Достучаться до небес. Научный взгляд на устройство Вселенной

Рэндалл Лиза

Скорость прилетающих извне частиц темной материи имеет значение, потому что именно от нее зависит, сколько энергии выделится в детекторе. Если энергия слишком мала, эксперимент окажется не очень чувствительным и может просто не заметить появления частицы. Если энергия выше, вероятность того, что установка зарегистрирует событие, также повышается. Из- за движения Земли по орбите скорость темной материи по отношению к нам (а следовательно, и энергия, переданная детектору) зависит от времени года, и в некоторые сезоны (летом) сигнал увидеть проще, чем в другие (зимой). Эксперимент DAMA ищет регулярные сезонные колебания в частоте событий, которые согласуются с прогнозами, и его данные говорят о том, что такой сигнал обнаружен (на рис. 79 показаны данные DAMA).

РИС. 79.

Данные эксперимента DAMA показывают модуляцию сигнала во времени

Никто пока не может сказать наверняка, является ли сигнал DAMA признаком темной материи или объясняется каким-то непониманием работы детектора или недооценкой внешних влияний. Ученые настроены скептически, потому что ни один из остальных экспериментов пока ничего не обнаружил. Отсутствие подтверждений плохо согласуется с прогнозами большинства моделей скрытой массы.

Пока ничего не понятно, но именно такого рода вещи делают науку интересной. Результат заставляет задуматься о том, что скрытую массу могут составлять несколько различных типов вещества; кроме того, темная материя может обладать какими-то свойствами, которые облегчают ее обнаружение именно в эксперименте DAMA [61] . Такие результаты заставляют нас лучше изучать собственные установки и разбираться во всех их особенностях, только тогда мы сможем отфильтровать случайные сигналы и сказать, что данные эксперимента означают именно то, что утверждают экспериментаторы.

61

Аномальные события были зарегистрированы экспериментами COGENT, CRESST и усовершенствованным CDMSII. К сожалению, в рамках наиболее мотивированных и разработанных моделей темной материи эти аномалии противоречат результатам других экспериментов— и друг другу, в частности. —Прим. науч. консульт.

Ученые по всему миру работают над повышением чувствительности своих установок, чтобы можно было либо исключить, либо подтвердить открытие темной материи детектором БАМА. А может быть, им удастся независимо открыть другой тип темной материи. Все согласились бы с тем, что темная материя наконец открыта, если бы хотя бы один эксперимент подтвердил данные DAMA, но пока ничего подобного не произошло. Тем не менее есть шанс, что ответы на эти вопросы будут получены в самом ближайшем будущем. Даже если к моменту, когда вы будете читать эту книгу, изложенные выше результаты уже устареют, характер и методики экспериментов по–прежнему будут актуальны.

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.

62

Что означает примерно следующее: полезный груз для исследования материи и антиматерии и астрофизики легких ядер. —Прим. пер.