На изображении показан прогнозируемый поток антигелия-3 темной материи (WIMP), который аннигилирует эти антиядра. Каждый цвет представляет собой прогноз для различной массы темной материи, как показано в легенде. Чувствительность полос приближается к AMS-02, а это означает, что в некоторых оптимистичных случаях это несоответствие можно объяснить WIMP. Фото предоставлено: Де ла Торре Луке и др.
Одной из величайших задач современной космологии является раскрытие природы темной материи. Мы знаем, что оно существует (оно составляет более 85% вещества во Вселенной), но мы никогда не видели его напрямую и до сих пор не знаем, что это такое.
Исследование, опубликованное в Журнале космологии и физики астрочастиц, изучило следы антиматерии в космосе, которые могут выявить новый класс никогда ранее не наблюдавшихся частиц, называемых WIMP (слабо взаимодействующие массивные частицы), которые могут составлять темную материю.
Исследование предполагает, что некоторые недавние наблюдения «антиядер» в космических лучах согласуются с существованием вимпов, но также и то, что эти частицы могут быть даже более странными, чем считалось ранее.
«Вимпы — это частицы, которые были выдвинуты в теории, но никогда не наблюдались, и они могут быть идеальными кандидатами на роль темной материи», — объясняет Педро Де ла Торре Луке, физик из Института теоретической физики в Мадриде.
Несколько лет назад научное сообщество приветствовало «чудо». Вимпы, казалось, соответствовали всем критериям темной материи, и считалось, что как только люди «представят», кем они могут быть и как их можно обнаружить, мы получим первые прямые доказательства их существования в течение нескольких лет.
Напротив, исследования последних лет привели к исключению целых классов этих частиц из-за их особых выбросов. Хотя их существование сегодня не полностью исключено, диапазон возможных типов вимпов стал значительно меньше, как и методы, используемые для их обнаружения.
«Из многих предложенных наиболее мотивированных моделей большинство сегодня исключено, и лишь немногие из них сохранились до наших дней», — говорит Де ла Торре Луке.
Предсказанный поток антидейтронов темной материи (вимпов), которые аннигилируют эти антидейтроны. Каждый цвет представляет собой прогноз для различной массы темной материи, как показано в легенде. Мы видим, что вимпы также могут генерировать поток антидейтронов, наблюдаемый AMS-02. Фото предоставлено: Де ла Торре Луке и др.
Однако недавнее открытие, похоже, возобновило дело. «Это некоторые наблюдения эксперимента AMS-02», — объясняет Де ла Торре Луке. AMS-02 (Альфа-магнитный спектрометр) — научный эксперимент на борту Международной космической станции по изучению космических лучей. «Руководители проекта рассказали, что обнаружили в космических лучах следы древних ядер, в частности антигелия, чего никто не ожидал».
Чтобы понять, почему эти антиядра важны для вимпов и темной материи, нужно сначала понять, что такое антиматерия.
Антиматерия — это форма материи с электрическим зарядом, противоположным заряду «обычных» частиц материи. Обычное вещество состоит из частиц с отрицательными электрическими зарядами, таких как электроны, положительные заряды (протоны) или нейтральные заряды.
Антиматерия состоит из «зеркальных» частиц с противоположными зарядами («положительный» электрон, позитрон, «отрицательный» протон и т. д.). Когда материя и антиматерия сталкиваются, они уничтожают друг друга и испускают сильное гамма-излучение.
Во Вселенной, которая в основном состоит из обычной материи, есть небольшое количество антиматерии, иногда ближе, чем вы думаете, учитывая, что позитроны используются в качестве контрастных агентов для ПЭТ, медицинского обследования, которому некоторые из вас, возможно, подверглись.
Ожидаемый поток антидейтронов, возникающий в результате взаимодействия космических лучей (частиц высоких энергий в галактике, главным образом протонов и гелия) с газом в межзвездной среде. Их сравнивают с потоком антидейтронов, который могут обнаружить различные эксперименты (GAPs, эксперимент, который будет запущен в конце этого года, и AMS-02, имеющий два детектора: RICH и TOF). На этом рисунке вы можете видеть, что поток, создаваемый взаимодействием с космическими лучами (синяя полоса), может объяснить некоторые события, наблюдаемые в эксперименте AMS. Фото предоставлено: Де ла Торре Луке и др.
Ученые полагают, что часть этой антиматерии была создана во время Большого взрыва, но определенные события постоянно создают еще больше, что делает наблюдение очень важным. «Если вы видите рождение античастиц в межзвездной среде, где мало чего ожидаете, это означает, что происходит что-то необычное», — объясняет Де ла Торре Луке. «Вот почему наблюдение за антигелием было таким захватывающим».
То, что производит ядра антигелия, наблюдаемые AMS-02, на самом деле может быть вимпами. Согласно теории, в некоторых случаях происходит аннигиляция между двумя частицами вимпа, которые уничтожают друг друга, высвобождая энергию и производя как частицы материи, так и антиматерии.
Де ла Торре Луке и его коллеги протестировали некоторые модели WIMP, чтобы проверить, совместимы ли они с наблюдениями.
Исследование подтвердило, что некоторые наблюдения антигелия трудно объяснить известными астрофизическими явлениями.
«Теоретические предсказания предполагают, что количество антиядер, особенно антигелия, должно быть чрезвычайно небольшим, хотя космические лучи могут генерировать античастицы посредством взаимодействия с газом в межзвездной среде», — объясняет Де ла Торре Луке.
«Мы ожидали, что событие антигелия будет обнаруживаться каждые несколько десятков лет, но примерно десять событий антигелия, наблюдаемые AMS-02, на много порядков превышают предсказания, основанные на стандартных взаимодействиях космических лучей. Таким образом, эти древние ядра являются правдоподобным признаком разрушения вимпов».
Ожидаемый поток антигелия-3, возникающий в результате взаимодействия космических лучей (частиц высоких энергий в галактике, в основном протонов и гелия) с газом в межзвездной среде. Фото предоставлено: Де ла Торре Луке
Но могло быть и больше. Ядра антигелия, наблюдаемые AMS-02, состоят из двух разных изотопов (одного и того же элемента, но с разным количеством нейтронов в ядре): антигелия-3 и антигелия-4. В частности, антигелий-4 намного тяжелее и гораздо реже.
Мы знаем, что образование более тяжелых ядер становится все менее вероятным по мере увеличения массы, особенно за счет естественных процессов, связанных с космическими лучами, поэтому появление такого большого количества ядер является предупреждающим знаком.
«Даже в самых оптимистичных моделях вимпы могли объяснить только количество обнаруженного антигелия-3, но не количество антигелия-4», — продолжает Де ла Торре Люке, и для этого нужно было бы представить частицу (или класс частиц), что еще более странно, чем ранее предложенные вимпы, или, выражаясь техническим жаргоном, еще более «экзотично».
Исследование Де ла Торре Луке и его коллег показывает, что путь к вимпам еще не закрыт. Теперь требуется гораздо более точные наблюдения, и нам, возможно, придется расширить или скорректировать теоретическую модель, возможно, введя новый темный сектор с новыми «экзотическими» элементами в Стандартную модель ранее известных частиц.
Информация от: Международной школой перспективных исследований (SISSA).
