Це був чудовий день, щоб перебувати під землею. Канфранк, селище з 612 мешканцями в арагонських Піренеях, прокинулося сумним, колір його будівель потьмянів від непроникних, густих хмар, мешканці сховалися у своїх домівках, на вулицях майже не було туристів, а холод пронизував до кісток. Такі дні, як ніколи, змушують замислитися: чому ми тут?

У Підземній лабораторії Канфранк (LSC), що за кілька кілометрів від кордону з Францією, міжнародна команда вчених намагається знайти хоча б частину відповіді на це питання, яке переслідувало людство з початку часів.

10:30 ранку. Карлос Пенья, директор LSC, закінчує нараду в офісах дослідницького центру — сірої будівлі з прямими лініями, що контрастують з гірським фоном, — одягає яскраво-жовту робочу куртку та сідає у фургон. Дорогою до лабораторії Пенья намагається пояснити найважливіший експеримент, що триває. «Фундаментальне питання: чому природа обрала матерію, а не антиматерію?» Щоб зрозуміти внесок LSC у відповідь, потрібно пояснити кілька речей.

Відомий нам Всесвіт — зірки, планети, квіти та повітря — складається з атомів, а ті, своєю чергою, з трьох фундаментальних частинок: протонів, нейтронів та електронів. Ці три частинки є матерією, тобто мають свою протилежність: античастинку. Античастинка електрона — позитрон, який має позитивний заряд, на відміну від негативного заряду електрона. Але є ще одна частинка, яка захоплює вчених: нейтрино. Можливо, вона найособливіша з усіх: існує у великій кількості у Всесвіті, але майже не взаємодіє з матерією, не має негативного чи позитивного заряду (як протони та електрони) і пронизує Землю майже непоміченою.

Її найцікавіша характеристика — нейтральність, тобто вона може бути одночасно матерією та антиматерією. Пенья пояснює: «В описі природи, який дає нам квантова механіка, коли щось не відрізняється від іншого, воно є обома одночасно. Тому ми вважаємо, що нейтрино — це і матерія, і антиматерія». Оскільки нейтрино не має заряду чи внутрішньої структури, його антиматеріальна версія (антинейтрино) має бути ідентичною йому. Це важливо для розуміння експерименту LSC.

Пенья в'їжджає в тунель Сомпорт, що з'єднує Іспанію з Францією, і прямує внутрішнім відгалуженням до великих білих воріт: Підземна лабораторія Канфранк. Вона розміром з промисловий цех, була відкрита у 2006 році, і в Європі є лише три подібні лабораторії, крім тих, що існують у США, Канаді, Кореї та Японії. LSC складається з кількох залів, і в кожному проводяться різні експерименти: одні намагаються виявити вімпи (можливий тип темної матерії), інші шукають аксіони (можливі частинки темної матерії), а біологічна лабораторія вивчає, як низька космічна радіація впливає на живі організми.

Над LSC розташований гірськолижний курорт Канданчу, 800 метрів скельної породи, необхідні для належної роботи детекторів, розміщених у лабораторії. Тут надчутливі детектори частинок майже ізольовані від «шуму» Всесвіту, космічних променів: частинок високої енергії, що надходять від Сонця, наднових та інших галактик. Коли ці промені стикаються з атмосферою, вони генерують зливу вторинних частинок, які проникають крізь поверхню. Гора є природним щитом від цих небажаних частинок.

«Якби цей космічний шум досягав сюди, він не дозволив би нам побачити ті надзвичайно рідкісні явища, які ми намагаємося тут виявити», — пояснює Пенья. Нейтрино, однак, безперешкодно проходять крізь гору до гігантського детектора, встановленого в LSC. Це найбільший зал. Тут не холодно. «Тут 18 градусів, порівняно з вісьмома градусами в горі зовні», — каже Пенья.

Великий простір нагадує цех на промзоні. Двоє операторів переміщаються, щось налаштовуючи, поки Пенья коротко розмовляє з третім — ученим, який приїхав дати вказівки та перевірити хід проєкту. Щодня тут працює близько 30 осіб, хоча загальна команда налічує майже 300 дослідників, які працюють дистанційно з різних куточків світу.

