Российские ученые приблизились к пониманию природы таинственной темной материи: «В космосе нужно искать следы аннигиляции»
Космос — это не только запуски ракет, но и большая наука, основанная на точных измерениях, атомных технологиях и терпении экспериментаторов. Одна из главных космических загадок — темная материя. О гонке за ней «Ленте.ру» рассказал в День космонавтики директор института космофизики базового вуза «Росатома», НИЯУ МИФИ Аркадий Гальпер.
«Лента.ру»: В МИФИ занимаются только прикладными исследованиями или есть место и фундаментальной науке?
Гальпер: Конечно, у нас имеются кафедры, которые создают перспективные разработки под патронажем «Росатома». Например, «ядерный тягач», способный в разы сократить время полета, например, до Марса. Однако есть в МИФИ группы, в том числе моя, занимающиеся проблемами общей физики и космологии, то есть фундаментальными исследованиями.
День космонавтики и наш праздник, праздник многих атомщиков, работающих над проектами для космической отрасли и астрофизики. 4 октября 1957 года полетел наш первый спутник, и началась эра прямых исследований в космосе.
А сейчас?
В марте 2016 года завершились наши работы по проведению прямых исследований космического излучения на приборе, получившем название PAMELA. Это устройство с магнитным полем. Положительные и отрицательные частицы отклоняются в разные стороны, что позволяет очень хорошо видеть и изучать космические частицы, приходящие к нам из Галактики от ближайших возможных источников, измерять их заряд, массу и энергию. А еще, что очень важно, — отделять частицы и античастицы. Например, электроны и позитроны, протоны и антипротоны.
Что это за прибор?
У него замечательная история! Дело в том, что в начале 1990-х годов к нам обратились исследователи из Национального итальянского института ядерной физики. Мы вместе решили провести измерение потоков космических лучей.
Мы, мифисты, давно работаем в космосе — с 1960-х годов. И к нам всегда тянулись зарубежные коллеги: вместе с итальянцами мы предложили программу «РИМ» — российско-итальянская миссия. Для института это было ново. Подготовку к нашему большому эксперименту мы начали с разработки научной аппаратуры и ее частичного испытания в космосе.
Удалось открыть что-то новое?
Нам удалось провести очень интересное исследование, изучив частицы, которые попадают в глаза космонавтам, и те видят вспышки. Это отчасти биологическая проблема. Какие-то космические частицы создают в глазах эффекты, воспринимаемые человеком как свет. Результаты этой работы были опубликованы в журнале Nature.
Что было дальше?
С начала 2000-х годов мы занимались другим большим экспериментом. Речь идет как раз об инструменте PAMELA, который состоит из нескольких типов различного рода детекторов, регистрирующих интересные нам частицы.
Мы поставили перед собой важную физическую задачу. Дело в том, что еще в начале прошлого века возникло такое понятие как «темная материя». Когда изучали скопления галактик, то обратили внимание на то, что все они вращаются вокруг определенного «центра». Это вращение определяют гравитационные силы, и галактики, благодаря своей скорости, могут удерживаться, не падая в центр. Предположили, что в центре скопления имеется вещество, обладающее гравитационной массой и, соответственно, удерживающее за счет гравитации эти галактики вокруг себя при их вращении. Что за материя находится в этом центре, никто не знал. Ее как будто бы не было! Или она была невидимой. При этом темной материи в нашей Вселенной в несколько раз больше, чем обычной барионной!
Из чего же она состоит?
Тогда думали, что темная материя состоит из темных частиц, то есть тех, которые никоим образом не светят. Погоня за темной материей была сугубо теоретической: ученые строили предположения о массе и свойствах ее частиц.
