Физика класса WIMP

VicRus

Administrator
#1
13:18, 5 апреля 2013
Охота на вимпа
Опубликованы первые результаты эксперимента по поиску темной материи на МКС


Фото: NASA

3 апреля в Женеве нобелевский лауреат Сэмуэль Тинг опубликовал первые результаты, полученные установленным на борту МКС прибором «AMS-02». Ленты информационных агентств облетели сообщения о долгожданном открытии темной материи, хотя в то же время многие физики заявили об отсутствии в опубликованных данных по-настоящему неожиданных результатов. «Лента.ру» попыталась разобраться, как ищет темную материю установленный на МКС прибор и действительно ли ее удалось обнаружить.

Темным-темно

Возьмите маленькую ложку и разболтайте чай в стакане. Чаинки, если они там имеются, станут двигаться по кругу, причем те, что ближе к центру, будут вращаться быстрее, а те, что у стенок, — медленнее. Точно так же двигаются планеты в Солнечной системе: дальние — медленнее, чем ближние. Точно так же должны вращаться в галактиках звезды вокруг общего центра. Должны, но не вращаются. Точнее вращаются, но гораздо быстрее, чем этого можно было бы ожидать, если принять в расчет, какую массу имеют видимые компоненты галактики: звезды и межзвездный газ. Аналогичным образом отказываются «правильно» двигаться сами галактики, собранные в галактические кластеры.

Впервые эта аномалия была подмечена швейцарским астрономом Фрицем Цвикки, изучавшим галактику Волосы Вероники. Единственным способом объяснить такую аномалию было постулирование того, что на самом деле масса галактики гораздо больше, чем сумма масс звезд и межзвездного газа. Значит, она имеет дополнительную массу, которую физики и назвали темной материей, невидимым (то есть не участвующем в электромагнитном взаимодействии) веществом, заставляющим галактики и их кластеры двигаться с вроде бы аномальной скоростью. Темной материя называется не потому что она черна, а потому, что темны ее происхождение и природа.



Несоответствие скорости вращения звезд в галактике кеплеровской модели
Несоответствие скорости вращения звезд в галактике кеплеровской модели

Удивительно, но на самом деле темную материю можно «увидеть». Подобно тому, как можно «увидеть» совершенно прозрачный, но преломляющий свет предмет, так и присутствие темной материи можно обнаружить за счет преломления света на обычных снимках телескопов. Суть этого эффекта такова: масса, согласно теории относительности, искривляет пространство. Испущенный какой-нибудь далекой звездой фотон, пролетая мимо массивной галактики, отклоняется в ее сторону. Фактически, масса выступает в роли линзы (линзы Эйнштейна) — почти такой же, как обычная стеклянная линза (хорошую аналогию подметила Патриция Буркат — такое искажение лучше всего имитирует плоское основание винного бокала).

Гравитационными линзами могут быть не только галактики или кластеры, но и менее массивные предметы, например черные дыры или даже планеты. Однако, когда мы смотрим на искажение света в кластерах галактик, мы видим объект, состоящий почти полностью из темной материи. Если бы точку зрения можно было быстро изменять, границы «пятен» темной материи можно было бы ощутить еще нагляднее.



Гравитационная линза из кластера галактик - по периферии видны черточки-блики дальних галактик
Гравитационная линза из кластера галактик - по периферии видны черточки-блики дальних галактик
Hubble/Nasa
Физика класса WIMP

Все эти наблюдения, какими бы наглядными и убедительными они ни были, ничего не говорят о природе темной материи. Понятно, что во Вселенной (лучше даже конкретнее — внутри и вокруг некоторых ее объектов) существует неучтенная, очень значительная масса. Непонятно, однако, из чего она состоит.

Когда физики начали с этим разбираться, оказалось, что она может состоять из совершенно разных вещей. Надо заметить, что здесь существует некоторая путаница с терминами (у журналистов, не у физиков). Неучтенной или недостающей массой называют ту часть общей массы галактики или кластера, в которую не входят звезды и межзвездный газ. Иногда темной материей называют всю неучтенную массу, иногда только ее «необычную» часть.

К недостающей массе относят в том числе и вполне прозаические объекты, состоящие из обычного вещества, например «недозвезды» — коричневые карлики. Они почти не видны в телескоп, но обладают массой, поэтому исходно попали в раздел темной материи в широком смысле. Они состоят из обычных частиц и относятся к барионной темной материи. По самым смелым оценкам, ее существование может объяснить до 5 процентов скрытой массы. Кроме того, известно, что за недостающую массу частично отвечают нейтрино. Показано, что эти легчайшие частицы составляют до трех процентов скрытого вещества.



