Опубликованы первые долгожданные результаты орбитального детектора космических лучей AMS-02. Они подтверждают загадочный избыток позитронов, но, к сожалению, не дают ему объяснения. Утверждения о том, что эти данные приближают нас к пониманию природы темной материи, пока преждевременны.

3 апреля 2013 года на специальном семинаре в CERN были представлены первые — и очень долгожданные — результаты эксперимента AMS-02.

AMS (сокращение от Alpha Magnetic Spectrometer) — это современный добротный детектор элементарных частиц, только находящийся в космосе. Он строился в CERN в течение 10 лет, и наконец два года назад он был запущен на орбиту, отбуксирован к Международной космической станции, прикреплен к ней снаружи и с тех пор исправно набирает данные. Конечно, детекторы элементарных частиц в космос запускаются уже давно, но до сих пор это были относительно небольшие установки, размером в десятки сантиметров-метр. AMS-02 имеет 4 метра в поперечнике; это уже немаленький детектор даже по земным масштабам, а для космических аппаратов такие размеры и сложность просто беспрецедентны.

Задача детектора AMS-02 — изучить в мельчайших подробностях свойства космических лучей, энергетических частиц, прилетающих к нам из глубокого космоса. Физиков интересует прежде всего состав космических лучей, наличие в них каких-то исключительно редких частиц.

Есть две «светлых мечты» коллаборации AMS:

1. обнаружить надежные проявления частиц темной материи и зарегистрировать хотя бы несколько ядер антивещества (антигелий и тяжелее). Для достижения первой цели надо накопить очень большую статистику космических лучей, построить всевозможные распределения и попытаться увидеть в них какие-то особенности, которые не удастся списать на «обычные» астрофизические процессы.

2. Вторая цель — если она будет достигнута — приведет к еще более серьезным последствиям. Например, если будет зарегистрировано хоть одно ядро антиуглерода, это будет настоящей сенсацией, поскольку никакими «нормальными» астрофизическими причинами объяснить присутствие в космосе сложных антиядер нельзя.

Загадка космических позитронов

Обнародованные 3 апреля данные относятся к первой «мечте». Они касаются соотношения между электронами и позитронами в потоке космических лучей. Главная величина, которую физики измерили, это доля позитронов в общем электрон-позитронном потоке в зависимости от энергии. Смысл этого измерения вот в чём. Обычных частиц (электронов, протонов, ядер) в космическом пространстве полным-полно, и они легко ускоряются до больших энергий в разнообразных «космических ускорителях». В противоположность им, античастицы, и в частности позитроны, всегда вторичны. Они просто так в космосе не живут, поскольку рано или поздно натыкаются на частицы вещества и аннигилируют. Поэтому наличие античастиц означает, что в космосе «налажено» непрерывное их производство. И вот тут появляются варианты.

Позитроны могут быть, например, побочными продуктами столкновений ускоренных протонов или электронов, случившихся где-то в космосе. Характерная черта всех подобных процессов — плавное и неуклонное уменьшение количества частиц с ростом энергии. Но может также статься, что неуловимые до сих пор частицы темной материи способны при своем столкновении аннигилировать, скажем, на электрон-позитронные пары. Масса частиц темной материи какая-то одна, а скорости их движения маленькие. Поэтому электроны и позитроны при таком столкновении будут рождаться с более-менее определенной энергией. Иными словами, в энергетическом распределении должен нарисоваться пик. Этот пик может быть и не очень заметным в абсолютной величине потока, но если построить отношение количества позитронов к сумме электронов и позитронов (при заданной энергии), то все особенности станут более контрастными.

В 2008 году орбитальный эксперимент PAMELA показал совершенно неожиданные данные. Оказалось, что начиная примерно с 10 ГэВ доля позитронов вовсе не уменьшается, как предсказывалось астрофизическими моделями, а довольно резко растет с 5% при 5–6 ГэВ до (15±5)% при 100 ГэВ;  Выше по энергии PAMELA измерять уже не могла — и для физиков это было словно детектив, оборванный на самом интересном месте. Чем объяснить данные PAMELA?  Может быть, это первые указания на массу частиц темной материи?! Или же есть какое-то более прозаичное объяснение вплоть до ошибки эксперимента?

Физики хотят накопить побольше данных, что займет как минимум еще несколько месяцев.

Являются ли эти данные свидетельством в пользу темной материи? Вовсе нет; не более, чем данные PAMELA. Можно даже сказать жестче: было бы неверно утверждать, что эти данные дали хоть какую-то новую информацию о темной материи — на что хотят намекнуть и официальные сообщения, и вслед за ними СМИ. Да, превышение позитронов вне всяких сомнений имеется, но никаких четких указаний на его происхождение как не было, так и нет. Утверждения в прессе, что AMS-02 вскоре даст ответ на этот вопрос, выглядят чересчур оптимистичными (либо основаны на неопубликованных пока данных).

Что нового рассказали эти данные о позитронной загадке? По правде сказать, не так много.

Коллаборация AMS пришла к выводу, что позитроны приходят со всех направлений более-менее изотропно. В принципе, так и должно быть в случае частиц темной материи, но то же самое можно ожидать и от работающего неподалеку пульсара — ведь испущенные им электроны и позитроны придут к нам по запутанной в межзвездном магнитном поле траектории и могут попасть в детектор с любой стороны.

Непосредственно данные на этом заканчиваются, и открывается простор для интерпретации. Очевидно, в ближайшие месяцы последует поток теоретический статей, учитывающих новые данные в тех или иных вычислениях или моделях или даже предлагающих им свои объяснения. Однако это всё будут пока лишь угадывания до получения новых результатов.

Игорь Иванов.

По материалам в интернете.