На фото: Детектор AMS на станции МКС (источник)
Темой обсуждения стала статья «AMS finds evidence of new source of positrons in cosmic rays» в журнале Cern Courier. Согласно данному сообщению, коллаборацией AMS[1] были получены доказательства существования нового источника позитронов в космических лучах на основании измерения соотношения числа позитронов в общем потоке позитронов и электронов, детектированных в космических лучах, в диапазоне энергий 0,5-500 ГэВ. Полученные результаты дали возможность уточнить данные по скорости возрастания позитронов и электронов в общем потоке, в зависимости от энергии. Скорость нарастания потока позитронов, наблюдаемая в диапазоне энергий 2-200 ГэВ, позволяет утверждать о существовании дополнительного источника позитронов.
На рисунке:
Аппарат ПАМЕЛА (источник) Комментирует Аркадий Моисеевич:
«Представленные результаты повторяют те, что были намного раньше получены в ходе эксперимента "ПАМЕЛА"[2], хотя возможности детектора AMS, конечно же, превышают имевшиеся на ПАМЕЛе. Поэтому, корректнее было бы говорить не о том, что AMS обнаружил новый источник позитронов, а, скорее, – уточнил имевшиеся ранее данные и позволил продвинуться дальше по энергиям. Возможно, отсутствие указания на более ранние эксперименты, и в частности ПАМЕЛу, связано с краткостью самой публикации.»
Впервые о несовпадении экспериментальных показателей роста отношения e+/(e+ + e–) с теоретически предсказанными значениями при значениях энергии больше 5 ГэВ заговорили в 2008-2009 гг., при обработке результатов детектирования частиц ПАМЕЛой. Данное сообщение породило, фактически, сенсацию в научной среде и не один десяток публикаций, поскольку было показано, что такой рост позитронной фракции в общем потоке может быть вызван только наличием дополнительного источника позитронов. Полученный эффект даже окрестили «Аномальный эффект ПАМЕЛы».
Тогда впервые были выдвинуты и версии относительно этого источника. Основных, принятых и на сегодняшний день, – две. Первая версия связана с загадочной темной материей, аннигиляцией и распадом. Даже были рассмотрены многочисленные теоретические модели, исходя из этой версии, на основе полученных результатов аномального эффекта ПАМЕЛы.
Вторая – астрофизические объекты, среди которых наиболее вероятными кандидатами можно считать пульсары.
«Как только это явление было обнаружено нами, появились модели, объясняющие, откуда берутся дополнительные позитроны. В одних предполагалось, что гипотетические частицы темной материи, – они получили название вимп[3], – сталкиваясь друг с другом могут аннигилировать. И вместо них появляются электроны и позитроны. Поскольку электронов и так много, а обычных позитронов мало, то даже небольшой процент этих дополнительных позитронов в общем потоке становится более заметен, чем у электронов.
Были даже предложены теоретические оценки масс вимпов. Чтобы дать точные значения масс вимпов, необходимо было, чтобы на графике зависимости значения e+/(e+ + e–) от энергии появился максимум с последующим спаданием – то, что удалось обнаружить исследователям из AMS. У нас этих значений не было, – размеры магнитного спектрометра ПАМЕЛы не позволяли, – а потому и оценки масс давались методами экстраполяции, вплоть до 7-10 ТэВ,» – рассказывает Аркадий Моисеевич.
На рисунке: Графики изменения доли позитронов в общем потоке в зависимости от энергии, полученные по результатам измерений AMS. На нижнем графике виден максимум с последующим прогнозируемым убыванием числа позитронов. По оценкам коллаборации AMS, максимум приходится на значение энергии 275 ± 35 ГэВ (источник иллюстрации)
Новые результаты, согласно публикации, позволили ужесточить ограничения к данным моделям. В частности, указывают авторы, полученные ими данные ограничивают массу частиц темной материи величиной 1 ТэВ.
