ИЗВЕСТИЯ РАН. СЕРИЯ ФИЗИЧЕСКАЯ, 2011, том 75, № 3, с. 360-362
УДК 524.1
ПОИСК АНТИГЕЛИЯ В КОСМИЧЕСКИХ ЛУЧАХ ПО ДАННЫМ ЭКСПЕРИМЕНТА ПАМЕЛА
© 2011 г. А. Г. Майоров1, О. Адриани5, Г. А. Базилевская2, Дж. Барбарино3, Р. Белотти4, М. Боецио7, Э. А. Богомолов6, В. Бонвичини7, М. Бонджи5, Л. Бонеки5, C. В. Борисов18, С. Боттаи5, А. Бруно4, C. Вакки7, Е. Вануччини5, Г. В. Bасильев6, С. А. Воронов1, Ю. Ву9, A. M. Гальпер1, Л. А. Гришанцева1, И. А. Данильченко1, В. Джиллард9, Дж. Джерси8, Дж. Зампа7, Н. Зампа7, В. Г. Зверев1, М. Казолино8, Д. Кампана3, Р. Карбоне3, А. В. Карелин1,
П. Карлсон9, Дж. Кастеллини10, Ф. Кафанья4, А. Н. Квашнин2, С. В. Колдашов1, С. А. Колдобский1, С. Ю. Крутков6, А. А. Леонов1, В. В. Малахов1, В. Мальвецци8, Л. Марчелли8, В. Менн11, В. В. Михайлов1, Э. Мокьютти7, Н. Мори5, Н. В. Никонов86, Дж. Остерия3, С. Пизолотто7, П. Папини5, М. П. Де Паскале8, П. Пикоцца8, М. Пирс9, М. Риччи12, С. Риччиарини5, М. Ф. Рунцо1, М. Симон11, Н. Де Симоне8, Р. Спарволи8, П. Спилантини5,
Ю. И. Стожков2, В. Ди Феличе8, Ю. Т. Юркин1
E-mail: mayorov.andr@gmail.com; vvmikhajlov@gmail.com
Общепринятая теория, объясняющая наблюдаемую космологическую барионную асимметрию, включает механизмы бариосинтеза, которые образуют асимметрию в первоначально барионно-симметричной Вселенной. Из-за возможного неоднородного пространственного характера нарушений в барионно-асимметричной Вселенной могли возникать домены антиматерии. Эта гипотеза может быть проверена прямыми измерениями потоков антиядер в космических лучах, поэтому среди задач эксперимента ПАМЕЛА есть поиск и изучение ядер антигелия. В работе проанализированы данные с августа 2006 г. по декабрь 2009 г. и получено предварительное значение верхнего предела для отношения потоков He/He, которое уже сейчас может привести к ограничениям на существующие теоретические модели образования и распространения антивещества в Галактике.
ВВЕДЕНИЕ
Один из важнейших вопросов космологии — объяснение наблюдаемой барионной асимметрии в Галактике [1, 2]. Реальное значение этой асимметрии можно установить, в том числе, прямыми измерениями антиядер в потоках космических лучей.
1 Национальный исследовательский ядерный университет "МИФИ" Федерального агентства по образованию РФ, Москва.
2 Учреждение Российской академии наук Физический институт им. П.Н. Лебедева РАН, Москва.
3 INFN, Structure of Naples and Physics Department of University of Naples Federico II, Italy.
4 INFN, Structure of Bari and Physics Department of University of Bari, Italy.
5 INFN, Structure of Florence and Physics Department of University of Florence, Italy.
6 Учреждение Российской академии наук Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе РАН, Санкт-Петербург.
7 INFN, Structure of Trieste, Italy.
8 INFN, Structure of Rome Tor "Vfergata and Physics Department of University of Rome Tor "Vfergata, Italy.
9 KTH, Department of Physics, Stockholm, Sweden.
10 IFAC, Sesto Fiorentino, Florence, Italy.
11 Physics Department of Universitat Siegen, Germany.
12 INFN, Laboratori Nazionali di Frascati, Italy.
Наиболее распространенными антиядрами являются антипротоны, однако они могут быть относительно легко рождены в процессе взаимодействия космических лучей высоких энергий с межзвездным газом и, следовательно, иметь вторичное происхождение [3, 4].
Антигелий впервые был обнаружен в Серпухове на 70-ГэВ-ном ускорителе [5], и он также может образовываться в результате взаимодействий космических лучей, но его количество по отношению к ядрам гелия He/He будет около 10-12— —10-14 [6—8] (для сравнения, отношение p/p ~ 10-5). Обнаружение антигелия выше этого значения будет свидетельствовать о существовании доменов антиматерии или о других экзотических источниках антивещества, способных образовать антигелий (шаровые скопления антизвезд, двойные звезды, темная материя и др.).
1. НАУЧНАЯ АППАРАТУРА ПАМЕЛА
Эксперимент ПАМЕЛА проводится на борту космического аппарата "Ресурс ДК1", выведенного на околоземную орбиту 15 июня 2006 года.
