Космос - це не тільки запуски ракет, а й велика наука, заснована на точних вимірах, атомних технологіях і терпінні експериментаторів. Одна з головних космічних загадок - темна матерія. Про гонці за нею «Ленте.ру» розповів в День космонавтики директор інституту космофізики базового вузу «Росатома», НІЯУ МІФІ Аркадій Гальпер.
«Лента.ру». У МІФІ займаються тільки прикладними дослідженнями або є місце і фундаментальної науке-
Гальпер. Звичайно, у нас є кафедри, які створюють перспективні розробки під патронажем «Росатома». Наприклад, «ядерний тягач», здатний в рази скоротити час польоту, наприклад, до Марса. Однак є в МІФІ групи, в тому числі моя, що займаються проблемами загальної фізики і космології, тобто фундаментальними дослідженнями.
Що це за прилад-
Ми, Дітей, давно працюємо в космосі - з 1960-х років. І до нас завжди тягнулися зарубіжні колеги: разом з італійцями ми запропонували програму «РИМ» - російсько-італійська місія. Для інституту це було ново. Підготовку до нашого великого експерименту ми почали з розробки наукової апаратури і її часткового випробування в космосі.
Вдалося відкрити щось нове-
Що було далі-
Ми поставили перед собою важливу фізичну задачу. Справа в тому, що ще на початку минулого століття виникло таке поняття як «темна матерія». Коли вивчали скупчення галактик, то звернули увагу на те, що всі вони обертаються навколо певного «центру». Це обертання визначають гравітаційні сили, і галактики, завдяки своїй швидкості, можуть утримуватися, не падаючи в центр. Припустили, що в центрі скупчення є речовина, що володіє гравітаційної масою і, відповідно, утримує за рахунок гравітації ці галактики навколо себе при їх обертанні. Що за матерія знаходиться в цьому центрі, ніхто не знав. Її нібито не було! Або вона була невидимою. При цьому темної матерії в нашому Всесвіті в кілька разів більше, ніж звичайної баріонів!
З чого ж вона состоіт-
Тоді думали, що темна матерія складається з темних частинок, тобто тих, які жодним чином не світять. Погоня за темною матерією була суто теоретичною: вчені припускали про масу і властивості її частинок.
Ці теоретичні розрахунки показали, що гіпотетичні частинки дуже незвичайні. По-перше, вони нейтральні, тобто при порушенні не світить, як інші частинки. По-друге, вони масивні: в Стандартної моделі їм місця немає. Після відкриття бозона Хіггса нічого нового поки не знайшли. Цілком імовірним продовженням може стати відкриття масивних частинок, з яких складається темна матерія. По-третє, ці частинки мають дуже маленьким перетином взаємодії зі звичайною матерією. Вони вільно через неї проходять, але гравітаційна взаємодія у них існує.
Звідки ж вони взялісь-
Вважається, що на ранній стадії розвитку Всесвіту, коли вона була в стані дуже високого енергетичного збудження і її температури вистачало для народження нових частинок, ці частинки і виникли. Оскільки вони погано взаємодіяли, то дожили до нашого часу.
Чи можливо зареєструвати ці частки-
Це дуже цікаве питання. Якщо темна матерія існує, значить, вона є і в навколишньому світі - в Сонячній системі. Її щільність дуже мала, і ймовірність того, що гіпотетичні частинки зіткнуться один з одним, також невисока. Однак їх взаємодія призводить до дуже цікавого результату - появи відомих нам часток, наприклад електрона і позитрона. Маса цих частинок під час подібної взаємодії передається енергії знову народжених частинок. Хоча гіпотетичні частинки начебто стабільні, вони можуть розпадатися. Швидше за все, в результаті виходять фундаментальні частинки, які потім перетворюються в елементарні, відомі нам частинки.
Тому в космосі і потрібно шукати сліди анігіляції темної матерії: серед потоку космічних променів необхідно реєструвати, наприклад, позитрони і антипротона. Тобто відносно рідкісні частинки, які хоч і зустрічаються в космічному випромінюванні, але вкрай нерегулярно.
І ви організували їх пошук-
Так, ми вирішили зайнятися пошуком античастинок. Такий експеримент можна ставити на прискорювачах, розігнавши частки до величезних енергій. Це роблять, наприклад, на Великому адронному колайдері.
Є ще один спосіб - спостерігати пряму взаємодію важких частинок темної матерії з ядрами. Наприклад, за допомогою приладів, що складаються з великого обсягу рідкого ксенону або іншого благородного газу. Там важка частка стикається з ядром, з якого складається цей газ, передає йому частину енергії, а ми вираховуємо масу частинки, виходячи від відхилення ядра.
Подібні експерименти проводяться на величезних установках, розташованих переважно під землею. Вони називаються «прямими експериментами». Ми пішли іншим шляхом, почавши шукати в потоці космічних променів неоднорідності, скажімо, антипротонів там, де, здавалося б, їх не повинно бути. Цей метод називається «непрямим», адже ми шукаємо не власними частки, а то, що вийшло в результаті ...
Експеримент PAMELA замислювався саме для цього-
Безумовно. Він був спрямований на те, щоб шукати ці сліди в потоках позитронів, антипротонів і навіть антигелія, які могли б виникнути в результаті анігіляції часток темної матерії.
Чи вдалося домогтися успіху-
PAMELA провела в космосі близько десяти років, і це нам дуже допомогло. Зокрема, було доведено, що спектр позитронів не збігається з нашим теоретичним поданням про кількість цих частинок, навіть якщо брати до уваги всі відомі нам чинники народження частинок в джерелах, проходження через Галактику і попадання в нашу Сонячну систему. Якщо ми все це порахуємо, то побачимо, що потік інший - їх кількість навіть зростає. І одне з найперших пояснень цього ефекту, названого аномальним ефектом PAMELA, засноване на анігіляції часток темної матерії на електрон і позитрон. Його можна побачити і на електронах, проблема в тому, що їх настільки багато, що зробити це набагато складніше.
Аналогічна картина з антипротонами. І це теж один з основних результатів експерименту PAMELA.
І це поставить крапку в пошуках темної матерії-
Ні, вже знайшлися ті, хто намагається пояснити наші результати інакше. І це цілком логічно. Проте результати PAMELA дуже важливі, адже це один з випадків, потенційно вказують на темну матерію.
Також хочу нагадати, що в цьому процесі анігіляції можуть народитися електрони і позитрони. А можуть - і гамма-кванти! Якщо з'являються два гамма-кванта, то енергія кожного з них практично дорівнює масі частинки темної матерії. Навколо цього розвиваються цілі напрямки досліджень. Наприклад, діючий в Росії проект «Гамма-400». Незабаром в науці почнеться нова ера ...