Скрытая масса и эксперимент «ПАМЕЛА»

Проф. А.М. Гальпер, соруководитель международного проекта «РИМ-ПАМЕЛА»

В последние несколько лет космология, наука о происхождении и эволюции Вселенной, переживает период бурного развития. Это происходит не столько благодаря усилиям теоретиков многих стран, в том числе и российских, но, в первую очередь, благодаря успешному осуществлению ряда космических экспериментов. К ним относятся измерения в оптическом диапазоне с помощью космического телескопа – «Hubble», исследование реликтового радиоизлучения в рамках проектов «РЕЛИКТ» и «COBE», а также, проводящийся в настоящее время эксперимент «WMAP». Они позволили уточнить физические параметры Вселенной. Теперь мы достаточно точно знаем, что:

• Постоянная Хаббла равна 71±4 км/с 1/Мпк;
• Температура реликтового излучения - 2,725 К;
• Возраст Вселенной - (13,7±0,2) миллиардов лет;
• Время эпохи рекомбинации (образования атомов) ~380 тысяч лет.

Наконец, было определено, что средняя плотность вещества во Вселенной, выраженная в единицах критической плотности (подробнее о ней см. ниже), равна 1,02±0,2 и только 0,044±0,003 от этой величины составляет известное вещество (так называемое барионное вещество), из которого состоят планеты, звезды горячие и остывшие, космический газ во всех его видах, черные дыры, космические лучи.

Из чего же состоит Вселенная? На 25% из темной материи (или скрытой массы) и 70% темной энергии, энергии космического вакуума, направленной против гравитационных сил притяжения и обеспечивающей бесконечное и плоское (без искривления пространства) расширение нашей Вселенной. Можно ли проникнуть в этот загадочный мир, называемый темной материей, измерить массу частиц, если он состоит из элементарных частиц, определить их происхождение и свойства? Именно это и является предметом предстоящих исследований в рамках Проекта «РИМ-ПАМЕЛА».

Что известно о темной материи

То, что невидимое вещество во Вселенной может быть, ни у кого и раньше не вызывало сомнения. Это могут быть остывшие звезды и межзвездный газ, это могут быть кометы и космическая пыль, наконец, это могут быть нейтронные звезды и черные дыры. Однако при этом всегда стоял вопрос: какую часть от массы видимой части Вселенной, которую и наблюдают астрономы, составляет масса невидимого вещества? Это очень важный вопрос, т.к. если полная плотность вещества во Вселенной, определяемая и его видимой и невидимой частями, меньше некоторой критической плотности, то Вселенная будет бесконечно расширяться, если больше, то через какое-то время начнет сжиматься, а если равна критической то, по-видимому, будет расширяться с уменьшающейся скоростью. Астрономические наблюдения указывали на то, что полная плотность Вселенной меньше критической.

С улучшением средств наблюдения было определено, в частности, по движению звезд на перифериях галактик, что и в нашей Галактике и в других галактиках, а также в их скоплениях присутствует невидимое вещество, которого значительно больше чем видимого. Было показано также, что есть целые области, заполненные невидимым веществом, которое может проявлять себя как линза. Сгущение невидимого вещества фокусирует (отклоняя в гравитационном поле) электромагнитное излучение отдаленного космического объекта, если наблюдатель - невидимое вещество (линза) – излучающий объект находятся на одной линии.

Невидимого вещества оказалось много, много больше, чем ожидалось раньше. Оно обнаружилось только как гравитирующий объект, и его назвали темной материей или скрытой массой.

Темная материя практически не взаимодействует с барионным веществом.    Итак, мы можем назвать следующие свойства частиц темной материи.

Они:

• а) участвует в гравитационном взаимодействии;
• б) слабо взаимодействуют с барионным веществом;
• в) не имеет электрического заряда, возможно и магнитного момента;
• г) частицы, из которых сегодня состоит темная материя - стабильны.

Кандидаты на роль темной материи

а) Первыми и, казалось бы, самыми очевидными кандидатами были хорошо известные частицы - нейтрино. Их пространственная плотность велика (~500 частиц на кубический сантиметр) и они слабо взаимодействуют с барионным веществом.    Различают три типа нейтрино. Они названы по видам частиц, вместе с которыми нейтрино рождаются. Это электронные, мюонные и тау – лептонные нейтрино.

