В номере Nature, вышедшем в четверг, опубликована статья большой группы учёных из Италии, России, Швеции и Германии, работающих в рамках проекта PAMELA (Payload for Antimatter Matter Exploration and Light-nuclei Astrophysics, бортовое оборудование для исследования антиматерии и астрофизики лёгких ядер) на борту российского спутника-разведчика «Ресурс-ДК». Статья описывает обнаружение избытка позитронов (антиэлектронов) в составе космических лучей с энергией от 10 до 100 гигаэлектрон-вольт (ГэВ).
Невзрачный, казалось бы, наблюдательный факт на деле стал одной из главных научных сенсаций последнего времени в астрономии и физике.
Многие учёные рассматривают его, как лучшее экспериментальное свидетельство существования тёмной материи.
Притом речь идёт именно о «вещественном» доказательстве – спутник физически «щупал» самые настоящие позитроны, влетевшие в его измерительную аппаратуру. Прежние аргументы в пользу тёмной материи были косвенными и основывались скорее на отсутствии чего-то должного, чем на наличии чего-то неожиданного.
Впрочем, авторы работы не спешат с выводами и пока предъявили лишь голые факты.
Папарацци от науки
Статья наделала очень много шума ещё до официального выхода в печать. Прошлым летом разгорелся настоящий скандал о «научных папарацци». Так назвали нескольких молодых учёных, которые опубликовали статьи на основе данных PAMELA, снятых на камеры мобильных телефонов в ходе конференций, где участники проекта представляли свои предварительные данные.
Международный исследовательский аппарат PAMELA на борту российского искусственного спутника «Ресурс-ДК1» надёжно зафиксировал избыток позитронов высоких энергий в потоке заряженных космических частиц. Этот результат может оказаться первым прямым свидетельством существования массивных слабовзаимодействующих частиц так называемой «тёмной материи», или скрытой массы, которой во Вселенной примерно в 5 раз больше, чем всего обычного вещества.
Участники программы PAMELA, наконец, публично сознались, что им удалось найти избыток позитронов при обработке данных о типе и энергии почти миллиарда космических частиц, зафиксированных в период с июля 2006 по февраль 2008 года. Результаты работы поступили на рецензию в журнал Nature и опубликованы в качестве препринта в арХиве Корнельского университета.
Позитроны являются античастицами обычных электронов, обращающихся вокруг атомных ядер, то есть ничем от них не отличаются, кроме заряда – если электроны несут единичный отрицательный заряд, то заряд позитронов положителен. Считается, что большая часть позитронов, бомбардирующих Солнечную систему, являются так называемыми вторичными частицами, то есть образуются они при взаимодействии высокоэнергичных ядер космических лучей с межзвёздным газом. Однако теория таких взаимодействий предсказывает, что доля позитронов по отношению к электронам должна уменьшаться с увеличением энергии частиц.
В то же время при распаде или аннигиляции массивных слабовзаимодействующих частиц, из которой, как предполагает ведущая теория, состоит тёмная материя, должно появляться значительное число позитронов с высокими энергиями. Именно такое поведение и увидела PAMELA. Если в диапазоне энергий от 1 ГэВ (гигаэлектронвольта) до 10 ГэВ доля позитронов по отношению к протонов снижается с энергией, то на энергиях с 10 ГэВ начинается рост, который продолжается по меньшей мере до 100 ГэВ, где данные обеспечивают статистически осмысленные оценки. На самом деле, при энергии около 100 ГэВ доля позитронов в смеси электроны+позитроны составляет около 15%, в то время как на энергиях в 1 ГэВ их доля вдвое меньше; теория вторичных позитронов предсказывает, что позитронов на энергии в 100 ГэВ должно быть всего несколько процентов.
По мнению многих учёных, результаты космического эксперимента хорошо согласуются с представлениями о частицах тёмной материи в суперсимметричных расширениях Стандартной модели элементарных частиц. Ведущим кандидатом на роль такой частицы является нейтралино – квантовая смесь суперсимметричных партнёров фотона, Z-бозона и частицы Хиггса, существование которой предсказывает теория суперсимметрии. Более того, появление избытка позитронов на энергиях от 10 ГэВ и выше повышает шансы, что следы суперсимметрии могут проявиться в экспериментах на Большом адронном коллайдере, где частицы будут сталкиваться с взаимной энергией в 14 тысяч ГэВ.