Эти теоретические расчеты показали, что гипотетические частицы очень необычны. Во-первых, они нейтральные, то есть при возбуждении не светят, как другие частицы. Во-вторых, они массивные: в Стандартной модели им места нет. После открытия бозона Хиггса ничего нового пока не нашли. Вполне вероятным продолжением может стать открытие массивных частиц, из которых состоит темная материя. В-третьих, эти частицы обладают очень маленьким сечением взаимодействия с обычной материей. Они свободно через нее проходят, но гравитационное взаимодействие у них существует.
Откуда же они взялись?
Считается, что на ранней стадии развития Вселенной, когда она была в состоянии очень высокого энергетического возбуждения и ее температуры хватало для рождения новых частиц, эти частицы и возникли. Поскольку они плохо взаимодействовали, то дожили до нашего времени.
Возможно ли зарегистрировать эти частицы?
Это очень интересный вопрос. Если темная материя существует, значит, она имеется и в окружающем нас мире — в Солнечной системе. Ее плотность очень мала, и вероятность того, что гипотетические частицы столкнутся друг с другом, также невысока. Однако их взаимодействие приводит к очень интересному результату — появлению известных нам частиц, например электрона и позитрона. Масса этих частиц во время подобного взаимодействия передается энергии вновь рожденных частиц. Хотя гипотетические частицы вроде бы стабильны, они могут распадаться. Скорее всего, в результате получаются фундаментальные частицы, которые затем превращаются в элементарные, известные нам частицы.
Поэтому в космосе и нужно искать следы аннигиляции темной материи: среди потока космических лучей необходимо регистрировать, например, позитроны и антипротоны. То есть относительно редкие частицы, которые хоть и встречаются в космическом излучении, но крайне нерегулярно.
И вы организовали их поиск?
Да, мы решили заняться поиском античастиц. Такой эксперимент можно ставить на ускорителях, разогнав частицы до огромных энергий. Это делают, например, на Большом адронном коллайдере.
Есть еще один способ — наблюдать прямое взаимодействие тяжелых частиц темной материи с ядрами. Например, посредством приборов, состоящих из большого объема жидкого ксенона или другого благородного газа. Там тяжелая частица сталкивается с ядром, из которого состоит этот газ, передает ему часть энергии, а мы высчитываем массу частицы, исходя от отклонения ядра.
Подобные эксперименты проводятся на огромных установках, расположенных преимущественно под землей. Они называются «прямыми экспериментами». Мы пошли иным путем, начав искать в потоке космических лучей неоднородности, скажем, антипротонов там, где, казалось бы, их не должно быть. Этот метод называется «косвенным», ведь мы ищем не сами частицы, а то, что получилось в результате…
Эксперимент PAMELA задумывался именно для этого?
Безусловно. Он был направлен на то, чтобы искать эти следы в потоках позитронов, антипротонов и даже антигелия, которые могли бы возникнуть в результате аннигиляции частиц темной материи.
Удалось ли добиться успеха?
PAMELA провела в космосе около десяти лет, и это нам очень помогло. В частности, было доказано, что спектр позитронов не совпадает с нашим теоретическим представлением о количестве этих частиц, даже если принимать во внимание все известные нам факторы рождения частиц в источниках, прохождения через Галактику и попадания в нашу Солнечную систему. Если мы все это посчитаем, то увидим, что поток другой — их количество даже растет. И одно из самых первых объяснений этого эффекта, названного аномальным эффектом PAMELA, основано на аннигиляции частиц темной материи на электрон и позитрон. Его можно увидеть и на электронах, проблема в том, что их настолько много, что сделать это гораздо сложнее.
Аналогичная картина с антипротонами. И это тоже один из основных результатов эксперимента PAMELA.
И это поставит точку в поисках темной материи?
Нет, уже нашлись те, кто пытается объяснить наши результаты иначе. И это вполне логично. Тем не менее результаты PAMELA очень важны, ведь это один из случаев, потенциально указывающих на темную материю.