Когда впервые была измерена масса электронного нейтрино, равная приблизительно 20 эВ (в некоторых областях физики масса измеряется в энергетических единицах), проблема показалась решенной – темная материя состоит из нейтрино. Однако вскоре было определено, что масса электронного нейтрино меньше 10 эВ, и уже совсем недавно было показано, что нейтрино осциллирует, т.е. переходит из одного типа в другой. Это означает, что масса нейтрино любого типа (электронного, мюонного или тау – лептонного) менее 2÷3 эВ и оно не может обеспечить наблюдаемую плотность темной материи (скрытой массы). Сегодня известно еще одно обстоятельство, исключающее легкое нейтрино из кандидатов на скрытую массу. Нейтрино, благодаря своей огромной скорости, обладает значительным импульсом и, хотя эта частица слабо взаимодействует с обычным веществом, столкновение обычного вещества c нейтрино на ранней стадии развития Вселенной препятствовало бы гравитационному сжатию вещества и образованию крупномасштабной ячеистой структуры Вселенной.

б) К сожалению, а может быть и, наоборот, среди известных частиц (а их более трехсот, считая искусственно полученные на ускорителях) не нашлось частиц, подходящих на роль темной материи. И, как это бывает в подобных случаях, начался буквально теоретический штурм крепости под названием темная материя. В этом штурме совершенно естественно объединились интересы физики элементарных частиц, космологии, физики космических лучей (последнюю сегодня называют астрофизикой частиц). Положительным результатом начала штурма является появление около десятка различных предложений – гипотез о природе темной материи: начиная с возможности существования тяжелого нейтрино (нейтрино четвертого вида) и других гипотетических частиц, существование которых следует из различного вида симметрии, до зеркального мира, где все частицы подобны нашим, но взаимодействуют с нашими частицами только гравитационным образом.

Есть один очень важный элемент, объединяющий все гипотезы – темная материя, образовалась на ранней - горячей стадии развития Вселенной, сразу после Большого взрыва. Высокая температура (больше 10^24 К) космической среды способствовала рождению всех известных нам частиц, а также и гипотетических частиц большой массы, фигурирующих в разных теоретических моделях, но получить которые невозможно на современных ускорителях. Т.е. темная материя является реликтовым образованием, температура которой из-за расширения Вселенной должна быть в настоящее время достаточно низкой, как и у реликтового излучения.

в) Одной из наиболее разработанных (продвинутых) моделей, используемых сегодня для объяснения природы темной материи, является модель суперсимметрии, которая объединяет в общую группу бозоны и фермионы (частицы, обладающие целым и полуцелым спинами). В физике элементарных частиц одним из основных методических элементов исследования свойств частиц является объединение частиц в группы, где все частицы переходят в свои антиподы при одинаковых преобразованиях каких-либо параметров. Например, координата х меняется на –х, или меняются заряды частиц на обратные. В последнем случае в группу должны входить частицы и античастицы. Если частица или античастица пока не обнаружена, то она вводится в группу как гипотетическая и дело экспериментаторов ее обнаружить. Так было, в частности, с открытием антипротона, а затем и антинейтрона.

Модель суперсимметрии построена по такому же принципу. В нее входят известные частицы бозоны, которые переходят в гипотетические фермионы, и фермионы и их гипотетические антиподы бозоны. Например, фотон (спин 1) и гипотетическая частица фотино (спин ½), хиггс (спин ½) и хиггсино (спин 1), гравитон-гравитино и т.д. В этой группе далеко не все частицы обнаружены. Однако в модели есть стабильные, слабовзаимодействующие гипотетические частицы, масса самой легкой из которых – нейтралино возможно лежит в интервале 50-500ГэВ. Такие частицы получили общее название слабовзаимодействующие массивные частицы, или «вимпы» (WIMP – weak interaction massive particle). Именно нейтралино, возможно так же фотино и гравитино могут являться теми самыми слабовзаимодействующими, массивными частицами вимпами, составляющими основу темной материи. Именно они могли образовываться во время горячей фазы развития Вселенной и дожить до наших дней.

Можно ли получить такие частицы искусственно? По-видимому, можно, но для этого нужно закончить строительство самого большого в мире ускорителя LHC (Большой Адронный Коллайдер) в Щвейцарии, чтобы ускоренные протоны при взаимодействии с веществом могли рождать подобные частицы (кстати, это одна из главных целей строительства коллайдера). Учитывая, что строительство коллайдера займет еще несколько лет, вполне реально обнаружить эти части и понять природу темной материи раньше, чем на ускорителе, а именно в космосе, в эксперименте «ПАМЕЛА».

