4 мая 2009 г.

Первые результаты поиска частиц темной материи на телескопе им. Ферми

Запущенный недавно космический телескоп им. Ферми выдал первый результат по косвенному поиску частиц темной материи. Он измерил суммарный поток электронов и позитронов в области энергий от 20 ГэВ до 1 ТэВ и получил данные в несколько раз точнее, чем все предшествующие измерения. Результаты опровергли данные другого недавнего наблюдательного эксперимента, ATIC. Однако "видит" Fermi проявления темной материи или нет -- пока непонятно.

Данные телескопа Fermi (показаны красным) и предыдущих наблюдений. Штриховой линией показан ожидаемый спектр в типичной "неаномальной" модели. Источник: Physics 2, 37 (2009).

Сначала краткая предыстория.

Благодаря внимательному наблюдению за звездами, галактиками и другими более экзотическими космическими "светилами" выяснилось, что наша Вселенная заполнена неким невидимым веществом, которого по совокупной массе в несколько раз больше, чем обычного "светлого" вещества -- звезд, туманностей, газов и пыли. Эта темная материя проявляется пока только через гравитационные возмущения, которые она наводит на "светлую", но из чего она состоит -- совершенно неизвестно. Однако уже установлено, что это должно быть вещество какого-то нового типа, которое до сих пор никогда не встречалось физикам. Ни атомы, ни электроны, ни протоны-нейтроны, ни нейтрино, ни даже какие-нибудь страпельки, а что-то совсем-совсем чужеродное. И это что-то не только перевешивает обычное вещество сейчас, но и гарантированно влияло на эволюцию ранней Вселенной.

Всё это -- головокружительно интересно; это похлеще научной фантастики, потому что это не выдумано кем-то, а существует на самом деле. И неизвестно еще, какие тайны за ним скрываются. Поэтому физики хотят хоть что-то узнать про эту темную материю, хоть как-нибудь. Теоретики, конечно, давным-давно понапридумывали кучу вариантов, но тут речь пойдет об экспериментальных работах.

Существует три основных метода поиска частиц темной материи (именно самих частиц, а не их гравитационного воздействия!).
  • Прямое рождение новых подходящих частиц на ускорителях высоких энергий. Физики очень надеются, что такие частицы будут открыты на Большом адронном коллайдере, и надежды эти небеспочвенны.
  • Прямое детектирование в подземных экспериментах частиц темной материи, прилетающих из космоса на Землю. Таких экспериментов проводили довольно много, но статистически достоверный положительный результат был обнаружен только в одном из них -- эксперименте DAMA/LIBRA (см. новость "Эксперимент DAMA по-прежнему «видит» частицы темной материи"). Проблема тут, правда, в том, что непонятно, как интерпретировать эти данные. Кстати, этот эксперимент проводился в итальянской лаборатории Gran Sasso, рядом с которой произошло недавнее землетрясение.
  • Косвенное детектирования продуктов реакций с участием частиц темной материи, а конкретно -- поиски прилетающих из космоса высокоэнергетических частиц, которые можно надежно интерпретировать как результаты аннигиляции частиц темной материи. Такие эксперименты обычно проводятся с "летающими детекторами" -- либо в космосе, либо на аэростатах высоко в атмосфере. Вот с этих экспериментов в последние пару лет было получено сразу несколько очень интересных результатов. Данные со спутника Fermi тоже относятся к этому классу.

До публикации Fermi cитуация тут была такая.

Было несколько ранних экспериментов, которые измеряли энергетический спектр тех или иных частиц частиц в космических лучах в области энергий от 1 ГэВ и выше. Однако они либо неплохо согласовывались с моделью рождения частиц в обычных высокоэнергетических астрофизических процессах (ведь в космосе есть много природных ускорителей), либо они отклонялись от модели, но у них были слишком большие погрешности, чтобы заявлять о каком-то серьезном разногласии.

В конце 2008 года коллаборация PAMELA опубликовала две статьи: измерение отношения позитронов и электронам и отношения антипротонов к протонам в спектре космических лучей. Антипротонные данные не показывали ничего необычного, а вот позитронные сразу наделали много шума: отношение e+/e- при энергии выше 10 ГэВ росло вместо того, чтобы уменьшаться.

В конце прошлого года появились также данные с антарктического аэростатного эксперимента ATIC. В этом эксперименте не удавалось отличить электроны от позитронов, поэтому в нем измерялся суммарный поток электронов и позитронов высоких энергий. Однако и тут на графике энергетического распределения была "аномалия" -- причем не просто рост вверх, а большой и красивый "горб" в области 300-800 ГэВ.