Также хочу напомнить, что в этом процессе аннигиляции могут родиться электроны и позитроны. А могут — и гамма-кванты! Если появляются два гамма-кванта, то энергия каждого из них практически равна массе частицы темной материи. Вокруг этого развиваются целые направления исследований. Например, действующий в России проект «Гамма-400». Вскоре в науке начнется новая эра…
Беседовал Владимир Корягин
«Лента.ру»: В МИФИ занимаются только прикладными исследованиями или есть место и фундаментальной науке?
Гальпер: Конечно, у нас имеются кафедры, которые создают перспективные разработки под патронажем «Росатома». Например, «ядерный тягач», способный в разы сократить время полета, например, до Марса. Однако есть в МИФИ группы, в том числе моя, занимающиеся проблемами общей физики и космологии, то есть фундаментальными исследованиями.
День космонавтики и наш праздник, праздник многих атомщиков, работающих над проектами для космической отрасли и астрофизики. 4 октября 1957 года полетел наш первый спутник, и началась эра прямых исследований в космосе.
А сейчас?
В марте 2016 года завершились наши работы по проведению прямых исследований космического излучения на приборе, получившем название PAMELA. Это устройство с магнитным полем. Положительные и отрицательные частицы отклоняются в разные стороны, что позволяет очень хорошо видеть и изучать космические частицы, приходящие к нам из Галактики от ближайших возможных источников, измерять их заряд, массу и энергию. А еще, что очень важно, — отделять частицы и античастицы. Например, электроны и позитроны, протоны и антипротоны.
Что это за прибор?
У него замечательная история! Дело в том, что в начале 1990-х годов к нам обратились исследователи из Национального итальянского института ядерной физики. Мы вместе решили провести измерение потоков космических лучей.
Мы, мифисты, давно работаем в космосе — с 1960-х годов. И к нам всегда тянулись зарубежные коллеги: вместе с итальянцами мы предложили программу «РИМ» — российско-итальянская миссия. Для института это было ново. Подготовку к нашему большому эксперименту мы начали с разработки научной аппаратуры и ее частичного испытания в космосе.
Удалось открыть что-то новое?
Нам удалось провести очень интересное исследование, изучив частицы, которые попадают в глаза космонавтам, и те видят вспышки. Это отчасти биологическая проблема. Какие-то космические частицы создают в глазах эффекты, воспринимаемые человеком как свет. Результаты этой работы были опубликованы в журнале Nature.
Что было дальше?
С начала 2000-х годов мы занимались другим большим экспериментом. Речь идет как раз об инструменте PAMELA, который состоит из нескольких типов различного рода детекторов, регистрирующих интересные нам частицы.
Мы поставили перед собой важную физическую задачу. Дело в том, что еще в начале прошлого века возникло такое понятие как «темная материя». Когда изучали скопления галактик, то обратили внимание на то, что все они вращаются вокруг определенного «центра». Это вращение определяют гравитационные силы, и галактики, благодаря своей скорости, могут удерживаться, не падая в центр. Предположили, что в центре скопления имеется вещество, обладающее гравитационной массой и, соответственно, удерживающее за счет гравитации эти галактики вокруг себя при их вращении. Что за материя находится в этом центре, никто не знал. Ее как будто бы не было! Или она была невидимой. При этом темной материи в нашей Вселенной в несколько раз больше, чем обычной барионной!
Из чего же она состоит?
Тогда думали, что темная материя состоит из темных частиц, то есть тех, которые никоим образом не светят. Погоня за темной материей была сугубо теоретической: ученые строили предположения о массе и свойствах ее частиц.
Эти теоретические расчеты показали, что гипотетические частицы очень необычны. Во-первых, они нейтральные, то есть при возбуждении не светят, как другие частицы. Во-вторых, они массивные: в Стандартной модели им места нет. После открытия бозона Хиггса ничего нового пока не нашли. Вполне вероятным продолжением может стать открытие массивных частиц, из которых состоит темная материя. В-третьих, эти частицы обладают очень маленьким сечением взаимодействия с обычной материей. Они свободно через нее проходят, но гравитационное взаимодействие у них существует.
