Виявлені сліди можливої анігіляції частинок темної матерії

Досліджуючи спектри гамма-випромінювання, що приходить з областей, близьких до центру Галактики, астрофізики з Німеччини та Китаю виявили сліди можливої анігіляції частинок темної матерії (ТМ). Непрямі свідчення того, що барионное речовина у Всесвіті доповнюється небаріонної холодною темною матерією, приносять різні космологічні спостереження, що охоплюють відстані від десятків килопарсеков до одиниць гигапарсеков. Підходящими кандидатами на роль частинок ТМ вважаються слабовзаимодействующие вимпы, типовим представником яких можна назвати найлегший суперсимметричное нейтралино. Зараз, коли фізикам стало ясно, що Великий адронний коллайдер не бачить ніяких (крім, бути може, бозона Хіггса) нових частинок з масою менше одного тераелектронвольта, модель вимповой ТМ почали активно критикувати, але побудувати більш переконливу теоретичну конструкцію не вдається.

Пошуки частинок ТМ прямими методами — на прискорювачах і в дослідах по розсіюванню вимпов на ядрах — надійних позитивних результатів поки що не дали, і експериментатори змушені звертатися до непрямим методиками. Найбільш перспективною з останніх називають реєстрацію майже вільно проходить крізь Галактику гамма-випромінювання — вісника анігіляції вимпов. З виявленням гамма-квантів успішно справляються і наземні (скажімо, черенковские) телескопи, відстежують створювані цими квантами в атмосфері зливи вторинних частинок, і космічні. У кожного способу є свої переваги і недоліки: при спостереженнях з космосу можна розраховувати на велике поле огляду і детектування фотонів з порівняно низькою енергією, а черенковские установки ідеально підходять для точкових досліджень.

Оскільки щільність ТМ прямо пов’язана з частотою анігіляції вимпов, найбільше число сигналізують про неї гамма-квантів повинно приходити з центру Чумацького Шляху, від карликових сфероидальных галактик або скупчень галактик. На ці об’єкти — передбачувані області концентрації частинок ТМ — фізики звертають увагу найчастіше.

Втім, одна лише просторова модуляція потоку гамма-квантів не говорить про те, що в центрі Галактики або прилеглої карликовій галактиці знаходиться саме ТМ. Щоб виділити справді корисний сигнал, науковці аналізують не тільки просторові, але і спектральні особливості потоку і намагаються відшукати якісь лінії або вузькі піки, з високим ступенем ймовірності відносяться до анігіляції вимпов. Теоретична можливість появи таких піків існує, хоча шанси на освіту широких «горбів» в спектрі, які створюються вторинними фотонами, народженими при адронизации і розпад первинних продуктів анігіляції частинок ТМ (пар кварків, лептонів, бозонів Хіггса, W – і Z-бозонів), — вище. «Горби», очевидно, менш інформативні і менш помітні на астрофізичного тлі, скласти повний опис якого надзвичайно важко.

Ненадійність аннигиляционных сигналів від вторинних фотонів пояснює, чому фахівці ставляться до них з недовірою. Повідомлення про подібні гамма-сигнали, що виходять з центру Галактики і інтерпретованих як сліди частинок ТМ з масою ~10 Гев, ~100 Гев, ~Тев або навіть кілька тераелектронвольт, в останні роки з’являються із завидною частотою, але з доказом того, що інтерпретація вірна, незмінно виникають проблеми.

Один з варіантів визначення області Чумацького Шляху, в якій «Фермі» проводить вимірювання потоку гамма-квантів, маючи намір відшукати сліди темної матерії (ілюстрація із Journal of Cosmology and Astroparticle Physics).

Виявлений телескопом пік на ~130 Гев (ілюстрація із Journal of Cosmology and Astroparticle Physics).

Новий сигнал, для виявлення якого знадобився величезний масив інформації, складений космічним гамма-телескопа «Фермі» за 43 місяці роботи, за своєю формою відрізняється від згаданих вище і виглядає як вузький пік в районі 130 Гев з локальної статистичною значущістю, що перевищує 4,6 σ. Таким чином, він легко представляється як результат анігіляції частинок ТМ, що мають природну з теоретичної точки зору масу в ~100 Гев, а ймовірність його випадкового виникнення гранично мала.

Поки ніяких даних, що суперечать початкової інтерпретації піку в спектрах «Фермі», представлено не було, і 130-гигаэлектронвольтовый сигнал вважається надійним з відомих. У майбутньому ситуація цілком може змінитися; вже зараз з’ясовуються деякі цікаві деталі, які загрожують зруйнувати картину, намальовану теоретиками.

По-перше, центр походження сигналу, здається, зміщений на ~1,5 градуса (200 пк) від центру Галактики. Хоча можливість того, що ділянка максимальної щільності ТМ не буде співпадати з центром спіральних галактик з перемичкою, що нагадують Чумацький Шлях, при моделюванні розглядалася і раніше, значний зсув, виявлене в реальному експерименті, здивувало багатьох.

По-друге, результати найпростішої перевірки вказують на те, що пік в області 130 Гев може виявитися інструментальним артефактом, характерним для космічного телескопа і його детекторів. Як з’ясувалося, якусь подобу лінії на 130 Гев виділяється в спектрах, побудованих для виявлених «Фермі» фотонів з атмосфери Землі (тобто з злив частинок, створюваних космічними променями) з кутами падіння θ від 30 до 45. Цей сигнал, на відміну від обговорюваного нами «реального», має слабку значимість і пропадає, якщо розглядати всі кути падіння атмосферних квантів або все — і астрофізичні, і атмосферні — фотони в діапазоні 30 ≤ θ ≤ 45, але сама його поява насторожує.

130-гигаэлектронвольтовый пік, безсумнівно, буде обговорюватися ще дуже довго, і обійтися спостереженнями одного «Фермі» тут не вийде. Підтвердити або спростувати його дані повинні нові космічні телескопи з великим енергетичним дозволом (DAMPE, «ГАММА-400») або тільки що введений в дію черенковский телескоп H. E. S. S. II.

Підготовлено за матеріалами arXiv ([1], [2], [3], [4]).

Залишити відповідь

Ваша e-mail адреса не оприлюднюватиметься. Обов’язкові поля позначені *