PAMELA - впечатление художника
Artist's impression of PAMELA
PAMELA вновь выдает избыток позитронов
Европейская коллаборация PAMELA опубликовала новые данные о таинственном избытке позитронов, пронизывающих космическое пространство. Представленные данные содержат впервые абсолютные, а не относительные количества позитронов и помогут уточнить теоретические модели - в том числе и те, которые объясняют избыток позитронов как след темной материи.
PAMELA
(Payload for Antimatter/Matter Exploration and Light-nuclei Astrophysics), это спутник, запущенный в 2006 году институтами Германии, Италии, России и Швеции для изучения природы античастиц в космических лучах. Первые результаты, опубликованные в 2008 году, показали удивительную особенность: устойчивый рост отношения позитронов к электронам для энергий выше примерно 10 ГэВ. Это идет вразрез с основными теоретическими расчетами, предсказывающими, что позитронная фракция должна уменьшаться.
Теоретики выдвинули несколько объяснений позитронному избытку. Самое захватывающее связано с темной материей, неуловимой субстанцией, взаимодействующей гравитационно, но не электромагнитно (потому и не видима для света); по оценкам, она составляет почти 85% от общего количества материи во Вселенной. Согласно многим теоретическим моделям, частицы темной материи могут аннигилировать друг с другом, тем самым порождая электроны и позитроны. При низких энергиях электроны от других астрофизических источников заметно превосходят количество этих позитронов, но с ростом энергии количество таких электронов будет сокращаться, в результате чего соотношение числа электронов и позитронов становится таким, как наблюдает PAMELA.
Вращающиеся звезды
Другим объяснением является то, что позитроны генерируется вращающимися звездами, известными как пульсары. И еще одна возможность состоит в том, что команда PAMELA не правильно интерпретирует результаты своих экспериментов. Неправильное толкование теперь, похоже, почти полностью исключено, потому что в начале прошлого года физики, используя космический гамма-телескоп Ферми (от NASA), подтвердили, что они также обнаружили увеличение позитронной фракции при энергиях от 20 до 100 ГэВ. Затем, в апреле этого года, данные магнитного альфа-спектрометра (AMS) на борту Международной космической станции тоже выявили избыток позитронов.
Последнее данные PAMELA, полученные в период с июля 2006 года по декабрь 2009 года, содержат в три раза больше позитронных событий, чем в предыдущем случае. Более важно, однако, что данные включают абсолютное число позитронов, а не только их фракцию в общей массе. "Если вы хотите понять механизмы, которые могут быть связаны с [избытком позитронов], то интересно знать количество позитронов самих по себе", говорит Мирко Боэцо (Mirko Boezio), возглавляющий группу анализа данных PAMELA в Национальном институте ядерной физики в университете Триеста, Италия.
Измерение абсолютного числа позитронов не простая задача. Важно отметить, что такое измерение требует точной оценки числа позитронов, которые теряются из-за неэффективности обнаружения - в отличие от измерения относительной доли позитронов и электронов, когда такие неэффективности компенсируются. PAMELA не первая коллаборация сделавшая абсолютное измерение: оно было уже выполнено в ходе нескольких экспериментов на аэростате и с помощью космического гамма-телескопа Ферми. Однако измерения от PAMELA более точные и могут, по заверениям Боэцо, помочь теоретикам исключить конкурирующие модели.
Тень на темную материю
Теоретик (элементарные частицы) Субир Саркар (Subir Sarkar) из Оксфордского университета в Великобритании с удовлетворением отмечает, что последние измерения PAMELA позитронной фракции так хорошо соответствуют недавним измерения AMS. Он указывает, однако, что отношения между позитронной фракцией и энергией, как представляется, не дает возможности сценарию темной материи. "Объяснение в терминах темной материи довольно надуманное, так как требует частиц с массой в ТэВ/c
2
, со значительно увеличенной скоростью аннигиляции в сравнении с обычными предсказаниями, [и], которая не производит никаких антипротонов!", говорит он.
Саркар считает, что астрофизический источник позитронов более вероятен, но это не пульсары. Вместо этого, он считает, что космические лучи могли бы генерировать позитроны в процессе их взаимодействия с окружающим веществом в ударных волнах от сверхновых, которые и ускоряют позитроны. Если это так, говорит он, то доля некоторых ядер в космических лучах будет также отличаться от ожидаемой. Например, углерод будет превращаться в бор, приводя к увеличению отношения количества бора к углероду при высоких энергиях.
Независимо от возможного понимания избытка позитронов, ясно, что коллаборация PAMELA дала пищу для размышлений физикам-теоретикам. Марко Цирели (Marco Cirelli), физик-теоретик из Института теоретической физики в CEA/Сакле, недалеко от Парижа воздает должное результатам. "Они являются большим достижением эксперимента и коллаборация сработала действительно хорошо", говорит он.