточно для полной защиты. Следовые количества радиоактивных веществ внутри самого детектора способны создавать собственные сигналы. Особенно серьезную проблему представляет радон: продукты его распада могут попадать в ксенон и имитировать редкие события.
Поэтому XENONnT оснащен криогенной системой дистилляции, которая постоянно удаляет радон. К 2025 году коллаборации удалось снизить радиоактивность, связанную с радоном, до уровня в четыре раза ниже предыдущего рекорда. При таких масштабах эксперимента физики фактически вынуждены бороться с отдельными радиоактивными атомами.
Почти полтора километра под Южной Дакотой
Под горами Блэк-Хиллс в Южной Дакоте находится Sanford Underground Research Facility — подземный исследовательский комплекс, созданный на базе бывшей золотой шахты Homestake.
Кампус Дэвиса расположен на глубине около 1 478 метров, что делает его самой глубокой подземной научной лабораторией США. Когда-то сюда спускались шахтеры в поисках золота. Сегодня исследователи используют ту же шахту, чтобы искать материю, которую до сих пор никто не наблюдал непосредственно. Здесь работает LUX-ZEPLIN, или LZ, один из самых чувствительных в мире экспериментов по прямому поиску темной материи.
В установке LZ содержится около 10 тонн сверхчистого жидкого ксенона, из которых семь тонн образуют активную мишень. Сам детектор окружен дополнительными слоями жидкого сцинтиллятора и примерно 265 000 литров очищенной воды. Они помогают регистрировать нейтроны, гамма-излучение и космические частицы, не позволяя принять их за что-то более экзотическое.
Жидкий ксенон поддерживается при температуре примерно −107°C. За ним непрерывно наблюдают сотни чувствительных световых детекторов. Если частица темной материи взаимодействует с ксеноном ожидаемым образом, она может столкнуться всего с одним ядром атома и оставить после себя практически невообразимо малое количество энергии. Поэтому большую часть времени LZ не ищет ничего эффектного. Задача исследователей — определить, отличается ли одна крошечная вспышка среди нескольких лет накопленных данных от всего, что может породить обычная физика.
Коллаборация LZ 1 сентября 2026 года сообщила о регистрации одного события взаимодействия частиц, которое исследователям пока сложно объяснить с помощью известных моделей фоновых процессов. Событие сопровождалось ядерной отдачей с оценочной энергией около 248 килоэлектронвольт. По человеческим меркам это ничтожное количество энергии, однако внутри детектора LZ оно оказалось в области, где обычные фоновые события должны происходить крайне редко.
Ученые проверили результат с помощью нескольких возможных моделей темной материи. После учета того, что поиск проводился сразу по нескольким возможностям, статистическая значимость аномалии составила 2,6 сигмы. Это соответствует примерно 0,5%-ной вероятности того, что известные фоновые процессы могли породить событие как минимум настолько же необычное. Однако физики элементарных частиц обычно требуют статистической значимости около пяти сигм, прежде чем объявлять об открытии. Поэтому одно событие не может доказать, что LZ обнаружил темную материю. Аномалию по-прежнему можно объяснить неизвестным фоновым процессом, несовершенством используемой модели или обычной статистической флуктуацией. Темная материя также остается одним из возможных объяснений.
Если LZ зарегистрирует новые события с похожими характеристиками, статистические основания для необычного объяснения станут сильнее. Если же ничего подобного больше не произойдет, эта аномалия может пополнить длинный список интригующих сигналов, которые исчезали по мере повышения точности экспериментов.