Данные AMS свидетельствуют, что в диапазоне с 10 до 250 ГэВ доля позитронов относительно суммарного количества позитронов и электронов демонстрирует аномальный рост, который не предсказывает теория. Одним из вероятных объяснений этого избытка позитронов может служить аннигиляция частиц темной материи.

Детектор AMS-02, установленный на Международной космической станции (МКС), вслед за российско-итальянским проектом «Памела» обнаружил аномальный избыток позитронов в космических лучах, что может являться следом темной материи — загадочной субстанции, на долю которой приходится более четверти массы Вселенной.

В среду глава эксперимента, Нобелевский лауреат по физике 1976 года Сэмюэл Тин (Samuel Ting) представил на семинаре в ЦЕРНе первые результаты работы детектора, который был установлен на МКС в мае 2011 года. С этого времени магнитный альфа-спектрометр (Alpha Magnetic Spectrometer, AMS-02), предназначенный для поиска следов темной материи и антиматерии, зафиксировал около 25 миллиардов частиц, в том числе 400 тысяч позитронов в диапазоне энергий от 0,5 до 350 гигаэлектронвольт.

Данные AMS свидетельствуют, что

в диапазоне с 10 до 250 гигаэлектронвольт доля позитронов относительно суммарного количества позитронов и электронов демонстрирует аномальный рост, который не предсказывает теория.

Такой же рост в 2008 году зафиксировал российско-итальянский детектор PAMELA на борту спутника «Ресурс-ДК1». Ученые заявили, что

одним из вероятных объяснений этого избытка позитронов может служить аннигиляция частиц темной материи, в результате чего рождаются эти частицы.

«В следующие месяцы AMS сможет определенно сказать нам, являются ли эти позитроны сигналом от темной материи или же они имеют другой источник», — сказал Тин.

Рис. 1. График отношения потока позитронов к суммарному
количеству электронов и позитронов по данным AMS-2,
российско-итальянского эксперимента «Памела» и ряда
других проектов.

Данные AMS не показали какой-то зависимости спектра частиц от направления, что может рассматриваться как подтверждение того, что источником избыточных позитронов является темная материя, а не точечные астрофизические объекты. Однако пока данные детектора не позволяют исключить альтернативные объяснения — например, что их источником являются пульсары в плоскости Галактики.

Кроме того, теория предсказывает, что

если дело все же в темной материи, то доля позитронов должна перестать расти при энергиях выше 250 гигаэлектронвольт. В этой области пока недостаточно измерений, и как ожидается, AMS в течение следующих нескольких лет сможет прояснить, как ведут себя позитроны в зоне выше 250 гигаэлектронвольт.

Научный руководитель проекта «Памела», директор Института космофизики МИФИ и сотрудник ФИАНа Аркадий Гальпер, отметил, что работа проекта AMS — «очень большая и ценная работа, это новый шаг».

«Теперь с большей статистикой и с некоторым продвижением в сторону больших энергий полностью подтверждается результат "Памелы», но наши американские коллеги надеются, что у них будет еще возможность получить статистические данные, и тогда можно будет ответить более определенно на вопрос о происхождении аномалии", — сказал ученый РИА Новости.

Темная кошка в темной комнате

Темная материя — невидимая субстанция, о наличии которой можно судить только по ее гравитационному воздействию. Согласно последним данным, полученным европейским космическим телескопом «Планк», на долю «обычной» материи приходится 4,9% массы Вселенной, на темную материю, которую пока удалось обнаружить лишь по косвенным признакам — 26,8% массы.

Существует несколько гипотез о возможной природе темной материи. Согласно одной из наиболее популярных, темная материя может

Рис. 2. График отношения потока позитронов
к суммарному количеству электронов и позитронов
по данным AMS-2.

состоять из тяжелых частиц, которые почти не взаимодействуют с обычной материей — «вимпов» (Weakly Interacting Massive Particles — WIMP).

Возможные следы существования «вимпов» обнаружил российско-итальянский проект «Памела» (PAMELA — Payload for Antimatter Matter Exploration and Light-nuclei Аstrophysics, «научная аппаратура для поиска антиматерии и изучения астрофизики легких ядер»). Он стартовал в июне 2006 года, когда на борту спутника «Ресурс-ДК1», предназначенного для фотосъемки Земли, на орбиту отправился cпектрометр PAMELA, который способен регистрировать космические античастицы и частицы в широком диапазоне энергий.

Детектор «увидел», что в области энергий около 10 гигаэлектронвольт доля позитронов относительно суммарного количества позитронов и электронов начала расти, и увеличивалась примерно в 10 раз в области энергий выше 100 гигаэлектронвольт.

«Данные "Памелы» не свидетельствовали однозначно об открытии частиц, из которых возможно состоит темная материя, но этот избыток может быть действительно связан со столкновениями и аннигиляцией частиц темной материи с появлением дополнительного потока позитронов. Либо же их источником могут быть какие-то астрофизические объекты, например пульсары, но это пока тоже не подтверждено", — сказал Гальпер.

По его словам, данные AMS практически повторяют результаты «Памелы» с более высоким уровнем точности.

«Отличие AMS в том, что у него больше информации, у них больше число событий, поэтому у них статистика гораздо больше. В этом смысле их данные полностью ложатся на наши данные, но они сделаны с меньшей статистической ошибкой и немного продвинуты в зону более высоких энергий», — сказал ученый.

Возможно, отметил Гальпер, за время работы американского детектора на борту МКС, ученые смогут продвинуться в область более высоких энергий, увидеть более детально спектр в этой зоне, и понять, что же является источником избытка позитронов — астрофизические объекты или темная материя.

Искать следы в гамма-диапазоне

Говоря о перспективах дальнейших поисков следов темной материи, Гальпер отметил, что возможной стратегией здесь будет поиск следов распада «вимпов» на другие частицы, в частности, на гамма-кванты.

«Этот метод позволяет обеспечить большую точность, а значит большую уверенность в том, что мы обнаружили именно темную материю», — сказал он.

Решить эту задачу сможет российский космический гамма-телескоп «Гамма-400», который сможет вести наблюдения в гамма-диапазоне с непревзойденно высоким разрешением. По словам Гальпера,

этот аппарат, запуск которого, по последним данным, планировался на 2016 год, сможет видеть очень узкие спектральные линии в гамма-диапазоне, а значит точнее определять источник гамма-квантов, одним из которых может быть аннигиляция «вимпов».