Физики рассчитали предел массы частиц темной материи

По мнению ученых, более 20 процентов Вселенной составляет загадочная темная материя, которая не пропускает электромагнитного излучения и которую невозможно увидеть. Однако ее следы обнаружить все-таки можно, считают стэнфордские физики Стефан Фанк и Джастин Ванденбрук, по наличию позитронов — античастиц, входящих в состав космических лучей.

Из темной материи могут состоять темные галактические гало, коричневые карлики, массивные планеты; компактные объекты на конечных стадиях эволюции — например, белые карлики, нейтронные звезды и черные дыры; а также гипотетически существующие объекты, такие, как кварковые и преонные звезды. Присутствие темного вещества можно обнаружить по создаваемым им гравитационным эффектам. Если когда-нибудь темная материя будет найдена, считают ученые, это поможет решить проблему скрытой массы и позволит объяснить некоторые космические явления, такие, как быстрое вращение внешних областей галактик.

Читайте также: Темная материя вдруг засияла?

Как полагают физики, темная материя состоит из вимпов — слабо взаимодействующих между собой тяжелых частиц. Для них характерны только слабое ядерное и гравитационное взаимодействия, поэтому их довольно сложно обнаружить экспериментальным путем. Масса вимпов должна, как минимум, в десятки раз превосходить массу протона. При этом они должны двигаться хаотически, со средней скоростью около 300 километров в секунду… Было также выдвинуто предположение, что именно вимпы порождают в нашей Галактике такой вид свечения, как сферическое гало. Идеальными кандидатами на роль вимпов являются легчайшие суперсимметричные частицы (нейтралино).

Согласно одной из теорий, описывающих свойства темной материи, если две ее частицы сталкиваются между собой, то происходит аннигиляция, в ходе которой вимпы трансформируются в фотоны. Процесс сопровождается испусканием большого числа электронов и позитронов, которые, взаимодействуя с магнитным полем Галактики, начинают излучать. Этим, по словам физиков-теоретиков из Национальной лаборатории Ферми — Дэна Хупера и Тима Линдена, объясняется мощный поток гамма-лучей, идущий из центра Галактики, и туманное сияние вокруг него.

А если так, то при определенных значениях энергии количество протонов должно то резко повышаться, то падать. Так, падение числа протонов при значениях порядка миллиардов электронвольт должно указывать на массу гипотетических частиц.

Еще в 2008 году итальянский детектор частиц PAMELA на борту российского спутника "Ресурс-ДК1" впервые зафиксировал избыток позитронов в космическом излучении. Однако многие исследователи тогда усомнились, можно ли считать этот факт доказательством аннигиляции темной материи, так как источником появления во Вселенной античастиц могут быть и, например, останки сверхновых, такие, как пульсары и нейтронные звезды.

В свою очередь, космический гамма-телескоп Fermi, данные которого были проанализированы в 2009 году, не обнаружил в космических лучах ничего, заслуживающего внимания. Правда, Fermi доступно лишь гамма-излучение, которое может быть связано как с электронами, так и с позитронами.

Фанк и Ванденбрук решили отыскать способ выделить из данных, представленных телескопом Fermi, сигнал, который может соответствовать лишь позитронам. Поскольку в одних частях нашей планеты магнитное поле препятствует проникновению электронов, а в других — позитронов, то оставалось отследить сигнал телескопа в определенных направлениях.

Оказалось, что число позитронов постепенно растет на энергиях от 20 до 200 миллиардов электронвольт. Правда, до той границы, за которой начинается падение количества позитронов, ученым добраться так и не удалось. Но в любом случае, подсчитали они, масса предполагаемого вимпа должна, как минимум, в 100 раз превышать массу протона, что вполне согласуется с теоретическими выкладками по поводу темной материи.Научная общественность отнеслась к исследованиям Фанка и Ванденбрука достаточно позитивно, хотя и с некоторой осторожностью. Так, Майкл Тернер, впервые предсказавший в своих работах возможность рождения позитронов из вимпов, считает, что, до того как будет зафиксирован энергетический пик, после которого начинается резкое падение числа позитронов, никаких окончательных выводов делать нельзя.

Читайте также: Радионити как метки темной материи

Возможно, более точные сведения удастся получить новейшему магнитному альфа-спектрометру AMS-02, который появится на Международной космической станции в мае будущего года.

Читайте самое интересное в рубрике "Наука и техника"ИринаШлионская