JC&AP: Следы антивещества в космических лучах возвращают к теме ВИМПов

Одна из главных задач современной космологии — раскрыть природу тёмной материи. Мы знаем, что она существует и составляет более 85% материи во Вселенной, но никогда не видели её.

В новом исследовании изучаются следы антиматерии в космосе. Это может помочь открыть новый класс частиц под названием WIMP (Weakly Interacting Massive Particles), которые могут составлять тёмную материю. Исследование показывает, что некоторые наблюдения за «антиядрами» в космических лучах согласуются с существованием WIMPs. Также эти частицы могут быть ещё более странными, чем считалось ранее.

Физики предполагают, что WIMP-частицы могут быть идеальным кандидатом на роль тёмной материи. Они взаимодействуют с другими частицами только через гравитацию и слабое взаимодействие, действующее на близких расстояниях.

Несколько лет назад научное сообщество приветствовало WIMPs, которые отвечали всем требованиям к тёмной материи. Считалось, что скоро мы получим прямые доказательства их существования.

Однако исследования последних лет показали, что некоторые классы этих частиц не существуют. Методологии обнаружения WIMP также изменились.

Из множества предложенных моделей с наилучшей мотивацией большинство сегодня исключены, и лишь некоторые из них сохранились, — говорит-де ла Торре Луке, физик из Института теоретической физики в Мадриде.

Недавно было сделано открытие, которое возобновило обсуждение этой темы.

Эксперимент AMS-02 на борту Международной космической станции изучает космические лучи и позволил сделать неожиданные наблюдения. Руководители проекта сообщили, что обнаружили в космических лучах следы антиматерии, в частности антигелия.

Антиматерия — это материя с электрическим зарядом, противоположным обычной материи.

Обычная материя состоит из частиц с отрицательным (электроны), положительным (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.

В нашей Вселенной есть небольшое количество антиматерии, которое иногда даже больше, чем можно было бы подумать. Например, позитроны используются в качестве контрастного вещества для ПЭТ — медицинского обследования.

Учёные считают, что часть антиматерии, или антивещества, образовалась во время Большого взрыва. Ещё большее количество античастиц постоянно создаётся в результате определённых событий. Поэтому наблюдение за антивеществом так важно.

Де ла Торре Люк объясняет: «Если вы видите образование античастиц в межзвёздной среде, значит, происходит что-то необычное». Именно поэтому наблюдение антигелия было таким захватывающим.

Ядра антигелия, которые наблюдает AMS-02, могут быть результатом аннигиляции WIMP — гипотетических слабовзаимодействующих массивных частиц. В некоторых случаях при встрече две частицы WIMP уничтожают друг друга, излучая энергию и производя частицы материи и антиматерии. Де ла Торре Люк и его коллеги проверили некоторые модели WIMP на совместимость с наблюдениями.

Исследование показало, что некоторые наблюдения за антигелием сложно объяснить известными астрофизическими явлениями.

Теоретические предсказания говорили, что космические лучи могут создавать античастицы при взаимодействии с газом в межзвёздной среде, но количество антиядер, особенно антигелия, должно быть небольшим. Мы ожидали обнаружить одно антигелиевое событие каждые несколько десятков лет, но AMS-02 наблюдал около десяти таких событий, и это намного больше предсказаний. Поэтому эти антиядра могут помочь найти ответ в аннигиляции ВИМП.

Ядра антигелия, которые наблюдает AMS-02, бывают двух видов: антигелий-3 и антигелий-4. Последний гораздо тяжелее и встречается реже.

Производство тяжёлых ядер становится всё менее вероятным по мере увеличения их массы. Особенно это касается естественных процессов с участием космических лучей. Поэтому наблюдение большого количества таких ядер — тревожный знак.

Даже в самых оптимистичных моделях WIMPs могут объяснить только количество обнаруженного антигелия-3, но не антигелия-4. Для этого нужно представить ещё более странную частицу (или класс частиц), чем предложенные до сих пор WIMPs.

Исследование-де ла Торре Луке и его коллег показывает, что тема ВИМПов ещё не закрыта. Нужны более точные наблюдения и, возможно, расширение или адаптация теоретической модели — например, введение нового тёмного сектора в стандартную модель известных частиц с новыми элементами.

04.10.2024