Трехмерная карта темной материи, составленная по результатам анализа множества гравитационных линз
Трехмерная карта темной материи, составленная по результатам анализа множества гравитационных линз

Львиная доля и самая интересная часть скрытой массы называется небарионной, или холодной, темной материей. По большому счету, из чего она состоит — пока совершенно непонятно. Она не взаимодействует с электромагнитным полем (поэтому ее нельзя увидеть), она не взаимодействует с сильным полем (поэтому она не поглощается ядрами). Эти свойства, а также обладание массой ученые решили приписать гипотетическим частицам, получившим название WIMP (weakly interacting massive particles, то есть слабо взаимодействующие массивные частицы).

Эти частицы так и оставались бы для астрофизиков полной загадкой, если бы намеки на их существование не пришли из совершенно другой области физики — теории суперсимметрии.

Вообще теория суперсимметрии и ее многочисленные дополнения созданы для того, чтобы расширить Стандартную модель и свести поведение двух классов элементарных частиц — фермионов и бозонов — к одним законам. Впрочем, при разговоре о темной материи детали теории не так важны. Гораздо важнее понимать, что суперсимметрия — совершенно отдельная теория, которая никак не связана с «потерянной» астрофизиками массой. Тем не менее, она предсказывает существование неких частиц, которые кажутся подозрительно похожими на вимпы, выдуманные астрофизиками для решения проблемы недостающей массы. К счастью, теория суперсимметрии не только предсказывает существование необычных частиц. Она также позволяет предсказать некоторые их свойства и может предложить способы их поиска.

Поиски темной кошки

В настоящий момент существуют два различных способа поиска частиц темной материи: прямой и непрямой. Прямой подразумевает создание высокочувствительных детекторов, в которых вимп, хоть и очень редко, но может появиться. Такие детекторы обычно закапывают поглубже в толщу земной коры, чтобы уменьшить фон от частиц космического излучения, которое может испортить результаты эксперимента.

Детекторы представляют собой огромные емкости, наполненными охлажденным высокоочищенным веществом, обычно благородным газом. Наблюдая за ним, ученые ищут вспышки, причиной которых может быть взаимодействие вимпа с какой-либо обычной частицей. Об одном из таких экспериментов, XENON100, «Лента.ру» не так давно писала.

Пока эксперименты по прямому поиску вимпов, к сожалению, не дали никаких однозначных результатов. То статистика по найденным частицам не набирается, то выясняется, что обнаруженные вспышки — результат радиоактивного распада примесей в благородном газе — рабочем теле детектора.

К непрямым способам поиска темной материи относятся те методы, где ученые ищут не сами вимпы, а их «следы». Теория предсказывает, что вимпы могут аннигилировать, и в результате этого процесса должны появляться нейтрино и позитроны. Именно для поиска последних и был построен в ЦЕРНе установленный на МКС «AMS-02», а также несколько его предшественников.

Как регистрация позитронов может помочь в поиске темной материи?

Позитроны — это антиэлектроны, одна из самых распространенных форм антивещества. Наша Вселенная на данный момент состоит практически исключительно из вещества, антивещества в ней крайне мало. Считается, что в Большом взрыве вещество и антивещество родились практически в равных пропорциях, но первого было все же несколько больше. Эта разница и составляет нынешнюю видимую Вселенную.

Жизнь антивещества вообще и позитрона тем более крайне коротка — любая встреча с «двойником» приведет к аннигиляции. Но позитроны все-таки присутствуют в космическом излучении, которое достигает Земли. А это значит, что где-то неподалеку от нас их постоянно что-то производит.

Все ученые сходятся на том, что источники тех позитронов, которые достигают МКС, лежат не далее границ нашей галактики. Что это за источники — большой вопрос. Самая заманчивая гипотеза утверждает, что этот источник — наполняющая галактику темная материя. Теория суперсимметрии, действительно, предсказывает, что позитроны могут рождаться в результате аннигиляции вимпов. Однако, точно так же позитроны могут быть результатом высокоэнергетичных столкновений частиц при действии пульсаров. Оказывается, эти два возможных источника можно различить — для этого нужно знать, что такое космическое излучение и очень хорошо понимать, с какими именно энергиями позитроны прилетают к Земле.

Темный пик

Для исследования космического излучения ученые создают специальные магнитные спектрометры. Сердцем таких приборов является магнит, который заставляет попадающие в него заряженные частицы отклоняться. По степени этого отклонения можно судить об энергии попавших в него частиц. Сложность создания такого прибора заключается в том, что для создания достаточно мощного магнитного поля он должен быть весьма громоздким, при этом разместить спектрометр нужно подальше от поглощающей космические частицы атмосферы.

Вообще, следует сказать, что «AMS-02» далеко не первый эксперимент своего рода. Во-первых, ему предшествовал подготовительный эксперимент «AMS-01», в ходе которого магнитный спектрометр устанавливали еще на шаттл «Дискавери» в 1998 году.