Как регистрировать частицы темной материи

В космическом пространстве столкновение нейтралино с нейтралино может привести к возникновению гамма-квантов, либо пары из частиц и античастиц, в том числе электрон и позитрон, протон и антипротон и даже дейтон и антидейтон. Этот процесс положен в основу методов регистрации и изучения вимпов: необходимо провести прецизионное измерение энергетических спектров позитронов, антипротонов, антидейтонов в космических лучах с целью обнаружения в этих спектрах особенностей (сигнатур), связанных с появлением античастиц от аннигиляции вимпов. Ожидаемый поток частиц и античастиц от аннигиляции вимпов чрезвычайно мал, а так как в потоках космических лучей преобладают частицы (протоны, электроны), то наиболее оптимально искать следы вимпов в менее интенсивных потоках - в потоках античастиц. К сожалению, и в этом случае будут регистрировать, в основном, потоки вторичных позитронов и антипротонов, которые возникают в хорошо известных процессах взаимодействия высокоэнергичных космических лучей с межзвездным газом. Хотя вторичные античастицы и представляют большой самостоятельный научный интерес, при исследовании темной материи они являются весьма значительным фоном, на уровне которого и приходится искать следы от вимпов.

К настоящему времени экспериментальные данные о потоках высокоэнергичных антипротонов и позитронов в космических лучах получены на высотных аэростатах. На рисунках 1а и 1б представлены экспериментальные результаты последних лет по исследованию на высотных аэростатах энергетических спектров космических антипротонов и отношения позитронов к сумме позитронов и электронов - соответственно.

Сплошными линиями здесь показаны расчетные спектры исследуемых частиц в предположении, что антипротоны и позитроны возникают только при взаимодействии первичного космического излучения с межзвездным газом. Пунктиром показаны потоки антипротонов и позитронов, возникающих от аннигиляции вимпов с массой ~200ГэВ. Красными квадратами показаны экспериментальные результаты, которые предполагается получить за три года измерений спектрометром «ПАМЕЛА».

Из существующих измерений невозможно сделать определенных выводов о наличии особенностей в спектрах, могущих быть связанными с вимпами. Измерения на высотных аэростатах практически исчерпали свои возможности и необходимо переходить к измерениям в космическом пространстве, где над прибором не будет атмосферы, в которой, как и на межзвездном газе, рождаются античастицы. В космическом эксперименте появится возможность практически непрерывно, в течение нескольких лет, с помощью одной аппаратуры с малыми методическими и статистическими ошибками получать энергетические спектры античастиц (антипротонов, позитронов) и, наконец-то, выделить следы темной материи, измерить массу частиц ее составляющих, ответить на вопросы космологии о ранних стадиях развития Вселенной и физики элементарных частиц о законах взаимодействия частиц при сверхвысокой энергии, не достижимой ускорителями. Это и есть основная научная задача проекта «РИМ-ПАМЕЛА».

Проект «РИМ-ПАМЕЛА»

Научные задачи

Российско-итальянский проект «РИМ-ПАМЕЛА» (РИМ - Российско-Итальянская Миссия), в котором участвуют также ученые Германии, Швеции и США направлен на исследование на околоземной орбите потоков античастиц (антипротонов, позитронов, легких антиядер), электронов и изотопов легких ядер в первичном космическом излучении. Научные задачи эксперимента связаны с решением следующих фундаментальных проблем:

- В области космологии: барионной асимметрии наблюдаемой Вселенной, природы темной материи (поиск слабовзаимодействующих нейтральных частиц).    - В области физики космических лучей: генерация и распространение галактических космических лучей (нуклеосинтез, ускорение частиц, межзвездная среда, взаимодействие с межзвездным газом и др.).    - В области физики гелиосферы и околоземного космического пространства: солнечная модуляция галактических космических лучей разных знаков, процессы на Солнце и солнечные космические лучи, частицы высоких энергий в магнитосфере Земли, аномальная компонента космических лучей.

Научная аппаратура – магнитный спектрометр «ПАМЕЛА»

Для проведения измерений потоков античастиц создается прецизионный магнитный спектрометр с современными детекторами элементарных частиц, позволяющими регистрировать и измерять знак и величину электрического заряда, скорость, импульс, энергию и массу, направление и время прихода космической частицы. Физическая схема прибора представлена на рис.2.

Рис.2. Физическая схема магнитного спектрометра «ПАМЕЛА».
1,3,7 – сцинтилляционная времяпролетная система;

2 – детектор переходного излучения;

4 – сцинтиляционная охранная система;

5 – полупроводниковая стриповая координатная система (шесть двойных слоев);

6 – магнитная система (пять секций);

8 – полупроводниковый стриповый позиционно-чувствительный калориметр;

9 – нижний сцинтилляционный детектор;

10 – нейтронный детектор;

11 – гермоконтейнер

Частицы и античастицы отличаются знаком электрического заряда. Поэтому в основе метода выделения высокоэнергичных античастиц в проекте «РИМ-ПАМЕЛА» положен магнитный анализ: частицы и античастицы (протоны и антипротоны, электроны и позитроны, дейтоны и антидейтоны) при прохождении через магнитное поле отклоняются в противоположные стороны. Величина отклонения в магнитном поле траектории частицы от прямой зависит также от импульса частицы, что позволяет при знании массы античастицы определить ее энергию. Поэтому главной частью научной аппаратуры «ПАМЕЛА» является постоянный магнит с размещенными в магнитном поле силиконовыми детекторами (трекеры), позволяющими измерять траекторию движения частицы.

