|
Следы антиматерии в космических лучах
|
|
|
|
Одной из важнейших задач современной космологии является раскрытие природы темной материи. Мы знаем, что он существует (он составляет более 85% материи во Вселенной), но мы никогда не видели его непосредственно и до сих пор не знаем, что это такое.
|
|
|
|
В исследовании, опубликованном в журнале Journal of Cosmology and Astroparticle Physics, были изучены следы антивещества в космосе, которые могут выявить новый класс никогда ранее не наблюдавшихся частиц, называемых вимпами (слабо взаимодействующими массивными частицами), которые могут составлять темную материю.
|
|
|
|
Исследование предполагает, что некоторые недавние наблюдения "антиядер" в космических лучах согласуются с существованием WIMP, но также и с тем, что эти частицы могут быть еще более странными, чем считалось ранее.
|
|
|
|
"Слабаки - это частицы, которые были теоретизированы, но никогда не наблюдались, и они могут быть идеальным кандидатом на роль темной материи", - объясняет Педро Де ла Торре Луке, физик из Института теоретической физики в Мадриде.
|
|
|
|
|
|
|
Несколько лет назад научное сообщество приветствовало "чудо". Казалось, что ВИМПы отвечают всем требованиям, предъявляемым к темной материи, и считалось — как только было "вообразимо", чем они могут быть и как их можно обнаружить, — что через несколько лет у нас появятся первые прямые доказательства их существования.
|
|
|
|
Напротив, исследования последних лет привели к исключению целых классов этих частиц из-за особенностей их излучения. Сегодня, хотя их существование не исключено полностью, диапазон возможных типов WIMP значительно сузился, как и методы их обнаружения.
|
|
|
|
"Из многочисленных предложенных моделей, которые были наиболее мотивированы, большинство на сегодняшний день были исключены, и лишь немногие из них сохранились до наших дней", - говорит Де ла Торре Луке.
|
|
|
|
Однако недавнее открытие, похоже, вновь открыло этот вопрос. "Это некоторые наблюдения из эксперимента AMS-02", - объясняет Де ла Торре Луке. AMS-02 (Альфа-магнитный спектрометр) - это научный эксперимент на борту Международной космической станции, который изучает космические лучи. "Руководители проекта сообщили, что они обнаружили следы антиядер в космических лучах, в частности антигелия, чего никто не ожидал".
|
|
|
|
Чтобы понять, почему эти антиядра важны для WIMP и темной материи, нужно сначала понять, что такое антивещество.
|
|
|
|
Антивещество - это форма материи с электрическим зарядом, противоположным заряду частиц "обычной" материи. Обычная материя состоит из частиц с отрицательным электрическим зарядом, таких как электроны, положительным зарядом (протоны) или нейтральным зарядом.
|
|
|
|
Антивещество состоит из "зеркальных" частиц с противоположными зарядами ("положительный" электрон, позитрон, "отрицательный" протон и т.д.). Когда вещество и антивещество встречаются, они аннигилируют друг с другом, испуская сильное гамма-излучение.
|
|
|
|
Во Вселенной, состоящей в подавляющем большинстве из обычной материи, есть небольшое количество антивещества, иногда более плотное, чем можно было бы подумать, учитывая, что позитроны используются в качестве контрастных веществ для ПЭТ - медицинского обследования, которому некоторые из вас, возможно, подвергались.
|
|
|
|
Часть этого антивещества, как полагают ученые, образовалась во время Большого взрыва, но в результате определенных событий постоянно образуется больше, что делает наблюдение за ним очень важным. "Если вы видите образование античастиц в межзвездной среде, где вы ожидаете очень малого, это означает, что происходит что-то необычное", - объясняет Де ла Торре Луке. "Вот почему наблюдение антигелия было таким захватывающим".
|
|
|
|
Наблюдаемые AMS-02 ядра антигелия действительно могут быть ядрами WIMP. Согласно теории, когда две частицы WIMP встречаются, в некоторых случаях они аннигилируют, то есть уничтожают друг друга, испуская энергию и производя как частицы вещества, так и частицы антивещества.
|
|
|
|
Де ла Торре Луке и его коллеги протестировали некоторые модели WIMP, чтобы убедиться, что они совместимы с наблюдениями.
|
|
|
|
Исследование подтвердило, что некоторые наблюдения антигелия трудно объяснить известными астрофизическими явлениями.
|
|
|
|
"Теоретические предсказания предполагали, что, хотя космические лучи могут образовывать античастицы в результате взаимодействия с газом в межзвездной среде, количество антиядер, особенно антигелия, должно быть чрезвычайно низким", - объясняет Де ла Торре Луке.
|
|
|
|
"Мы ожидали, что будем обнаруживать одно антигелиевое событие каждые несколько десятков лет, но около десяти антигелиевых событий, наблюдаемых AMS-02, на много порядков превышают прогнозы, основанные на стандартных взаимодействиях космических лучей. Вот почему эти антиядра являются вероятным ключом к уничтожению WIMPs".
|
|
|
|
Но их может быть и больше. Ядра антигелия, наблюдаемые с помощью AMS-02, состоят из двух различных изотопов (одного и того же элемента, но с разным количеством нейтронов в ядре): антигелия-3 и антигелия-4. Антигелий-4, в частности, намного тяжелее и встречается гораздо реже.
|
|
|
|
Мы знаем, что образование более тяжелых ядер становится все более маловероятным по мере увеличения их массы, особенно в результате естественных процессов, связанных с космическими лучами, поэтому наблюдение такого большого их количества является тревожным знаком.
|
|
|
|
"Даже в самых оптимистичных моделях WIMP могли бы объяснить только количество обнаруженного антигелия-3, но не антигелия-4", - продолжает Де ла Торре Луке, и для этого потребовалось бы представить частицу (или класс частиц), еще более странную, чем те, которые были предложены до сих пор, или, выражаясь техническим жаргоном, еще более "экзотично".
|
|
|
|
Таким образом, исследование Де ла Торре Луке и его коллег показывает, что путь к слабакам еще не закрыт. Сейчас требуется гораздо больше точных наблюдений, и нам, возможно, придется расширить или адаптировать теоретическую модель, возможно, введя новый темный сектор в стандартную модель известных на сегодняшний день частиц с новыми "экзотическими" элементами.
|
|
|
|
Источник
|
