Книга Бог и Мультивселенная. Расширенное понятие космоса - Виктор Стенджер

Большинство прямых поисков проводится глубоко под землей — таким образом снижается фоновое влияние космических лучей, в то время как непрямые поиски ведутся с помощью высотных аэростатов и космических спутников. Тридцатого октября 2013 года появились первые результаты работы так называемого самого чувствительного детектора темной материи в мире — эксперимента LUX (Large Underground Xenonexperiment, «Большой подземный ксеноновый эксперимент»), проводившегося в Лиде, штат Южная Дакота. В ходе этого эксперимента не удалось подтвердить предыдущие сообщения о «намеках» на обнаружение искомых сигналов, выявленных в ходе нескольких менее чувствительных экспериментов, в достаточной мере исключив возможность существования вимпчастиц в диапазоне 5–20 ГэВ.

Намеки на обнаружение сигналов темной материи присутствовали также в отчетах о нескольких непрямых экспериментах. Акцент в них вновь-таки делается на вимп-частицах, в особенности на их разновидности, предсказанной теорией суперсимметрии.

Ожидается, что нейтралино должны выступать античастицами для самих себя, поэтому они будут аннигилировать, превращаясь в высокоэнергетические гамма-лучи, электрон-позитронные или протон-антипротонные пары. Три эксперимента, которые я здесь опишу, представляли собой непрямые поиски продуктов аннигиляции нейтралино.

Эксперимент PAMELA (Payload for Antimatter Exploration and Lightnuclei Astrophysics — «Нагрузка по исследованию антиматерии и астрофизики легких ядер») был организован коллаборацией из России, Италии, Германии и Швеции. Аппарат PAMELA был установлен на базе российского космического спутника «Ресурс-ДК1», запущенного 15 июня 2006 года. Его работа все еще продолжается. В августе 2008 года сотрудничество объявило, что им удалось обнаружить избыток позитронов в космических лучах на уровне свыше 10 ГэВ.

В ноябре 2008 года из Антарктики был запущен высотный аэростат ATIC (Advanced Thin Ionization Calorimeter — «Улучшенный тонкий ионизационный калориметр»). Он обнаружил избыток электронов в энергетическом диапазоне 300–800 ГэВ, хотя ему было не под силу отличить электроны от позитронов.

Орбитальный гамма-телескоп «Ферми» (Fermi Gamma-Ray Space Telescope, FGST) — совместный проект НАСА и космических агентств Франции, Германии, Италии, Японии и Швеции. Он был запущен с помощью ракеты «Дельта» с мыса Канаверал 11 июня 2006 года. В 2009 году сотрудничество сообщило об обнаружении избыточного количества позитронов, результаты согласовывались с данными эксперимента PAMELA. Еще более значимые данные поступили от рабочей группы PAMELA в феврале 2014 года. Ученые сообщили об «убедительном случае аннигиляции частиц темной материи».

Они наблюдали избыток гамма-лучей энергией 1–3 ГэВ, идущих из области, удаленной от центра Млечного Пути примерно на 10°. Сигнал соответствовал частице темной материи массой 31–40 ГэВ. Это, возможно, наиболее убедительное свидетельство существования нейтралинной темной материи, имеющееся на данный момент. Существование скоплений темной материи, масса которых может составлять порядка нескольких тераэлектрон-вольт, оказалось гораздо вероятнее, чем ожидалось.

Еще одним крупным проектом по поиску темной материи стал принадлежащий HACA аппарат AMS-02 (Alpha Magnetic Spectrometer, «Альфа-магнитный спектрометр»), установленный на борту Международной космической станции. Научным руководителем этого международного проекта стал лауреат Нобелевской премии по физике Сэмюэл Тинг из Массачусетского технологического института. Аппарат AMS-02 был доставлен на орбиту 19 мая 2011 года космическим шаттлом «Индевор».

В статье, опубликованной в 2013 году, Тинг с соавторами представили результаты (рис. 14.5), демонстрирующие резкое увеличение доли позитронов в промежутке 10–250 ГэВ, основанные на 6,8∙106 позитронных и электронных превращениях. Тонкая структура среди позитронов не наблюдалась, и не было обнаружено существенных изменений во времени или предпочитаемом направлении, что ожидалось в случае, если бы их источником была темная материя. Полученные результаты согласуются с результатами эксперимента PAMELA, но не с упомянутыми ранее последними данными, полученными телескопом «Ферми».

Заметьте, что на этом уровне энергии пик как будто несколько уплощается. Если по мере накопления данных пик начнет загибаться в противоположную сторону, это станет надежным подтверждением аннигиляции частицы с массой в несколько сотен гигаэлектрон-вольт. Тем не менее пока это только предварительный результат и нам придется подождать. В любом случае, отмечают авторы, характеристики полученных ими данных указывают на существование некоего нового феномена.

Рис. 14.5. Доля позитронов, согласно измерениям AMS-02. Данные были помещены в модель, которая параметризует потоки позитронов и электронов в виде суммы отдельных рассеянных степенных спектров и вклада отдельного источника. Рисунок взят с разрешения правообладателя из: Aguilar M. et al. First Result from the Alpha Magnetic Spectrometer on the International Space Station: Precision Measurement of the Positron Fraction in Primary Cosmic Rays of 0.5–350 GeV // Physical Review Letters, 110, 2013. — № 14. © 2013 by the American Physical Society

Последние признаки существования нейтринной темной материи

В главе 13 я упомянул, что, возможно, темная материя состоит из стерильных нейтрино. Это три вида нейтрино, которые очень слабо взаимодействуют с остальной материей и еще слабее — с тремя лучше изученными типами нейтрино — νe, νμ и ντ. Ожидается, что для их описания требуется минимальное расширение стандартной модели. В изначальной форме стандартная модель предполагала отсутствие массы у нейтрино, но не требовала его. Позже ее изменили таким образом, чтобы она допускала наличие массы у нейтрино, открытие которой произошло в 1998 году.

Когда эту книгу уже отправили в печать, две исследовательские группы, рассмотрев данные спутниковых наблюдений перекрывающихся скоплений галактик, сообщили об обнаружении сигнала энергией 3,5 КэВ — чуть выше фонового значения. Предполагается, что это результат распада стерильного нейтрино энергией 7 КэВ на два фотона, хотя до подтвержденного открытия пока еще далеко. Галактические скопления представляют собой центры особенной концентрации темной материи, и этой массы вполне достаточно для составляющих ее частиц. В момент последнего рассеяния эти нейтрино должны были быть «холодными».

Поскольку вероятно, что стерильные нейтрино сопровождаются двумя другими видами стерильных нейтрино, масса которых лежит в диапазоне нескольких электрон-вольт, также можно объяснить и упомянутое ранее эмпирическое несоответствие, существующее между предсказаниями модели, использованной для описания данных реликтового излучения, и наблюдениями галактических скоплений в телескоп. В момент последнего рассеяния эти нейтрино все еще были «горячими», в этом случае они не сгруппировались бы так охотно. Поскольку они бы все еще представляли собой часть темной материи, это привело бы к меньшему образованию скоплений в период формирования галактик, наступивший позднее.