Следы антиматерии в космических лучах возобновляют поиски «WIMP» как темной материи
На изображении показан прогнозируемый поток антигелия-3, произведенного из темной материи (WIMPs), которые аннигилируют, производя эти антиядра. Каждый цвет представляет прогноз для разной массы темной материи, как показано в легенде. Полосы почти касаются чувствительности AMS-02, что означает, что в некоторых оптимистичных случаях WIMPs могут объяснить это несоответствие. Автор: De la Torre Luque et al
Одной из величайших задач современной космологии является раскрытие природы темной материи. Мы знаем, что она существует (она составляет более 85% материи во Вселенной), но мы никогда не видели ее напрямую и до сих пор не знаем, что это такое.
В физических науках частица (или корпускула в старых текстах) представляет собой небольшой локализованный объект, которому можно приписать несколько физических или химических свойств, таких как объём, плотность или масса. Они сильно различаются по размеру или значению, от субатомных частиц, таких как электрон, до микроскопических частиц, таких как атомы и молекулы, до макроскопических частиц, таких как порошки и другие гранулированные материалы. Частицы можно также использовать для создания научных моделей даже более крупных объектов в зависимости от их плотности, таких как люди, движущиеся в толпе или небесные тела в движении .
Термин «частица» имеет довольно общий смысл и уточняется по мере необходимости в различных научных областях. Википедия
Исследование предполагает, что некоторые недавние наблюдения «антиядер» в космических лучах согласуются с существованием WIMP, но также и то, что эти частицы могут быть еще более странными, чем считалось ранее.
«WIMP — это частицы, существование которых было теоретически обосновано, но которые никогда не наблюдались, и они могли бы стать идеальным кандидатом на роль темной материи», — объясняет Педро Де ла Торре Луке, физик из Института теоретической физики в Мадриде.
Несколько лет назад научное сообщество приветствовало «чудо». Казалось, что WIMP соответствуют всем требованиям, предъявляемым к темной материи, и считалось — как только было «представлено», чем они могут быть и как их можно обнаружить, — что в течение нескольких лет у нас появятся первые прямые доказательства их существования.
Напротив, исследования последних лет привели к исключению целых классов этих частиц на основе их своеобразных излучений. Сегодня, хотя их существование не полностью исключено, диапазон возможных типов WIMP значительно сузился, как и методологии для попыток их обнаружения.
«Из многочисленных наиболее обоснованных предложенных моделей большинство сегодня отвергнуто, и лишь немногие из них дожили до наших дней», — говорит Де ла Торре Луке.
Предсказанный поток антидейтронов, произведенных из темной материи (WIMPs), которые аннигилируют, производя эти антиядра. Каждый цвет представляет собой предсказание для различной массы темной материи, как показано в легенде. Мы видим, что WIMPs также могут производить поток антидейтронов, наблюдаемый AMS-02. Автор: De la Torre Luque et al
Однако недавнее открытие, похоже, снова открыло это дело. «Это некоторые наблюдения из эксперимента AMS-02», — объясняет Де ла Торре Луке. AMS-02 (альфа-магнитный спектрометр) — это научный эксперимент на борту Международной космической станции, изучающий космические лучи. «Руководители проекта сообщили, что обнаружили следы антиядер в космических лучах, в частности антигелия, чего никто не ожидал».
Чтобы понять, почему эти антиядра важны для WIMP и темной материи, нужно сначала понять, что такое антиматерия.
Антиматерия — это форма материи с электрическим зарядом, противоположным заряду «нормальных» частиц материи. Обычная материя состоит из частиц с отрицательным электрическим зарядом, таких как электроны, положительным зарядом (протоны) или нейтральным зарядом.
Антиматерия состоит из «зеркальных» частиц с противоположными зарядами («положительный» электрон, позитрон, «отрицательный» протон и т. д.). Когда материя и антиматерия встречаются, они аннигилируют друг с другом, испуская сильное гамма-излучение.
