Почему мировые лаборатории спустились глубоко ловить крошечные кванты радиации?
Квантовая механика держится на странной идее: частица может находиться сразу в нескольких состояниях, пока прибор не заставит природу выбрать один результат. Физики называют такую неопределённость суперпозицией. Но сам момент выбора остаётся одной из главных проблем теории. Почему волновая функция, описывающая разные возможные исходы, при измерении даёт конкретный результат? Где проходит граница между квантовой неопределённостью и привычным миром, в котором детектор показывает одно число?
За последние годы физики предложили несколько моделей, которые пытаются объяснить этот переход. Среди самых известных подходов - модель непрерывной спонтанной локализации, или CSL, и модель Диоши-Пенроуза. Обе версии допускают, что квантовая система может схлопываться в одно состояние не только из-за измерения, но и самопроизвольно. Если подобный процесс действительно существует, частицы должны испускать слабое рентгеновское излучение. Найти такой сигнал значит получить редкую экспериментальную зацепку для проверки идей, которые обычно живут на границе философии квантовой механики и физики элементарных процессов.
Проверить эти модели помог XENONnT, один из самых чувствительных детекторов тёмной материи в мире. Установка находится глубоко под землёй в Национальной лаборатории Гран-Сассо в Италии, где толстая горная порода защищает прибор от большей части космического излучения. Детектор строили для поиска редких взаимодействий тёмной материи с веществом, но низкий фон, большой объём ксенона и способность замечать слабые сигналы сделали XENONnT удобным инструментом для других задач фундаментальной физики.
В новой работе теоретики и участники эксперимента XENONnT проанализировали данные детектора и проверили, нет ли в них рентгеновских всплесков, которые предсказывают модели спонтанного квантового коллапса. Сигнала, похожего на ожидаемый след, исследователи не нашли. Зато полученные данные резко сузили допустимые параметры для двух главных моделей: CSL и Диоши-Пенроуза. Для CSL чувствительность анализа оказалась более чем в 100 раз выше, чем у предыдущих ведущих экспериментов.
Не спрашивайте почему мы в MAX.
Идея использовать XENONnT для такой проверки появилась не сразу. Кристиан Виттвег, сейчас работающий в Имперском колледже Лондона и проекте LUX-ZEPLIN, ранее занимался этой темой в Цюрихском университете. Научная группа понимала, что детектор умеет искать новую физику при очень низких энергиях, однако прежние теоретические модели спонтанного коллапса плохо описывали именно тот диапазон, где XENONnT наиболее чувствителен. Без точного прогноза невозможно понять, какой сигнал искать и как отличить его от обычного фона.
Параллельно группа PAMQ, которая занимается открытыми проблемами квантовой механики в Исследовательском центре имени Энрико Ферми в Риме, вместе с экспериментом VIP в Национальном институте ядерной физики Италии разработала новую теоретическую схему. Работу вели Каталина Курчану, Кристиан Писчиккья, Симоне Манти и их коллеги. Модель расширила предсказания для низких энергий и показала, что ожидаемый рентгеновский сигнал сильно зависит от атомов, из которых состоит детектор. Ранние расчёты опирались на германий, а для XENONnT требовалось просчитать ксенон.
Манти выполнил расчёты для атомов ксенона. Новый результат оказался важен не только технически. Модель предсказывала характерные признаки разных механизмов коллапса именно в низкоэнергетической области, где XENONnT работает особенно хорошо. Раньше ожидалось, что спектр рентгеновского излучения будет плавно спадать примерно обратно пропорционально энергии. Плавный сигнал на плавном фоне трудно выделить статистически. Новые расчёты добавили в картину атомные эффекты: в спектре должны появляться заметные выступы, или локальные особенности, связанные с устройством ксеноновых атомов. Такие признаки уже можно искать гораздо увереннее.
XENONnT представляет собой двухфазную временно-проекционную камеру. Внутри находится большой цилиндр, заполненный жидким ксеноном, а над ним расположен тонкий слой ксенонового газа. С обоих концов цилиндра стоят фотоумножители, которые улавливают слабые вспышки света. Электроды создают поля, направляющие заряженные частицы внутри установки. Когда рентгеновский квант, нейтрино, частица-кандидат в тёмную материю или другой редкий агент взаимодействует с ксеноном, атомы возбуждаются и ионизируются.