У головному приміщенні, за скляною стіною, куди немає доступу, знаходиться менша версія машини, за допомогою якої вони сподіваються зафіксувати те явище, що існує лише в теорії і яке дозволить зробити крок до пояснення походження Всесвіту — або, радше, нашого існування у ньому. Експеримент є частиною проєкту NEXT, міжнародної співпраці під керівництвом Іспанії, яка вже налічує понад 130 дослідників.

Пенья повертається до нейтрино. Квантова фізика розрахувала — «ми вважаємо», — каже Пенья, — що нейтрино є одночасно матерією та антиматерією, «і лише коли ми його виявляємо, воно стає одним з двох. До цього моменту воно є обома одночасно». І як це допомагає пояснити походження Всесвіту? Остаточна відповідь близька.

Але є невелика проблема: Всесвіт мав би бути чистою порожнечею. Закони фізики свідчать, що під час Великого Вибуху утворилася однакова кількість матерії та антиматерії. Цього не сталося, бо ми існуємо, і саме тут криється одна з найбільших загадок, яку намагається розв'язати квантова фізика. Коли частинка матерії (електрон) зустрічається зі своєю античастинкою (позитроном), вони взаємно анігілюють, залишаючи лише енергію (тобто світло). Якби все було ідеально симетрично, Всесвіту не існувало б. Математика каже, що не повинно бути галактик, зірок, планет чи людей. Лише світло. Але ми тут. «Більша частина Всесвіту — це світло, ми — лише три частинки на кожні 10 мільярдів», — пояснює Пенья.

Що це означає? Щось порушило цю ідеальну симетрію, і залишився надлишок матерії. «Матерія перемогла з невеликою перевагою». Фізики не знають чому, і вважають, що відповідь криється в нейтрино. «Цей своєрідний шпигун, який може спілкуватися з матерією та антиматерією, спричинив те, що анігіляція не була досконалою, і зрештою перемогла матерія», — каже він, захоплений, незважаючи на те, скільки разів пояснював це відвідувачам.

«Те, що ми намагаємося тут довести, — це те, що нейтрино є одночасно матерією та антиматерією», — розповідає він перед детектором, який розробляли роками. «Ми сподіваємося, що це попередня версія остаточної, яка зможе виявляти цю взаємодію (два нейтрино, що анігілюють одне одного) раз на рік». У них вже є контейнер — резервуар заввишки майже п'ять метрів.

У нього помістять технологію, яка зараз знаходиться в меншому (близько двох метрів завдовжки) встановленому детекторі. Чому не можна виявити цю взаємодію за допомогою нього? «Тому що, за нашими розрахунками, її можна було б виявити лише раз на сто років за допомогою детектора такого розміру», — пояснює Пенья.

Наступний життєво важливий для фізики експеримент розробляється в Японії і намагається довести іншу теоретичну частину цього пояснення походження Всесвіту: що коли анігілюють два нейтрино, залишається рештка матерії. Результати цього експерименту очікуються до 2030 року. Щодо експерименту в Канфранку, доведеться почекати до 2035 року, щоб дізнатися, чи справді нейтрино можуть бути матерією та антиматерією. «Це ключова відповідь. Вона дозволить нам дізнатися, звідки ми походимо, звідки взялися частинки, з яких ми складаємося. Ми б зрозуміли механізм, завдяки якому перемогли протони, нейтрони, електрони», — підсумовує Пенья.

Вихід з лабораторії відрізняється від входу. Пенья сідає у фургон і каже: «Виїдемо через залізничний тунель». Тут бере початок LSC: тунель, побудований у 1928 році для з'єднання Іспанії та Франції, який вийшов з ужитку в 1970 році після обвалу мосту на французькому боці. Фізик Анхель Моралес, професор Університету Сарагоси, та його команда, озброєні рудиментарними детекторами та великою дозою винахідливості, прибули до тунелю на фургоні приблизно у 1985 році. Вони встановили на автомобіль залізничні колеса, щоб він міг рухатися коліями. Вони транспортували невелику мобільну лабораторію та обстежували тунель, аналізуючи його умови та вимірюючи рівні радіації.

Цей імпровізований експеримент підтвердив їхні підозри: величезна маса скелі над головою блокувала космічні промені, створюючи ідеальне середовище для виявлення надзвичайно рідкісних частинок, таких як нейтрино, та можливих слідів темної матерії. Та перша подорож, здійснена майже без ресурсів, стала зародком того, що через десятиліття перетворилося на одну з найпередовіших наукових інфраструктур Європи.