«В качестве другой причины дополнительного потока позитронов мы называли астрофизические объекты. Рассматривались, в частности пульсары. Например, тут «недалеко» от нас расположены остатки сверхновой – это относительно быстро вращающаяся нейтронная звезда, у которой могут возникать высокоэнергичные позитроны и электроны, и они могут, в конце концов, давать дополнительные потоки позитронов и электронов в общем потоке космических лучей» – продолжил Аркадий Моисеевич.
Отметим, что авторы обсуждаемой нами с А.М. Гальпером публикации указывают, что имеющихся оценок результатов измерения для однозначного ответа на вопрос «Что является источником позитронов – темная материя или же известные астрофизические источники?», на сегодняшний день недостаточно. Для решения этой задачи предстоит провести дополнительные измерения потоков e+ и e–, а возможно и других частиц, например, антипротонов, антидейтонов, ядер антигелия, которые также могут иметь отношение к аннигиляции и распаду частиц темной материи.
Говоря об актуальности обсуждаемых исследований, Аркадий Моисеевич сказал:
«Почему это интересно? Мы знаем, что значительная часть материи во Вселенной – это темная материя. Но до сих пор так и не удалось выделить частицы темной материи, хотя и ускорители пытались их «родить», и подземные установки зарегистрировать… Даже опыты на Коллайдере не принесли ожидаемых результатов, очевидно, в силу недостаточности энергии для этого. И только в космосе, эксперименты типа ПАМЕЛы или AMS, подбираются к обнаружению этих частиц и определению их массы.
А если окажется, что источник дополнительных позитронов – не темная материя, будем дальше проводить эксперименты. Хотя уже сегодня эти результаты важны для понимания процессов, связанных с темной материей.»
Заканчивая беседу, мы не могли не поинтересоваться у А.М. Гальпера о судьбе ПАМЕЛы на сегодняшний день.
«ПАМЕЛА продолжает свою работу. Уже не в той области, о который мы говорили с Вами, а, например, изучение активных процессов, происходящих на Солнце. Так что наш проект не только существует, но и продолжает решать весьма актуальные задачи» – ответил Аркадий Моисеевич.
На рисунке: Схема расположения PAMELA на спутнике Ресурс-ДК1 (источник)
Любченко Е., АНИ «ФИАН-информ»
____________________________________
Примечания.
[1] AMS (Alpha Magnetic Spectrometer) – детектор частиц, предназначенный для изучения состава космических лучей, поиска антиматерии и темной материи. В настоящее время в космосе работает второе поколение прибора, AMS-02, запуск которого был произведен в 2011 году. Установлен на МКС. Аналогичное название носит и коллаборация, в которую входят ученые из 15 стран Европы, Азии и Америки, в т.ч. США, Франция, Германия, Россия и др. К тексту
[2] PAMELA (Payload for Antimatter Matter Exploration and Light-nuclei Astrophysics) – международный проект ученых России, Италии, Швеции, Германии в рамках российско-итальянской программы «РИМ», направленный, прежде всего на измерение спектров античастиц высоких энергий в космическом излучении. С российской стороны участниками проекта являются МИФИ, ФИАН и ФТИ им. А.Ф. Иоффе. Научным соруководителем проекта с российской стороны является Аркадий Моисеевич Гальпер, интервью с которым представлено в данном сообщении. Запуск аппарата PAMELA состоялся в 2006 г. Более подробно о данном эксперименте можно прочитать на http://www.space.mephi.ru/project/pamela.htm. К тексту
[3] Вимп (WIMP, Weakly Interacting Massive Particle) – слабовзаимодействующая массивная частица. Вимпы являются одними из гипотетически возможных составных элементов (частиц) темной материи. Предполагается, что масса вимпов в десятки раз превосходит массу протонов. Поскольку, согласно теории, вимпы участвуют только в слабом и гравитационном взаимодействиях, обнаружить их экспериментально весьма сложно. К тексту
"