К сожалению, одного только магнитного анализа недостаточно для надежного выделения античастиц, поскольку электроны могут имитировать антипротоны (и те, и другие частицы отрицательны), а протоны – имитировать позитроны. Поэтому, в состав аппаратуры «ПАМЕЛА» включены прибор, регистрирующий переходное излучение, создаваемое, в основном, электронами и позитронами; позиционно чувствительный калориметр, позволяющий отличать протоны и антипротоны от электронов и позитронов по характерной картине взаимодействия этих частиц в калориметре, а также ряд других детекторных систем, используемых для надежного выделения античастиц и определения их энергии. Основные характеристики магнитного спектрометра «ПАМЕЛА» представлены в табл. I.

Основные характеристики прибора:

Принцип регистрации частиц спектрометром «ПАМЕЛА» заключается в следующем: при прохождении частицы через прибор возникают электрические сигналы в первом, втором и третьем сцинтилляционном счетчиках, в детекторе переходного излучения, в трекерах, в калориметре, в нижнем сцинтилляционном и нейтронном детекторах. На основе сигналов с первых трех сцинтилляционных детекторов вырабатывается общий командный сигнал, по которому снимается информация со всех детекторных систем и трекеров, и вся эта информация регистрируется (запоминается).

Космический аппарат «Ресурс ДК1»
Эксперимент «РИМ-ПАМЕЛА» будет осуществляться на космическом аппарате (КА) «Ресурс ДК1», предназначенном для наблюдения и исследования поверхности Земли из космоса (дистанционное зондирование Земли). КА «Ресурс ДК1» будет выведен ракетой-носителем (РН) «Союз - М» с космодрома Байконур на орбиту высотой от 360 км до 690 км и наклонением 70,4 градусов. Время активного существования спутника 3 года. КА «Ресурс ДК1» и РН «Союз - М» разрабатываются и изготавливаются ГНП РКЦ «ЦСКБ-Прогресс».

Магнитный спектрометр «ПАМЕЛА» установлен в специальном гермоконтейнере и направлен во время измерений чувствительной осью в зенит. На рис.3 представлен чертеж КА «Ресурс ДК1» с научной аппаратурой «ПАМЕЛА» в специальном гермоконтейнере в положении измерения потоков первичных космических лучей.

Такое положение обеспечивает возможность непрерывного наблюдения первичного космического излучения в широком энергетическом диапазоне от минимальной энергии частиц, определяемой энергетическим порогом аппаратуры (на высоких географических широтах), до максимальной энергии, определяемой геометрическим фактором прибора.

Прием и обработка научной информации

В основном режиме измерений суточный объем научной информации с прибора «ПАМЕЛА» составит около 10 гБ. Технические возможности КА позволяют запомнить и передать на наземную станцию приема информации до 20 гБ/сутки. Основная станция приема находится в Москве, вторая в Ханты-Мансийске (Западная Сибирь). Управление экспериментом будет осуществляться из Москвы. В течение одного часа после приема информации будет проводится анализ качества полученной информации. Затем информация должна поступить в группу оперативного анализа, где в течение нескольких часов будет осуществлен анализ работоспособности спектрометра и отдельных систем и принято решение о продолжении режима измерений на очередные сутки.

Важной особенностью создаваемой системы приема и анализа информации является возможность проведения анализа научной информации непосредственно на станции приема в Москве с удаленных терминалов, включая терминалы в Италии, Швеции, Германии, России. Полная физическая обработка научной информации будет осуществляться по согласованным программам в странах участницах эксперимента. Опубликование и использование научных результатов будут совместными.

За три года непрерывных наблюдений предполагается зарегистрировать 10 тысяч антипротонов и 100 тысяч позитронов. Участники эксперимента предполагают, что этого будет достаточно для выделения эффекта от аннигиляции вимпов и, более того, определения их массы.

По-видимому, проект «РИМ-ПАМЕЛА» будет первым реализованным проектом программ поиска и исследования природы темной материи космическими средствами.

Федеральное космическое агентство

Tags: Dark matter, LHC, БАК, памела, скрытая масса, темная материя, Хаббл, Цвикки