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:

• Measurement of the Cosmic Ray e+e- Spectrum from 20 GeV to 1 TeV with the Fermi Large Area Telescope, Phys.Rev.Lett. 102, 181101 (2009) -- оригинальная статья коллаборации Fermi LAT. Она же в архиве препринтов: arXiv:0905.0025.
  
• Cosmic light matter probes heavy dark matter (Physics 2, 37 (2009)) -- рассказ об этой работе, адаптированный для физиков-неспециалистов этой теме. Там же есть ссылка на PDF статьи в свободном доступе.
  
• On possible interpretations of the high energy electron-positron spectrum measured by the Fermi Large Area Telescope -- статья с подробным анализом этих данных (и данных PAMELA) в разных предположениях.
  
• По нам стреляет неизвестно что -- новость на Газете.ру про эту работу.
  
• Pulsars or dark matter might be the source of high-energy cosmic electrons -- заметка в блоге Symmetry Breaking.
  
• All eyes on Denver -- заметка в блоге Resonaances.
  

Результаты PAMELA:

• Антипротоны: оригинальная статья New Measurement of the Antiproton-to-Proton Flux Ratio up to 100 GeV in the Cosmic Radiation, Phys. Rev. Lett. 102, 051101 (2009), она же в архиве препринтов: arXiv:0810.4994. Debating the source of a rare particle, Physics 2, 10 (2009) -- заметка про эту статью.
  
• Позитроны: оригинальная статья An anomalous positron abundance in cosmic rays with energies 1.5–100 GeV, Nature 458, 607-609 (2 April 2009); она же в архиве препринтов: arXiv:0810.4995; ссылки на эту статью с разных научных блогов.
  
• PAMELA: слишком много позитива -- краткий рассказ об этих данных от Сергея Попова; PAMELA нащупала что-то тёмное -- статья на Газете.ру.
  

Результаты ATIC:

• Оригинальная статья: An excess of cosmic ray electrons at energies of 300–800 GeV и Обсуждение этой работы в блоге Resonaances.
  

Другие ссылки:

• Темная материя и темная энергия во Вселенной -- популярная лекция В.А.Рубакова.
  
• Экстремальные источники для экстремальных приборов: гамма-наблюдения из космоса -- популярная статья Сергея Попова.
  
• Чтобы обнаружить темную материю, нужно наблюдать центр Галактики -- заметка про поиск следов темной материи в спектре жестких гамма-квантов.