Бог и Мультивселенная. Расширенное понятие космоса - Виктор Стенджер

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{309}. 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{310}. 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{311}. 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.

Самые высокоэнергетические нейтрино всех времен

В предыдущей главе я упоминал, что много лет проработал над проектом под названием DUMAND, в ходе которого планировалось разместить на дне океана в районе Большого острова Гавайи огромный нейтринный детектор с целью поиска сверхвысокоэнергетических нейтрино из внеземных источников. В других местах, таких как озеро Байкал в Сибири и Средиземное море, также проводились подобные эксперименты{312}. Проект DUMAND в конечном итоге остановили, поскольку сочли работу глубоко на дне океана слишком сложной и дорогой. Другая команда ученых, чья штаб-квартира располагалась в Висконсинском университете, нашла более гостеприимную среду, нежели океан у побережья Гавайев, — Южный полюс.

Используемый ими метод опять-таки включал обнаружение излучения Вавилова — Черенкова у заряженных частиц, испускаемого во время столкновения сверхвысокоэнергетических нейтрино с ядрами атомов в прозрачной среде — в данном случае такой средой послужил антарктический лед. В 1990-хгодахвходе проекта AMANDA (Antarctic Muon and Neutrino Detector Array, «Антарктическая мюонная и нейтринная детекторная решетка») струны фотоэлектронных умножителей погрузили глубоко в лед возле антарктической станции «Амундсен-Скотт». В 2005 году ее расширили до кубического километра на глубине между 1450-ми 2450-м метрами и переименовали в IceCube («Ледяной куб»). Установка завершилась в декабре 2010 года. IceCube, безусловно, представляет собой самый высокочувствительный эксперимент из существующих.

Двадцать первого ноября 2013 года группа IceCube заявила об обнаружении 28 нейтрино энергией более 30 ТэВ, причем в двух случаях их энергия превышала 1 ПэВ (1015 эВ){313}. Если полученные в будущем данные позволят точно установить их источники, благодаря проекту IceCube наконец откроется новое нейтринное окно во Вселенную. Когда эта книга уже была отправлена в издательство, появилось сообщение о третьем нейтрино энергией свыше 1 ПэВ.

Астрофизик Флойд Стекер из Центра космических полетов Годдарда, с которым мы в прошлом вместе работали, доказал, что нейтрино энергией порядка пикаэлектрон-вольт согласуются с прогнозом, который он и три его соавтора сделали в 1991 году: ультравысокоэнергетические нейтрино могут образовываться в недрах активных галактик{314}.

Предостережение

Как и в предыдущем разделе, некоторые новые результаты, которые я описываю в этой главе (а также в главе 11), были добавлены в книгу уже после того, как ее отправили в издательство. Некоторые источники до сих пор существуют только в форме препринтов. Очевидно, что физика частиц и космология развиваются очень быстро, поэтому приведенную информацию не следует считать окончательной. Я могу представить только моментальный снимок, отражающий ситуацию на момент издания этой книги.