Вместе с тем, источником избытка позитронов может оказаться и более прозаический, хотя не менее интересный астрономам, источник – магнитосферы нейтронных звёзд, расположенных неподалёку от Земли. В этом случае, надеются участники эксперимента PAMELA, со временем, при увеличении общего количества зарегистрированных частиц, в данных может проявиться неоднородность прихода частиц в зависимости от положения спутника на околоземной орбите и его ориентации относительно нейтронной звезды, Земли и Солнца. Пока учёным удалось заметить лишь отличие измеренного ими потока позитронов и электронов от результатов, полученных в ходе предыдущих экспериментов. Участники проекта объясняют эти расхождения изменением конфигурации магнитного поля Солнца в ходе полного 22-летнего цикла солнечной активности; данные по антипротонам подтверждают такую трактовку.
Слухи о том, что PAMELA нашла избыток позитронов, ходили среди астрофизиков с начала лета – участники проекта кратко упоминали об этих результатах и даже показывали графики, подтверждающие эти заявления, однако рассказывать о результате подробно отказывались. Такое поведение даже породило взаимные обвинения в нарушении научной этики между командой PAMELA и несколькими молодыми учёными, опубликовавшими работы на основании данных, снятых на камеру мобильного телефона во время докладов о результатах космического эксперимента.
Оборудование эксперимента PAMELA (Payload for Antimatter Matter Exploration and Light-nuclei Astrophysics, бортовое оборудование для исследования антиматерии и астрофизики лёгких ядер) закреплено на борту российского спутника «Ресурс-ДК1», обращающегося вокруг Земли по орбите высотой от 350 до 615 километров с наклонением 70 градусов к экватору. Спутник был запущен с космодрома Байконур 15 июня 2006 года и предполагается, что он проработает минимум до конца 2009 года. В научной программе эксперимента PAMELA участвуют итальянские, российские, германские и шведские институты. От России в проекте участвуют учёные из Физического института имени Лебедева Академии наук, московского и петербургского Физико-технического институтов и Московского инженерно-физического института.
В настоящее время прибор продолжает накапливать данные, и за полгода никаких новых результатов ни в открытом пространстве публикаций, ни в «полузакрытом» мире конференций не появилось. Но интерпретировать эти данные бросились буквально сотни теоретиков, и официальная публикация статьи – прекрасный повод попробовать разобраться в их усилиях.
Лишние позитроны
Почему эти результаты вообще так возбудили учёных? Конечно, позитронов нет в обычном веществе – в состав атомов, из которых состоят звёзды, планеты и все мы, входят их античастицы – электроны. Но среди космических лучей антиэлектроны обнаружили много лет назад, и образуются они вполне естественным образом, при взаимодействии иных частиц друг с другом. Такие позитроны называются вторичными.
Однако таких вторичных позитронов относительно электронов должно становиться всё меньше и меньше с увеличением энергии. PAMELA и ряд менее точных экспериментов, проводившихся ранее, нашла прямо противоположную картину – начиная с энергии в несколько ГэВ позитронов становится всё больше и больше. При 10 ГэВ их примерно 6% от смеси электронов-позитронов, при 20 ГэВ – 10%, а при 100 ГэВ – все 15% против примерно 2%, которые предсказывает теория. Дальше статистики, собранной PAMELA, пока не хватает для надёжного определения доли позитронов и электронов – таких энергичных частиц в космосе вообще мало.
Отсюда авторы работы под руководством Пьерджорджо Пикоццы делают вывод, что
у позитронов должен существовать свой собственный, «первичный» источник, не связанный со столкновениями других частиц космических лучей.
Вот этот-то источник и не выходит из голов теоретиков по всему миру.
Следы гибели
Одним из наиболее вероятных кандидатов на его роль считают частицы тёмной материи. Эту загадочную субстанцию астрономы косвенно обнаружили ещё в 30-х годах прошлого века. Американский швейцарец Фриц Цвикки, наблюдая далёкие скопления галактик, выяснил, что галактики движутся в них слишком быстро и давно должны были бы разлететься в разные стороны. Притяжения всего того вещества, что наблюдал Цвикки, не хватало, чтобы поддерживать порядок в скоплениях, и он предположил, что существует какая-то дополнительная тёмная материя.
Позднее список мест, в которых находили косвенные следы присутствия какой-то скрытой массы, только рос, и сейчас учёные уверены, что общая масса тёмного вещества во Вселенной минимум в 4-5 раз превосходит массу вещества обычного. В то же время список кандидатов на его роль потихонечку сокращался. За 70 с лишним лет из него один за одним выбыли старые звёзды, тёмные планеты, большое число чёрных дыр, массивные нейтрино и ещё уйма других кандидатов. Дошло до того, что астрономы всерьёз (а физики почти всерьёз) обсуждают возможность внести изменения в сами законы гравитации, из которых косвенно выведено существование тёмной материи.
