Результаты AMS-02 подтверждают данные эксперимента PAMELA

Две недели назад коллаборация AMS, наконец, выпустила статью с научными результатами. О ее будущем выходе было известно заранее, и едва ли не с большим нетерпением, чем специалисты в физике космических лучей, этих результатов ждало сообщество физиков-теоретиков, занимающихся поисками темной материи. Дело в том, что AMS-02 должен был значительно уточнить результаты эксперимента PAMELA, которые вызвали более чем бурную реакцию после того, как они стали известны широкой публике в 2009 году.

Но для начала необходимо сказать несколько слов о самом эксперименте AMS-02. Его название расшифровывается как Alpha Magnetic Spectrometer, порядковый номер 02 объясняется тем, что прототип этой установки AMS-01 пробыл 10 дней на орбите в 1998 году на борту шаттла «Дискавери». Сама идея эксперимента была предложена в 1995 году, сейчас в коллаборацию входит 60 институтов из 16 стран, а общее число участников составляет около полутысячи. Установка была доставлена на орбиту в мае 2011 года последним рейсом шаттла «Эндевор» (и предпоследним рейсом во всей программе космических челноков).

AMS-02 — это большой научный модуль, пристыкованный к МКС, он является одним из наиболее тяжелых (6,9 тонн) и дорогих (~1,5 млрд долл. США) научных инструментов, когда-либо выведенных на орбиту, уступая по обоим параметрам лишь телескопу «Хаббл». Его принципиальная схема не слишком сложна: основной детектор расположен внутри мощного магнита, который создает поле, в несколько тысяч раз превышающее поле у поверхности Земли. Траектории заряженных частиц, пролетающих через детектор, искривляются, что, после измерения энергии частиц в калориметре, позволяет установить их заряд.

Первоначальный проект предусматривал установку в несколько раз более мощного сверхпроводящего магнита, но запаса жидкого гелия, необходимого для охлаждения магнита, хватило бы лишь на 3 года работы. После того как время миссии МКС на орбите продлили до 2020 года, было решено вернуться к обычному магниту, который хорошо себя зарекомендовал во время полета прототипа. Его более слабое поле не позволяет определять параметры частиц с энергиями больше 2 ТэВ/нуклон, зато время жизни эксперимента выросло до более чем 10 лет и теперь будет определяться уже продолжительностью существования самой станции.

Также в состав AMS-02 входят дополнительные детекторы, обеспечивающие высокую точность определения энергии и химического состава космических лучей.

Основной целью эксперимента, под которую и удалось добиться столь высокого финансирования, является поиск новой физики. Во-первых, AMS-02 обладает сверхвысокой чувствительностью к антиядрам, т.е. ядрам антивещества. Если будет детектировано хотя бы одно антиядро (кроме антиводорода, конечно), то это будет явным указанием, что во Вселенной есть обширные области пространства, заполненные антивеществом. Это станет серьезнейшим ударом по нынешней парадигме бариогенеза, которая предполагает, что количество антивещества во Вселенной ничтожно мало.

Во-вторых, AMS-02 является мощнейшим инструментом для непрямого поиска неуловимой темной материи. Пока все указания на ее существование были получены лишь в наблюдениях, связанных с законом тяготения, но для установления ее природы необходимо и детектирование. Полным ходом идет несколько крупных экспериментов по прямому детектированию, но не менее перспективными являются и поиски косвенных сигналов. Дело в том, что в большинстве моделей предсказывается, что частицы темной материи могут распадаться или аннигилировать в привычные частицы Стандартной Модели (фотоны, лептоны, кварки). Однако эти процессы не будут различать частицы и античастицы, и в итоге, например, электроны и позитроны будут образовываться в одинаковых количествах. В обычных условиях образование античастиц происходит гораздо реже, чем образование обычных частиц, поэтому, если мы вдруг наблюдаем большое количество античастиц, то это очень подозрительно и вполне может указывать на процессы, связанные с ТМ.