Откуда же они взялись?
Считается, что на ранней стадии развития Вселенной, когда она была в состоянии очень высокого энергетического возбуждения и ее температуры хватало для рождения новых частиц, эти частицы и возникли. Поскольку они плохо взаимодействовали, то дожили до нашего времени.
Возможно ли зарегистрировать эти частицы?
Это очень интересный вопрос. Если темная материя существует, значит, она имеется и в окружающем нас мире — в Солнечной системе. Ее плотность очень мала, и вероятность того, что гипотетические частицы столкнутся друг с другом, также невысока. Однако их взаимодействие приводит к очень интересному результату — появлению известных нам частиц, например электрона и позитрона. Масса этих частиц во время подобного взаимодействия передается энергии вновь рожденных частиц. Хотя гипотетические частицы вроде бы стабильны, они могут распадаться. Скорее всего, в результате получаются фундаментальные частицы, которые затем превращаются в элементарные, известные нам частицы.
Поэтому в космосе и нужно искать следы аннигиляции темной материи: среди потока космических лучей необходимо регистрировать, например, позитроны и антипротоны. То есть относительно редкие частицы, которые хоть и встречаются в космическом излучении, но крайне нерегулярно.
И вы организовали их поиск?
Да, мы решили заняться поиском античастиц. Такой эксперимент можно ставить на ускорителях, разогнав частицы до огромных энергий. Это делают, например, на Большом адронном коллайдере.
Есть еще один способ — наблюдать прямое взаимодействие тяжелых частиц темной материи с ядрами. Например, посредством приборов, состоящих из большого объема жидкого ксенона или другого благородного газа. Там тяжелая частица сталкивается с ядром, из которого состоит этот газ, передает ему часть энергии, а мы высчитываем массу частицы, исходя от отклонения ядра.
Подобные эксперименты проводятся на огромных установках, расположенных преимущественно под землей. Они называются «прямыми экспериментами». Мы пошли иным путем, начав искать в потоке космических лучей неоднородности, скажем, антипротонов там, где, казалось бы, их не должно быть. Этот метод называется «косвенным», ведь мы ищем не сами частицы, а то, что получилось в результате…
Эксперимент PAMELA задумывался именно для этого?
Безусловно. Он был направлен на то, чтобы искать эти следы в потоках позитронов, антипротонов и даже антигелия, которые могли бы возникнуть в результате аннигиляции частиц темной материи.
Удалось ли добиться успеха?
PAMELA провела в космосе около десяти лет, и это нам очень помогло. В частности, было доказано, что спектр позитронов не совпадает с нашим теоретическим представлением о количестве этих частиц, даже если принимать во внимание все известные нам факторы рождения частиц в источниках, прохождения через Галактику и попадания в нашу Солнечную систему. Если мы все это посчитаем, то увидим, что поток другой — их количество даже растет. И одно из самых первых объяснений этого эффекта, названного аномальным эффектом PAMELA, основано на аннигиляции частиц темной материи на электрон и позитрон. Его можно увидеть и на электронах, проблема в том, что их настолько много, что сделать это гораздо сложнее.
Аналогичная картина с антипротонами. И это тоже один из основных результатов эксперимента PAMELA.
И это поставит точку в поисках темной материи?
Нет, уже нашлись те, кто пытается объяснить наши результаты иначе. И это вполне логично. Тем не менее результаты PAMELA очень важны, ведь это один из случаев, потенциально указывающих на темную материю.
Также хочу напомнить, что в этом процессе аннигиляции могут родиться электроны и позитроны. А могут — и гамма-кванты! Если появляются два гамма-кванта, то энергия каждого из них практически равна массе частицы темной материи. Вокруг этого развиваются целые направления исследований. Например, действующий в России проект «Гамма-400». Вскоре в науке начнется новая эра…
Беседовал Владимир Корягин