Много-много позитронов: Темная материя и антиматерия
История эта началась в 2008 г., с данных, полученных итальянским детектором частиц PAMELA, работающим на борту российского спутника «Ресурс-ДК1». Тогда детектор обнаружил довольно необычный сигнал: избыток позитронов в космических лучах. Находка эта оказалась предметом довольно ожесточенных дебатов — и немудрено. С одной стороны, достоверность наблюдений оказалась под большим сомнением. С другой же, если их удастся подтвердить, то мы получим первое верное свидетельство существования таинственной темной материи, составляющей более 20% всей нашей Вселенной — и, тем не менее, никак не наблюдаемой.
Дело в том, что, согласно одной из теорий, описывающих свойства темной материи, столкновение пары частиц, которые ее составляют, приводит к их аннигиляции с образованием обычных частиц и античастиц — например, электронов и позитронов. Конкретный вид рождающихся частиц и их энергии определяются массой исходных частиц темной материи. Находка датчика PAMELA вполне могла быть связана с этим процессом.
Если темная материя состоит из слабо взаимодействующих тяжелых частиц — вимпов — то, по расчетам, их столкновения должны проявляться в стабильном повышении числа протонов на определенных энергиях, и последующим его резким падением. Картиной довольно характерной, причем точное значение энергии (порядка миллиардов электрон-вольт), при которой происходит это падение, должно указывать на массу предполагаемых вимпов.
К сожалению, данные детектора PAMELA оказались недостаточно надежными, да и вообще аннигиляция гипотетических частиц темной материи — далеко не единственный возможный источник античастиц во Вселенной. Считается, что чаще порождают их останки сверхновых, такие, как пульсары и нейтронные звезды. Действительно, вскоре данным детектора PAMELA было дано вполне рутинное объяснение — несмотря даже на то, что окончательно результаты тех наблюдений не были должным образом оценены, проанализированы и подготовлены к официальной публикации, а лишь были предварительно представлены академическому сообществу.
Другими путями выяснить характер распределения позитронов в космических лучах еще сложнее. К примеру, в близкой области работает космический гамма-телескоп Fermi, в данных которого, представленных в 2009 г., не обнаружилось ничего интересного. Но Fermi «видит» лишь гамма-лучи, которые могут быть связаны и с электронами, и с позитронами, но неспособен различить, с чем конкретно.
Тогда к проблеме подступили стэнфордские физики Стефан Фанк (Stefan Funk) и Джастин Ванденбрук (Justin Vandenbroucke), которые решили найти способ выделить из данных Fermi сигнал, который может создаваться лишь позитронами. Для этого им пригодилась... вся наша планета: в одних участках ее магнитное поле эффективно препятствует проникновению электронов, а в других — позитронов, соответственно, гамма-сигнал, полученный Fermi в определенных направлениях, должен быть связан только с позитронами.
Взяв эти данные за основу и проведя расчеты, ученые подтвердили данные PAMELA: количество позитронов постепенно растет на энергиях от 20 млрд электрон-вольт и до границы в 200 млрд. К сожалению, до самого пика, после которого должно начаться резкое падение числа позитронов, добраться ученым не удалось: для этого данных оказалось недостаточно. В любом случае, получается, что масса гипотетического вимпа должна быть минимум в сотню раз больше массы протона — в целом это согласуется с предыдущими теоретическими результатами.
Заметим, что большинство экспертов относятся к находке Фанка и Ванденбрука положительно, но осторожно. Как замечает Майкл Тернер (Michael Turner), в работах которого впервые предсказывалась возможность рождения позитронов из вимпов, пока не будет обнаружен энергетический пик, после которого фиксируется резкое падение числа позитронов, об окончательной картине говорить рано. Возможно, это удастся новому магнитному альфа-спектрометру AMS-02, который должен быть отправлен на МКС в мае следующего года. Это ультрасовременный детектор частиц, созданный совместно специалистами из 16-ти стран мира и обошедшийся в 2,2 млрд долларов. Его возможностей должно хватить вплоть до долгожданного пика — если он, конечно, вообще существует.
По публикации ScienceNOW