Конечно, эксперименты такого уровня (и такой стоимости) не будут одобрены без надежной подстраховки. Такой подстраховкой в данном случае служит гарантированный научный выход: AMS-02 промерит спектр и состав космических лучей в диапазоне ГэВ-ТэВ с исключительно высокой статистикой и точностью.

Вернемся к аномалии PAMELA, ставшей «хитом» 2009 года. Измерения международного (Италия — Россия-Германия- Швеция) эксперимента PAMELA («Payload for Antimatter Matter Exploration and Light-nuclei Astrophysics»), предназначенного для поиска антивещества в космических лучах, показали, что при увеличении энергии наблюдаемых частиц до ~10 ГэВ доля позитронов в общем потоке электронов и позитронов падала до 5%, что хорошо совпадало с существовавшими моделями образования вторичных позитронов при взаимодействии космических лучей и атомов межзвездной среды. Однако начиная с 10 ГэВ доля позитронов начинала расти и достигала 10-12% на 100 ГэВ. Этот избыток никакими существовавшими на тот момент моделями, где все позитроны являются вторичными, описать было нельзя.

Количество публикаций, пытающихся объяснить этот результат, превысило несколько сотен. Горячие головы сразу заявили, что избыток есть явное свидетельство распадов, или аннигиляций, частиц темной материи. Причем необходимо было построить специальную модель ТМ, которая бы распадалась (или аннигилировала) на электроны и позитроны, но не на протоны/антипротоны, так как никакого избытка антипротонов PAMELA не наблюдала.

Более консервативным кандидатом стали пульсары: они без разбора ускоряют как электроны, так и позитроны, так что несколько близких мощных пульсаров (или совокупность всех пульсаров Галактики) вполне могли бы объяснить этот избыток. Третьим объяснением было то, что никакого избытка в действительности нет, а есть обычная ошибка эксперимента. На таких высоких энергиях позитроны и протоны ведут себя очень похоже, но поток последних гораздо выше, и необходимо отличать протоны от позитронов на уровне 1/100 000.

Через 2 года данные гамма-телескопа Fermi-LAT, который мог быть использован и в качестве детектора электронов и позитронов, подтвердили наличие избытка, так что третье объяснение оказалось неверным. Но для понимания того, пульсары или ТМ служат источником избытка, необходимы были данные специализированного эксперимента.

В статье AMS-02 [1] были представлены результаты по наблюдениям 6,8 млн электронов и позитронов с мая 2011 года в диапазоне энергий 0,5-350 ГэВ. Существование избытка было подтверждено с очень высокой точностью: доля позитронов начинала расти с 10 ГэВ, но скорость роста замедлялась уже начиная с 20 ГэВ. В максимуме доля позитронов составляла ~15%. Данные очень хорошо совпадают с результатами PAMELA и чуть хуже — с результатами Fermi, которые давали еще более высокую долю позитронов. Данные хорошо описываются очень простой моделью: потоки электронов и позитронов представляют из себя суммы фоновых потоков (индивидуальных для каждой компоненты, электронный фон гораздо мощнее позитронного) и одинакового по величине потока какого-то общего происхождения. Статистика, набранная AMS-02, также позволила изучить анизотропию направлений приходов позитронов: если бы вблизи нас существовал мощный источник позитронов, то в направлении на него их поток был бы выше, чем в противоположном. Никакой значимой анизотропии не было обнаружено.

За пару недель появилось уже почти два десятка статей с интерпретацией результатов. Пока можно сказать, что хуже пришлось моделям с ТМ: простая аннигиляция в электроны-позитроны (или мюоны-антимюоны) плохо согласуется с наблюдениями, и, чтобы улучшить совместность, необходимо несколько усложнять модели. Пульсары же остаются прекрасным кандидатом на объяснение избытка.

По мере накопления новых данных и соответствующего увеличения статистики проблема в скором будущем должна быть окончательно разрешена.

1. Phys. Rev. Lett. 110, 141102 (2013), First Result from the Alpha Magnetic Spectrometer on the International Space Station: Precision Measurement of the Positron Fraction in Primary Cosmic Rays of 0.5-350 GeV, http://prl.aps.org/abstract/PRL/v110/i14/e141102

Максим Пширков, ГАИШ МГУ