Еще до того, около 20 лет назад, попытки измерить поток позитронов в космическом излучении предпринимались в экспериментах HEAT, TS93 и CAPRICE. Физики устанавливали спектрометры на аэростаты и отправляли их туда, где атмосфера не мешает фиксации космического излучения.

Первый по-настоящему мощный и серьезный космический спектрометр был в 2006 году установлен на российском спутнике в рамках эксперимента PAMELA (Payload for Antimatter Matter Exploration and Light-nuclei Astrophysics). Он был создан российскими специалистами совместно с коллегами из Италии, Германии и Швеции.

В 2008 году специалистам, работающим с данными прибора, удалось зафиксировать удивительный, если не сказать сенсационный результат — избыток позитронов на энергиях 10–60 гигаэлектронвольт.

Неожиданность результата заключается в том, что все «обычные» объяснения появления позитронов предсказывают, что их количество с энергией монотонно падает (то есть высокоэнергетических частиц всегда меньше, чем низкоэнергетических). Результаты «Памелы» показали, что в действительности это не так — на высоких энергиях был зафиксирован рост доли позитронов.



Распределение энергии позитронов в трех описанных экспериментах AMS, PAMELA и FERMI. Серым показано обычное, не связанное с вимпами предсказание
Распределение энергии позитронов в трех описанных экспериментах AMS, PAMELA и FERMI. Серым показано обычное, не связанное с вимпами предсказание
AMS/PAMELA/FERMI

Такой рост как раз согласуется с их происхождением из темной материи — такие частицы должны иметь энергию, имеющую пик как раз где-то в этой области, исследованной «Памелой». Однако «согласуется» — не значит «доказывает». «Памела» увидела только рост энергий, который может оказаться началом искомого пика. Однако такой же рост (как было показано уже после публикации неожиданных результатов) можно объяснить и обычным действием пульсаров. Поэтому данные «Памелы», которые обрываются на энергиях после 100 гигаэлектронвольт, не позволили физикам говорить что-то однозначное о темной материи.

Сложный и большой «AMS-02», в отличие от «Памелы», прибор гораздо более мощный. Он способен поймать позитроны с энергиями до 1000 гигаэлектронвольт и выше. Кроме того, он значительно точнее определяет энергию частиц. Неудивительно поэтому, что ученые с большим интересом ожидали получить его результаты (ранее результаты «Памелы» в целом подтвердил другой спектрометр Fermi-LAT, но его результаты были не так точны).

Что же дали результаты полуторагодовой работы нового прибора? Во-первых, следует подчеркнуть, что опубликованные результаты представляют собой только малую часть (примерно 10 процентов) того, что надеются собрать ученые в будущем. Во-вторых, эти результаты касаются только нижнего диапазона энергий — того, который уже в целом изучила «Памела» и Fermi-LAT.

В общем, чуда пока не произошло (не могло произойти — говорят многие физики). Главным результатом эксперимента на сегодняшний день является то, что ученым удалось с беспрецедентной точностью записать спектр энергий позитронов из космического излучения. В этом спектре удалось достоверно подтвердить обнаруженный «Памелой» и Fermi-LAT неожиданный избыток позитронов. В целом, результат пока дублирует ранние наблюдения, но с несколько большей точностью и надежностью.

Но являются ли полученные результаты свидетельством темного происхождения позитронов? Ответ на этот вопрос однозначный: на данный момент — нет. Как бы ни хотелось произвести такое впечатление авторам, фактически ситуация по сравнению с 2008 годом в этом вопросе не поменялась: «AMS-02» подтвердил данные «Памелы», которые сами по себе свидетельствами существования вимпов не являются. Тем не менее, стало ясно, что уже скоро такие результаты могут быть получены.

Исключить гипотезу пульсаров и подтвердить, что источником избытка позитронов действительно являются частицы темной материи, можно следующим образом. «Вимповые» позитроны должны существовать в достаточно узком окне энергии. Другими словами, на их спектре должен наблюдаться пик. С какого-то значения энергии в спектре после роста должен наблюдаться резкий спад доли позитронов, и это обычными пульсарами будет объяснить крайне сложно. Такой спад на высоких энергиях, если он обнаружится, может быть если не окончательным доказательством, то надежным свидетельством в пользу существования вимпов.

Именно этот спад надеются в будущем увидеть ученые, работающие над экспериментом «AMS-02». У них уже есть данные по энергии до 500 гигаэлектронвольт, но группа под руководством Тинга выбрала консервативную стратегию: не говорить вообще никаких подробностей до того момента, как данные будут статистически безупречны. В общем, осталось только набраться терпения.

Александр Ершов