Подробнее про эти и другие похожие данные см. в интересной подборке разнообразных аномалий в астрофизических экспериментах, связанных с поиском частиц темной материи.

Для объяснения этих отклонений прямо-таки напрашивалась гипотеза о существовании частиц темной материи с массой в несколько сот ГэВ. Будучи стабильными, такие частицы не распадаются самопроизвольно, но в местах скопления темной материи они изредка сталкиваются друг с другом и аннигилируют, порождая обычные частицы. Так что "лишний" поток электронов или позитронов как раз может объясняться аннигиляцией частиц темной материи.

Конечно, в каждой из этих экспериментальных работ авторы подчеркивали, что из данные еще ничего окончательно не доказывают, поскольку какой-нибудь близкий пульсар мог бы в принципе породить аналогичный эффект, но теоретиков уже остановить было нельзя. В общем, последние полгода-год попытки увязать все эти аномалии в единую картину превратилось в одну из самых модных тем в феноменологии элементарных частиц.

А теперь появились данные Fermi (см. рисунок выше). Fermi тоже не может разделить позитроны и электроны, поэтому вынужден мерять их вместе. Но у него более совершенная аппаратура, что позволяет получить точность в несколько раз лучше, чем у предыдущих детекторов. Результаты Fermi показали, что ATIC намерял что-то не то. Т.е. такой большой горб не подтверждается.

Впрочем, на графике Fermi можно разглядеть другой горб, более пологий. Но как его объяснить, пока непонятно. Теоретики, конечно, быстро подберут параметры, объясняющие этот спектр в той или иной модели распада частиц темной материи, но наверняка этот горб так же хорошо удастся описать и обычными процессами в каком-нибудь близком астрофизическом источнике.

А вообще, лучше конечно дождаться новых данных и публикаций. Во-первых, Fermi собирается в последующей статье провести более тщательную обработку полученных данных, с учетом корреляций между систематическими погрешностями. Может быть, от этого пик станет более статистически достоверным. Кроме того, коллаборация планирует десятикратно увеличить статистику набранных данных. Новые данные ожидаются и от PAMELA. Наконец, планируется запуск на орбиту еще одного экспримента, AMS, который проверит данные PAMELA.

В общем, в ближайшие годы ожидается массированная атака на темную материю. Может быть, она приведет (вкупе с данными LHC) к какому-то конкретному выводу.

И еще. Почти одновременно с Fermi были опубликованы новые данные наземной системы телескопов H.E.S.S. (препринт arXiv:0905.0025). Они тоже смогли исследовать область энергий, в которой ATIC обнаружил свою аномалию, но никакого горба не зарегистрировали.

Ссылки.

Результаты Fermi:
Результаты PAMELA: Результаты ATIC: Другие ссылки:

15 комментариев:

  1. Анонимный5/5/09 11:58

    "Благодаря внимательному наблюдению за звездами, галактиками и другими более экзотическими космическими светилами выяснилось, что наша Вселенная заполнена неким невидимым веществом"

    Вообще-то, это только одна из гипотез. MOND-теория тоже неплохо объясняет эти наблюдения.

    ОтветитьУдалить
  2. MOND неплохо объясняет только некоторые наблюдения. Большинство данных она описывает плохо.

    ОтветитьУдалить
  3. Очень интересная заметка! Но, как и с DAMA, тут пока ничего достоверного... Понравилась фраза: "...но теоретиков уже остановить было нельзя". Физикам, похоже, идея темной материи нравится все больше и больше. А вот астрономы, напротив, начали сомневаться, хотя сами первые о ней заговорили когда-то. СМИ дружно комментируют недавнее сообщение Кроупа, например вот тут http://www.gazeta.ru/science/2009/04/22_a_2977764.shtml. Может быть и физикам все же удастся обойтись без "темных сил" ?

    ОтветитьУдалить
  4. Обойтись без темных сил не получится. Ну если только законы физики поменять. А так, -- или вводить темную материю, или превращать гравитацию во что-то намного более экзотическое, чем ОТО.

    ОтветитьУдалить
  5. Ответ заинтриговал... Игорь, может, как-нибудь напишите об этом подробно? Уж больно интересная тема.