Во Вселенной, состоящей в основном из обычной материи, есть небольшое количество антиматерии, иногда ближе, чем можно было бы подумать, учитывая, что позитроны используются в качестве контрастных веществ для ПЭТ — медицинского обследования с использованием визуализации, которое некоторые из вас, возможно, проходили.
Ожидаемый поток антидейтронов, полученный в результате взаимодействия космических лучей (высокоэнергетических частиц в галактике, в основном протонов и гелия) с газом в межзвездной среде. Они сравниваются с потоком антидейтронов, который могут обнаружить различные эксперименты (GAPs, эксперимент, который будет запущен к концу этого года, и AMS-02, который имеет два детектора, RICH и TOF). На этом рисунке вы можете видеть, что поток, полученный (синяя полоса) в результате взаимодействия космических лучей, может объяснить некоторые события, наблюдаемые экспериментом AMS. Автор: De la Torre Luque et al
Часть этой антиматерии образовалась — как полагают ученые — во время Большого взрыва, но ее постоянно создают новые определенные события, что делает ее наблюдение очень важным. «Если вы видите образование античастиц в межзвездной среде, где вы ожидаете очень мало, это означает, что происходит что-то необычное», — объясняет Де ла Торре Луке. «Вот почему наблюдение за антигелием было таким захватывающим».
То, что производит антигелиевые ядра, наблюдаемые AMS-02, действительно может быть WIMP. Согласно теории, когда встречаются две частицы WIMP, в некоторых случаях они аннигилируют, то есть уничтожают друг друга, испуская энергию и производя как частицы материи, так и частицы антиматерии.
Де ла Торре Луке и его коллеги проверили некоторые модели WIMP, чтобы проверить их совместимость с наблюдениями.
Исследование подтвердило, что некоторые наблюдения антигелия трудно объяснить с помощью известных астрофизических явлений.
«Теоретические прогнозы предполагали, что, хотя космические лучи могут производить античастицы посредством взаимодействия с газом в межзвездной среде, количество антиядер, особенно антигелия, должно быть чрезвычайно малым», — объясняет Де ла Торре Луке.
«Мы ожидали обнаружить одно событие антигелия каждые несколько десятков лет, но около десяти событий антигелия, наблюдаемых AMS-02, на много порядков превышают предсказания, основанные на стандартных взаимодействиях космических лучей. Вот почему эти антиядра являются правдоподобным ключом к аннигиляции WIMP».
Ожидаемый поток антигелия-3, образующийся в результате взаимодействия космических лучей (высокоэнергетические частицы в Галактике, в основном протоны и гелий) с газом в межзвездной среде. Автор: De la Torre Luque
Но их может быть больше. Ядра антигелия, наблюдаемые AMS-02, состоят из двух различных изотопов (один и тот же элемент, но с разным числом нейтронов в ядре), антигелий-3 и антигелий-4. Антигелий-4, в частности, намного тяжелее и также намного реже.
Мы знаем, что образование более тяжелых ядер становится все менее вероятным по мере увеличения их массы, особенно в результате естественных процессов с участием космических лучей, поэтому обнаружение столь большого их количества является предупреждающим знаком.
«Даже в самых оптимистичных моделях WIMP могли бы объяснить только количество обнаруженного антигелия-3, но не антигелия-4», — продолжает Де ла Торре Луке, и для этого потребовалось бы представить частицу (или класс частиц), еще более странную, чем WIMP, предложенные до сих пор, или, выражаясь техническим языком, еще более «экзотическую».
Таким образом, исследование Де ла Торре Люка и его коллег показывает, что путь к WIMPs еще не закрыт. Теперь необходимо гораздо больше точных наблюдений, и нам, возможно, придется расширить или адаптировать теоретическую модель, возможно, введя новый темный сектор в стандартную модель известных на сегодняшний день частиц с новыми «экзотическими» элементами.
Больше информации: Pedro De La Torre Luque et al, Cosmic-Ray Propagation Models Elucidate the Prospects for Antinuclei Detection, Journal of Cosmology and Astroparticle Physics (2024). On arXiv: DOI: 10.48550/arxiv.2404.13114
0 комментариев