PAMELA нащупала что-то тёмное

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.

Ничего подобного в истории астрофизики до сих пор не случалось, и Nature, который старается хранить свои публикации в секрете вплоть до их выхода в печать, позволил коллаборации PAMELA разместить данные в архиве электронных препринтов Корнельского университета за полгода до публикации. «Газета.Ru» тогда подробно описывала результаты эксперимента.

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.

Лишь в прошлом году появились первые указания на ограниченность «священной» модели. Учёные, работающие на коллайдере «Тэватрон» в США, опубликовали отчёт о странном сигнале в данных по столкновениям протонов и антипротонов. Они увидели загадочные «струи» частиц, выходящие из, казалось бы, пустого пространства, где частицы рождаться не должны.

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.

В случае, если речь идёт об аннигиляции, центр гало будет существенно ярче, чем если бы частицы распадались сами по себе, поскольку яркость будет пропорциональна квадрату плотности, а не её первой степени. Наблюдения на телескопе Ферми могут разрешить эту загадку. Пока запущенный прошлым летом космический аппарат собирает данные, и видит ли он вообще хотя бы одно гало, говорить рано.

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.