Первый световой отклик называют S1. Он появляется сразу после возбуждения атомов ксенона. Электроны, выбитые при ионизации, затем дрейфуют вверх к границе жидкости и газа. Время дрейфа зависит от глубины, на которой произошло взаимодействие. У поверхности более сильное электрическое поле вытягивает электроны в газовую фазу, где возникает вторичный световой сигнал S2 за счёт электролюминесценции. Комбинация S1 и S2 позволяет восстановить энергию события и определить место, где в детекторе появился рентгеновский квант.
Главная трудность подобных поисков - фон. Детектор всегда регистрирует не только потенциальную новую физику, но и следы обычной радиоактивности, солнечных нейтрино и других известных процессов. Чтобы отделить возможный сигнал спонтанного коллапса от шума, команда построила подробные модели всех фоновых источников внутри установки. Каждый материал, попадающий в детектор, заранее проверяют на радиоактивность, поэтому исследователи знают, какие распады и в каком количестве должны давать вклад. Затем фоновые модели подгоняют к реальным данным статистическими методами.
Второй компонент анализа - собственно сигнальные модели CSL и Диоши-Пенроуза. Теоретики рассчитали, как должен распределяться по энергиям рентгеновский сигнал при разных параметрах коллапса. После этого экспериментаторы проверили, есть ли поверх ожидаемого фона те самые низкоэнергетические выступы, которые предсказывают расчёты для ксенона. Наличие таких особенностей могло бы указать на спонтанный коллапс. Отсутствие совпадений позволяет ограничить допустимую силу и частоту возможного процесса.
Для анализа взяли данные первой научной кампании XENONnT, которая шла с 6 июля по 10 ноября 2021 года. Полный объём инструктированного ксенона в установке составляет 5,9 тонны, но исследователи использовали только внутренние 4,37 тонны. От стенок специально отступили, чтобы внешний слой ксенона работал как дополнительная защита от радиоактивности материалов детектора. Такой подход уменьшил фон в рабочей области и повысил чувствительность к слабым рентгеновским сигналам.
Явных рентгеновских всплесков, соответствующих спонтанному квантовому коллапсу, данные не показали. На первый взгляд отсутствие сигнала может казаться разочарованием, но для экспериментальной физики такой исход тоже важен. Если теория предсказывает эффект, а детектор с достаточной чувствительностью его не видит, исследователи исключают часть параметров или заставляют модель уходить в более узкую область. В случае CSL и модели Диоши-Пенроуза пространство возможных вариантов заметно сократилось.
Модель Диоши-Пенроуза особенно интересна из-за связи с гравитацией. В этом подходе гравитационное поле играет роль в схлопывании квантового состояния. Тем самым эксперимент с ксеноновым детектором касается не только проблемы измерения, но и более крупной задачи: как совместить квантовую механику с гравитацией. Современная физика успешно описывает микромир через квантовые законы, а гравитацию - через общую теорию относительности. Единой проверенной теории, которая объединяет оба описания, до сих пор нет.
Работа также показывает, как тесно могут взаимодействовать теоретики и большие экспериментальные коллаборации. Теория подсказала, где именно искать характерный рентгеновский рисунок, а детектор дал данные с достаточно низким фоном. Исследователи считают перспективным подход, при котором приборы и модели развиваются вместе: учёные могут менять целевые материалы, схемы регистрации и энергетические диапазоны в зависимости от конкретной проверяемой идеи. Связка VIP, PAMQ и XENONnT стала примером такого гибкого пути.
Ксеноновые детекторы тёмной материи развиваются уже более 20 лет. Первые установки содержали всего несколько килограммов ксенона, а современные приборы работают с тоннами вещества. По мере роста объёма экспериментаторы научились резко снижать фоновые сигналы. Виттвег сравнивает этот прогресс с законом Мура для ксеноновых детекторов: чувствительность растёт, фон падает, а область задач расширяется. Приборы, созданные для тёмной материи, всё чаще работают как обсерватории астрочастичной физики.
Низкий фон, низкий энергетический порог и большой объём наблюдений дают таким установкам универсальность. XENONnT уже может искать не только WIMP-частицы, один из популярных классов кандидатов в тёмную материю, но и солнечные нейтрино, редкие ядерные процессы, возможные сигналы новой физики и следы спонтанного коллапса. Для исследователей ксеноновые детекторы постепенно превращаются в физические швейцарские ножи: один прибор закрывает сразу несколько направлений, где требуются редкие события и высокая чистота данных.