Однако основной всё-таки остаётся точка зрения, согласно которой тёмная материя – это просто какие-то частицы за пределами Стандартной модели физики элементарных частиц. Частицы тёмного вещества очень слабо или вовсе не взаимодействуют с обычным веществом, но вполне способны чувствовать тяготение и сами создавать гравитационное поле. Излюбленным кандидатом в «кирпичики» тёмной матери является самая лёгкая стабильная частица из того сонма, который может находиться за пределами Стандартной модели, – просто потому, что все остальные частицы этого сонма, если они есть, могут распасться в самую лёгкую.
По мнению сторонников этой точки зрения,
позитроны, которые нашла PAMELA, – это следы гибели этой самой лёгкой частицы, следы её выхода из «тёмного сектора», распада на частицы обычной материи.
Одной из таких частиц как раз и является позитрон.
Тёмный мир
Возможностей для устройства мира частиц за пределами Стандартной модели – гораздо больше, чем физиков-теоретиков во всё мире. За последние 30 лет не было ни одного эксперимента, который бы в эту модель не вписывался, так что полёт фантазии ничем не ограничен. В том же, что такой полёт необходим, нас убеждает, в первую очередь, наличие тёмной материи.
skin: article/incut(default)
data:
{
"_essence": "test",
"click": "on",
"id": "2874171",
"incutNum": 2,
"repl": "<2>:{{incut2()}}",
"uid": "_uid_2969361_i_2"
}
Как раз в это время были опубликованы и данные PAMELA, и оказалось, что при определённом усердии две загадки можно разрешить в один присест. Правда, для этого приходится предположить существование целого «тёмного мира», в котором действуют свои «тёмные силы» и даже могут существовать достаточно сложные «тёмные структуры» – например, «тёмные атомы».
Если между частицами тёмного вещества действуют свои собственные «тёмные силы», то они могут притягиваться друг к другу в достаточном количестве, чтобы объяснить наличие большого числа позитронов. Возникают они при аннигиляции частиц тёмной материи, несущих положительный и отрицательный «тёмные заряды», друг с другом.
Аннигиляция или распад?
Впрочем, аннигиляция – не единственный возможный механизм. Возможно, та самая легчайшая частица за пределами Стандартной модели от природы нестабильна и по прошествии большого времени (порядка возраста Вселенной) сама распадается на частицы обычного вещества.
Определить, какой механизм работает, должен помочь космический телескоп имени Ферми, работающий в гамма-диапазоне.
Теория скучивания тёмной материи предсказывает, что её распределение должно быть неоднородным почти во всех пространственных масштабах. Образующие огромные скопления галактики погружены в гало из тёмной материи, которые состоят из меньших по размерам, но более плотных «субгало», а те, в свою очередь, – из «мини-гало». Такая иерархия продолжается вплоть до объектов с массой меньше, чем у Земли, нижнюю границу этой лестницы определяют как раз неизвестные микроскопические свойства частиц тёмной материи.
Строение всех таких гало примерно одинаково, и если теория не врёт, должно описываться эмпирическим законом Наварро, Френка и Уайта; такой закон следует из численных расчётов и, похоже, работает в случае самых крупных гало. Плотность в таких гало растёт к центру по хорошо известной формуле, а это позволяет предсказать и внешний вид гамма-излучения, которое должны испускать гало при распаде частиц тёмной материи или при их аннигиляции.
Увидеть следы аннигиляции частиц тёмной материи проще всего в направлении на центр нашей Галактики, а не в центрах мелкомасштабных скоплений тёмного вещества в звёздных окрестностях Солнечной системы. Однако если космические телескопы смогут зафиксировать сигнал от гладкой компоненты, то вероятнее всего удастся разглядеть и карликовые галактики, из которых сформировался Млечный путь – в том числе и те, в которых звёзд нет, а есть одна лишь тёмная материя.
Учёные под руководством Фолькера Шпрингеля из Института астрофизики германского Общества имени Макса Планка смоделировали этот сигнал с помощью нескольких мощнейших суперкомпьютеров Европы, входящих в консорциум Virgo. Согласно результатам моделирования, ярче всего в гамма-лучах, возникающих при аннигиляции частиц тёмной материи друг с другом, будет светиться центр нашей Галактики. Сигнал от самых ярких структур меньшего размера будет в десятки раз слабее. Соответствующая статья опубликована в последнем номере Nature.
Учёным известно, что обычные частицы вроде протонов и электронов составляют лишь малую часть от общей плотности вещества во Вселенной. Её львиная доля приходится на так называемую тёмную материю, состоящую, по мнению многих астрофизиков, из частиц, являющихся партнёрами частиц обычного вещества в рамках так называемых суперсимметричных расширений Стандартной модели физики элементарных частиц. Такие тёмные частицы могут аннигилировать при редких (из-за слабости взаимодействия) встречах друг с другом, порождая среди прочего и гамма-кванты электромагнитного излучения. Заметить это свечение способны космические обсерватории – например, выведенный в космос летом этого года космический гамма-телескоп имени Энрико Ферми.