    ОтветитьУдалить
  6. Так ведь столько уже понаписано на эту тему самых разных материалов! Читайте специалистов, зачем вам меня ждать :) Тем более, что я на эту тему вряд ли что-то буду писать подробно.

    ОтветитьУдалить
  7. Дело движется к тому, что перед Тем Днем, возможно многое может быть открыто...

    ОтветитьУдалить
  8. БАК надо быстрее запускать...
    Гамма-телескопы пока не надежны для поиска темн.вещества
    ...А ведь еще и темная энергия. Не паханное поле!

    ОтветитьУдалить
  9. Анонимный12/5/09 14:04

    Кстати, всегда было интересно - а почему невозможны "тёмные звёзды"? У тёмной материи нет возможности достаточно охладиться?

    ОтветитьУдалить
  10. Насколько я понимаю, с темными звездами проблемы две: им трудно образоваться и им трудно удержаться от коллапса.

    У частиц темной материи очень малое сечения взаимодействия друг с другом. Поэтому если "протозвездное" облако темной материи начинает сжиматься под действием гравитации, то темное вещество пройдет друг сквозь друга и снова разлетится в виде облака. В обычном газопылевом облаке на каком-то этапе из-за взаимодействия включится вязкость и диссипация энергии, а в темном веществе этот процесс очень слаб.

    Второе -- даже если темная звезда (звездной массы) образовалась, то опять же из-за слабости взаимодействия ей будет тяжело создать значительное внутреннее давление и удержаться от схлопывания в черную дыру (или от аннигиляции в обычные частицы, не знаю, какой процесс пойдет эффективнее).

    Впрочем, вроде бы компактные сгустки темной материи планетных размеров возможны (есть такой термин MACHO), но я не знаю текущей ситуации в этом вопросе.

    ОтветитьУдалить
  11. Хм, а почему все так уверены что "темная" материя это именно какой-то новый тип материи, со своими собственными частицами?
    Ведь "светлая" материя (видимая) это горящие звезды и пылевые облака - все что излучает свет(ЕМ-волны в общем случае). Но ведь в космосе полно обычной материи, которая свет не излучает.
    Например нейтронные звезды и черные дыры - масса есть(и огромная), а излучения от них нет.
    Их вообще учитывают, когда заявляют что обычная материя составляет всего 5% (а темная 25%)? Скорее всего учитывают(по крайней мере центральную ЧД в галактике), но что если таких образований (нейтронные звезды и черные дыры) в космосе реально намного больше чем сейчас принято считать?
    И второй момент, а вклад массы межзвезного/межгалактического вакуума в общую массу учитывают?
    Ведь реальный вакуум, в отличии от теоретического не является абсолютной пустотой. Конечно у него ОЧЕНЬ маленькая плотность (какие-то сотни отдельных частиц на куб.м), но зато его в каждой галактике миллиарды кубических световых лет и в результате общая масса огромна.
    И кроме газа весь вакуум буквально пронизан разнообразным излучением от звезд(+рекликтовым) идущим во всех направлениях. А фотоны тоже имеют массу (m=E/с^2) + и нейтринно тоже дают какой-то вклад.
    Если все хорошо посчитать, не найдутся случайно "потерянные 25%" без придумывания какого-то нового вещества? :)

    ОтветитьУдалить
  12. Всё это -- и межзвездный газ, и нейтронные звезды и т.д. -- учитывают. Они дают вклад в "светлую" материю. И с учетом них все равно получается мало. Излучение так дает мизерный вклад в плотность энергии вселенной (это раньше, в эпоху горячей вселенной, излучение доминировало). Темная материя должна состоять из чего-то другого.

    ОтветитьУдалить
  13. Анонимный8/4/13 00:28

    Игорь! Вы прекрасны! С удовольствием читаю ваши статьи на Элементах и смотрю лекции. Из сухих и скучных данных Вы всегда делаете увлекательную и, главное, понятную историю. Не останавливайтесь! Наука живет благодаря таким людям, как Вы.
    С уважением и благодарностью к.м.н Хижняк А.Н., Киевский Национальный медицинский университет.

    ОтветитьУдалить
  14. Анонимный8/4/13 00:33

    Че-то я, наверное, в очень старом посте написал... Ну, не важно, если найдете этот комментарий, знайте, даже ваши старые статьи читаются и по-прежнему интересны. Спасибо еще раз.
    Хижняк А.Н.

    ОтветитьУдалить
    Ответы
    1. Спасибо за отклик :) Мне комменты приходял по емайлу, я их вижу сразу.

      Удалить