Следующий шаг потребует больше статистики и ещё более низкого фона. В контексте анализа квантового коллапса основной фон создают распады свинца-214, дочернего продукта радиоактивного радона, а также солнечные нейтрино, которые рассеиваются на электронах атомов ксенона. Поток солнечных нейтрино у Земли огромен: около 70 млрд частиц в секунду проходят через каждый квадратный сантиметр, примерно через площадь ногтя. Вероятность взаимодействия у нейтрино мала, но поток настолько велик, что события от них уже заметно входят в фоновый бюджет XENONnT.
От солнечных нейтрино нельзя экранироваться, и Солнце нельзя выключить на время эксперимента. Поэтому нейтрино постепенно становятся неустранимым фоном. Задача экспериментаторов - снизить остальные источники шума до уровня ниже этого предела. После первой научной кампании команда XENONnT смогла примерно вдвое уменьшить скорость радоновых распадов внутри ксеноновой мишени. Теперь связанный с радоном фон находится примерно на уровне вклада солнечных нейтрино. Кроме того, у исследователей уже есть примерно в шесть раз больше данных, чем использовалось в первом анализе квантового коллапса.
Параллельно научные группы готовят следующий большой шаг - детектор XLZD. Для проекта объединились коллаборации XENON, LZ и DARWIN. Новый прибор должен содержать в 5-10 раз больше активной массы, чем XENONnT и LUX-ZEPLIN. Главная цель - поиск WIMP-частиц вплоть до так называемого нейтринного тумана, области, где нейтрино от Солнца, давних сверхновых и атмосферы начинают почти неотличимо имитировать сигналы тёмной материи.
До нейтринного тумана ещё далеко, поэтому по пути остаётся шанс на открытие. Но XLZD не ограничат тёмной материей. Детектор планируют использовать для поиска спонтанного коллапса, измерения потоков солнечных нейтрино и исследований безнейтринного двойного бета-распада. Последний процесс, если его обнаружат, покажет, что нейтрино являются собственными античастицами, и поможет объяснить фундаментальные свойства материи.
Теоретики из группы PAMQ и эксперимента VIP тоже продолжают работу. Их задача - переводить продвинутые идеи новой физики в измеримые признаки: энергетические спектры, электромагнитные подписи, зависимости от материала мишени и параметры, которые можно проверить прибором. Такой феноменологический подход помогает теориям становиться конкретнее. Чем жёстче экспериментальные ограничения, тем меньше места остаётся для размытых формулировок.
Сейчас исследователи проектируют новый детектор, который должен искать характерную электромагнитную подпись взаимодействия между полем коллапса и специально подобранными атомными мишенями. Подбор материала важен: как показала история с ксеноном, разные атомы могут давать разные сигнальные формы. Оптимизированная мишень может повысить шансы заметить слабое рентгеновское излучение, если спонтанный коллапс действительно существует.
За всей этой линией стоит более широкий вопрос, чем сама проблема измерения. Некоторые подходы пытаются квантовать гравитационное поле, как в теории струн или петлевой квантовой гравитации. Другие идут обратным путём и пытаются изменить квантовую механику так, чтобы гравитация сама участвовала в выборе конкретного состояния. Роджер Пенроуз описывал подобную стратегию как попытку гравитизировать квантовую механику.
У этих направлений часто появляется общая черта: пространство-время на самом глубоком уровне может быть не идеально гладким, а обладать фундаментальной размытостью. Значит, измерить интервалы пространства и времени с бесконечной точностью нельзя не из-за несовершенства приборов, а из-за самой природы структуры. Подобные идеи напоминают древние представления о дискретности материи, но теперь переносятся на ткань пространства-времени и проверяются через тонкие физические эффекты.
Если такая размытость существует на недостижимых напрямую масштабах энергии или длины, она всё равно может проявляться косвенно. Один из возможных следов - спонтанный коллапс квантовых состояний с характерным электромагнитным излучением. Именно поэтому отрицательный результат XENONnT не закрывает тему, а делает поиск строже. Следующие данные, новые мишени и более крупные детекторы должны показать, остаётся ли у моделей коллапса место в реальной природе.