В поисках темной материи
В главе 11 я упомянул феномен гравитационного линзирования, при котором объект с высокой массой, такой как скопление галактик, может вызвать отклонение лучей света от источника таким образом, что образуются его множественные изображения. Благодаря гравитационному линзированию удалось весьма эффективно подтвердить существование темной материи и нанести на карту ее распространенность во Вселенной. Можно ожидать, что в будущем нас ждет намного больше примеров{306}.
Множественные изображения образуются, когда масса линзы очень высока. Это называется сильным линзированием. Если масса несколько меньше, происходит слабое линзирование, при котором не образуются множественные изображения, а просто происходит искажение внешнего вида источника. Он может выглядеть растянутым, увеличенным или и тем и другим сразу. Наряду с тем, что отдельная галактика может иметь вытянутую форму, иногда мы видим, что целый ряд таких вытянутых галактик выстраиваются в линию в каком-либо направлении — это верный признак того, что некая невидимая масса искажает их внешний вид, выступая в роли гравитационной линзы. На основании степени искажения и распределения искаженных галактик в пространстве можно определить массу и распределение этой гравитационнойлинзы. Проделав эту работу, мы получаем явное доказательство существования темной материи{307}.
Однако гравитационное линзирование ничего не говорит нам о том, какова может быть природа частиц темной материи. За предшествующие написанию этих строк 20 лет было проведено или проводится до сих пор около 30 экспериментов, целью которых являются обнаружение и идентификация темной материи{308}. Последние результаты вызывают мучительную надежду, но они пока еще не подтверждены.
В основном используются два метода: прямые поиски, в ходе которых ученые пытаются обнаружить прохождение частиц темной материи через детекторы, и непрямые поиски, во время которых ищут вторичные частицы, возникающие при аннигиляции частиц темной материи. До сих пор оба метода были нацелены в основном на поиски вимп-частиц, а именно нейтралино, существование которых предсказывает теория суперсимметрии. Также проводилось несколько прямых поисков, непосредственно нацеленных на обнаружение аксионов. Однако, поскольку попытки обнаружить суперчастицы на БАК до сих пор оканчиваются провалом, ученые стали больше внимания уделять возможной альтернативе — стерильным нейтрино (как уже упоминалось в главе 13).
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{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