Книга: Достучаться до небес: Научный взгляд на устройство Вселенной

КОСВЕННЫЕ МЕТОДЫ ПОИСКА ТЕМНОЙ МАТЕРИИ

КОСВЕННЫЕ МЕТОДЫ ПОИСКА ТЕМНОЙ МАТЕРИИ

Эксперименты на БАКе и наземных криогенных детекторах или на ксеноне и аргоне — два способа определить природу темной материи. Третий и последний способ — определить ее путем непрямых наблюдений темной материи в небе и на земле.

Темная материя во Вселенной очень разрежена, но иногда она все же аннигилирует сама по себе или с участием соответствующей античастицы. Это происходит недостаточно часто, чтобы заметно изменить среднюю плотность темной материи, но даже этих нечастых событий может оказаться достаточно, чтобы породить измеримый сигнал. Дело в том, что при аннигиляции частиц темной материи рождаются новые частицы, которые уносят прочь их энергию. В некоторых случаях, в зависимости от природы темной материи, при ее аннигиляции могут родиться обнаружимые частицы и античастицы Стандартной модели, такие как электроны и позитроны или пары фотонов. Тогда астрофизические детекторы, способные регистрировать античастицы или фотоны, возможно, «увидят» и признаки этих аннигиляций.

Инструменты, занятые сейчас поиском продуктов аннигиляции темной материи, первоначально предназначались совсем не для этой цели. Они были задуманы как телескопы или детекторы (космические или наземные) для регистрации света или частиц; ученые просто хотели лучше понять, что находится там, в небе. Увидев, что именно излучают звезды, галактики и всевозможные экзотические объекты в них, астрономы могут многое узнать о химическом составе астрономических объектов, выяснить свойства и природу звезд.

Философ Огюст Конт в 1835 г. ошибочно сказал о звездах: «Мы никогда и никакими средствами не сможем исследовать их химический состав». Ему казалось, что это знание навсегда останется за пределами человеческих возможностей. Тем не менее после этих слов прошло не так уж много времени, когда в результате открытия и интерпретации спектра Солнца — излученного или поглощенного света — мы узнали о составе нашего светила, и ошибка Конта была раз и навсегда доказана.

Сегодняшние эксперименты продолжают ту же миссию, пытаясь определить состав других небесных тел. Современные телескопы очень чувствительны, и буквально с каждым месяцем мы узнаем об окружающем мире все больше и больше.

К счастью, наблюдения за светом и частицами, которыми уже занимаются самые разные приборы и установки, тоже могут пролить свет на природу скрытой массы. Поскольку античастицы во Вселенной встречаются относительно редко, а распределение энергии фотонов может обладать вполне определенными опознаваемыми свойствами, подобные наблюдения со временем, возможно, удастся связать с темной материей. Пространственное распределение этих частиц, возможно, также позволит отличить продукты аннигиляции от более распространенных астрофизических фонов.

Система HESS (High Energy Stereoscopic System), расположенная в Намибии, и система VERITAS (Very Energetic Radiation Imaging Telescopic Array) в штате Аризона представляют собой объединение множества наземных телескопов, занятых поисками фотонов высоких энергий из центра нашей Галактики. А следующее поколение очень высокоэнергетических гамма–обсерваторий — СТА (Cherenkov Telescope Array) — обещает еще более высокую чувствительность. Космический гамма–телескоп Ферми, ранее известный как GLAST, каждые 95 минут огибает Землю по орбите высотой 550 км на спутнике, запущенном в 2008 г. Преимущество наземных детекторов фотонов в том, что они собирают свет с громадной территории, тогда как чувствительнейшие инструменты телескопа Ферми дают много лучшее энергетическое разрешение и точнее определяют направление; они чувствительны к более низкоэнергетическим фотонам и имеют в 200 раз более широкое поле зрения.

Любой из перечисленных инструментов может регистрировать фотоны — как образовавшиеся при аннигиляции темной материи, так и излученные электронами и позитронами, родившимися в результате этой аннигиляции. Увидев те или другие, мы наверняка многое узнаем о характере и свойствах темной материи.

Другие детекторы занимаются в первую очередь поисками позитронов — античастиц электронов. Физики, участвующие в российско–итальянском спутниковом эксперименте PAMELA, уже сообщили о своих находках, и они совсем не похожи на то, что прогнозировалось заранее (см. результаты эксперимента PAMELA на рис. 80). Название в данном случае представляет собой аббревиатуру не слишком понятной фразы Pay load for Antimatter Matter Exploration and Light?nuclei Astrophysics[62]. Мы пока не знаем, чему мы обязаны «лишними» событиями, которые зарегистрировал этот аппарат, — темной материи или неверной оценке астрономических объектов, таких как пульсары. В любом случае результаты привлекли внимание и астрофизиков, и специалистов по физике элементарных частиц.

РИС. 80. Данные с прибора PAMELA показывают, как плохо экспериментальные данные (кресты) о доле позитронов в зависимости от энергии согласуются с теоретическими прогнозами (пунктирная кривая)

Темная материя может также аннигилировать с образованием протонов и антипротонов. Более того, многие модели предсказывают, что если уж частицы темной материи находят друг друга и аннигилируют, так чаще всего и происходит. Однако большое количество антипротонов, возникающих в Галактике в других известных астрофизических процессах, может маскировать сигналы от аннигиляции темной материи. И все же у нас, возможно, есть шанс увидеть темную материю при помощи антидейтронов — очень слабо связанных состояний антипротона и антинейтрона, — которые также могут возникать при аннигиляции темной материи. Альфа–магнитный спектрометр AMS-02, находящийся в настоящее время на Международной космической станции, а также специальные спутниковые системы, такие как GAPS (General Antiparticle Spectrometer), возможно, когда?нибудь «засекут» антидейтроны и откроют тем самым темную материю.

Наконец, ключом к непрямому обнаружению темной материи могут оказаться незаряженные частицы под названием нейтрино, участвующие только в слабом взаимодействии. Возможно, темная материя попадает в ловушку и оказывается запертой в центре Солнца или Земли. В таком случае единственным сигналом, который смог бы выбраться оттуда, являются именно нейтрино, так как в отличие от других частиц они не взаимодействуют по пути с веществом. Поисками этих высокоэнергетических нейтрино заняты детекторы Baikal, AMANDA, Ice Cube и ANTARES.

Если нам удастся зафиксировать хотя бы один из перечисленных сигналов — и даже если не удастся! — после этих экспериментов мы будем больше знать о природе темной материи, типичных для нее взаимодействиях и о ее массе. Пока же физики думают о том, какой сигнал следует ждать по прогнозам каждой из основных гипотез о темной материи. И, разумеется, мы задаемся вопросом о том, что могут означать уже полученные данные. Темная материя так слабо взаимодействует с материей обычной, что обнаружить ее будет очень непросто. Но можно надеяться, что установка разных, но действующих одновременно детекторов темной материи в ближайшем будущем непременно позволит нам добиться успеха; добавив к этому результаты экспериментов на БАКе, мы сможем лучше понять, что скрывает в себе Вселенная.