Частота столкновений частиц тёмной материи пропорциональна квадрату их плотности. Поэтому многие астрофизики полагали, что ярче всего будут светиться самые плотные – они же самые маленькие – сгустки тёмной материи, из которых иерархически, от малых к всё большим и большим структурам, за миллиарды лет возникли гигантские галактики вроде нашей, Млечного пути. Другие полагали, что основной сигнал даст гало Галактики – вытянутая протяжённая структура, в которой эти мелкие сгустки уже во многом размешались. Плотность гало больше всего в центре, потому именно в направлении на центр Галактики, по мнению этой партии, и стоит искать сигнал аннигиляции тёмной материи.
Судя по расчётам Шпрингеля, правы именно вторые. Шпрингель и его коллеги вычислили квадрат плотности в модели тёмной материи, которую не один месяц рассчитывали несколько мощнейших суперкомпьютеров Германии и других стран Европы. Эволюцию распределения тёмной материи в расширяющейся Вселенной учёные моделировали, как взаимодействующие лишь гравитационным образом частицы, по ходу счёта улучшая разрешение модели в нужных местах. Астрофизики «прогнали» модель несколько раз при разном разрешении и тщательно сравнили итоги расчётов, используя результаты этого сравнения для дальнейшего рафинирования модели.
Затем оставалось лишь спроектировать полученное распределение тёмной материи на небо условного «земного наблюдателя» (начальные условия для конкретно нашей Галактики никто не знает). И выяснилось, что сигнал от гладкой компоненты гало на полтора-два порядка превосходит сигналы от нерастворившихся в нём мелкомасштабных структур. Причина этого во многом именно в проектировании – хотя мелкие сгустки сами по себе светятся ярче, они случайно разбросаны по небу. А вот в направлении на галактический центр все слабые сигналы накладываются друг на друга. В итоге именно коллективная работа побеждает яркую индивидуальность.
Сколько конкретно квантов увидят гамма-телескопы, сказать нельзя – это зависит от неизвестной пока (но, кажется, начинающейся проявлять себя) физики тёмной материи. Множитель, переводящий проекцию квадрата плотности тёмной материи в яркость в гамма-лучах, пока неизвестен. Однако он будет един и для гало, и для мелкомасштабных сгустков, так что относительный их вклад можно оценить.
По мнению учёных, характерная яркость самых заметных сгустков будет примерно на один-два порядка меньше, чем яркость галактического центра. Для астрономов, привыкших работать в динамическом диапазоне в десятки порядков – не такая уж большая величина. Так что если удастся заметить свечение галактического центра (а по некоторым признакам, его уже видит российско-европейская космическая обсерватория INTEGRAL), то через некоторое время на этом гладком фоне начнут прорисовываться и мелкомасштабные сгустки. По расчётам Шпрингеля, светиться ярче всего будут сгустки, соответствующие ядрам карликовых галактик, поглощённых нашей Галактикой – в том числе и «тёмных» карликовых галактик, в которых никогда так и не зажглись звёзды. Их на балансе пока сильно не хватает.
Впрочем, некоторые учёные вообще не уверены, что сигнал PAMELA – от тёмной материи.
В принципе, позитроны могут рождаться в сильнейшем магнитном поле нейтронных звёзд или в каких-то других астрофизических источниках. А некоторые учёные даже ставят под сомнение само понятие «избытка позитронов».
Недостатки в избытке
Например, влиятельные израильские специалисты по астрофизике высоких энергий Нир Шавив, Эхуд Накар и Цви Пиран в феврале опубликовали работу, в которой утверждают, что кажущийся «избыток» – естественное следствие неравномерного распределения источников космических лучей. По их мнению, речь скорее идёт о недостатке электронов, чем об избытке позитронов.
По словам Пирана и его коллег, уж электроны-то точно первичны. И если они рождаются довольно далеко от нас, то как раз высокоэнергичных электронов на Земле будет недоставать – они просто потеряют большую часть энергии по дороге к нам. А вот вторичные позитроны образуются по большей части при взаимодействии протонов с межзвёздным веществом; такие встречи часто происходят и в окрестностях Солнца.
По расчётам израильских учёных, если типичное расстояние до источника космических лучей – около килопарсека, то как раз начиная с энергии в 1 ГэВ электронов будет становиться всё меньше. И как раз 1 килопарсек – характерный масштаб расстояний между активными остатками сверхновых, считающихся главными источниками галактических космических лучей.
Наблюдения телескопа имени Ферми помогут разобраться и в этом вопросе. Учёные с нетерпением ждут от него результатов по наблюдению рассеянных по небу гамма-лучей. Набрать статистику, пригодную для каких-то выводов, сотрудники коллаборации Ферми обещают уже в этом году.