Научная аппаратура, подробное описание которой можно найти в [9], состоит из нескольких
ПОИСК АНТИГЕЛИЯ В КОСМИЧЕСКИХ ЛУЧАХ ПО ДАННЫМ ЭКСПЕРИМЕНТА ПАМЕЛА
361
детекторных систем: времяпролетная система, координатная трековая система (трекер), коорди-натно-чувствительный калориметр, система антисовпадений, нижний сцинтилляционный ливневый детектор и нейтронный детектор. Этот набор детекторов позволяет для каждой регистрируемой частицы измерять заряд и его знак, массу, скорость, жесткость и энергию.
2. ОБРАБОТКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ДАННЫХ
Для выделения частиц, прошедших в апертуре прибора, для которых можно измерить жесткость и скорость, применены следующие требования к событиям: одиночные события без взаимодействий в магнитном спектрометре, восстановленная траектория частицы не касается магнита, наличие срабатываний в детекторах времяпролет-ной системы, отсутствие сигнала в системе антисовпадений. Эти критерии не зависят от знака заряда частиц.
2.1. Выделение частиц с зарядом = 2
Основными источниками имитаций частиц с \7\ = 2 являются электроны, протоны, антипротоны, дейтерий или частицы с \7\ > 2. Для выделения частиц с зарядом 2 были использованы распределения средних ионизационных потерь в трекере (усредненных по всем сработавшим плоскостям) в зависимости от измеренной жесткости с условием, что во всех сработавших плоскостях трекера измеренный заряд был равен 2. Вероятность имитации частиц с \7\ = 2 другими частицами меньше 10-8.
Количество событий 105
104
103
102
101
10°
Г
г Нет
=событий-кандидатов ! в антигелий llSillk
г 181111111111k
г WBsKSk
Г 1 1 1 Siiliiiiiiiiliilii,
-2.0 -1.5 -1.0 -0.5 0 0.5 1.0 1.5 2.0 Кривизна траектории, ГВ-1
Рис. 1. Распределение отобранных событий ядер гелия в зависимости от кривизны их траектории в магнитном поле.
Отношение антигелий/гелий 10-1
He/He Limit 95% CL Smoot et al. (1975) ^ Aizu et al. (1961) Evenson et al. (1972)
10-
10-
10
Evenson et al. (1972)
Smoot et al. (1975)
Badhwar et al. (1978) Golden et al. (1997) --
Buffington et al. (1981)
T. Saeki et al. (1998)
AMS-0.1 (1998)
PAMELA
BESS combined _i_i.........i_i.........i_i.........i_i........
10
102 103 Жесткость, ГВ
Рис. 2. Верхний предел отношения He/He.
3
5
2.2. Определение знака заряда частиц с \2\ = 2
Для разделения гелия и антигелия были проведены:
определение направления движения частиц: неправильное измерение направления частицы может привести к неверному определению знака заряда. В обратном направлении могут лететь положительные альбедные или рожденные в калориметре частицы. Разрешение времяпролетной системы ~ 300 пс позволяет надежно определять направление прилета;
идентификация рассеявшихся частиц: для событий, в которых произошло рассеяние в одной из внутренних плоскостей трекера, происходит неправильное определение жесткости и, возможно, знака заряда. Для исключения из анализа таких событий используются проверка точности восстановления кривизны с использованием различных частей траектории, и проверка этой траектории с использованием калориметра.
РЕЗУЛЬТАТЫ
Результаты поиска антиядер гелия приведены на рис. 1, где построено распределение отобранных частиц с \7\ = 2 по кривизне траектории в магнитном поле. Всего отобрано около 3.200.000 событий с = 2 и не обнаружены события с отрицательным зарядом в интервале жесткостей 0.5-180 ГВ.
В этом случае можно только оценить верхний предел на поток антигелия, который приведен на рис. 2 в сравнении с результатами измерений в других экспериментах [10-17].
Результат эксперимента ПАМЕЛА по измерению отношения антигелий/гелий непосредственно в космическом пространстве дает наиболее низкое значение верхнего предела в области жесткостей от 16 до 180 ГВ. Заметим, что античастицы таких энергий могут пройти межпланетное пространство и достигнуть орбиты Земли. При низких энергиях поток антигелия будет суще-
362
МАЙОРОВ и др.
ственно подавляться аннигиляционным процессом в Солнечной системе и, тем более в атмосфере, из-за резко возрастающей плотности среды и большого сечения аннигиляции.
Уже сейчас полученный предел может наложить некоторые ограничения на модели по объяснению барионной асимметрии Вселенной [18]. Эксперимент продолжается, и вместе с этим ведется работа по оптимизации критериев отбора событий, что приведет к улучшению измеряемой величины верхнего предела.
Авторы выражают благодарность совету по космосу РАН, федеральному космическому агентству "Роскосмос", ФГУП ГНПРКЦ "ЦСКБ-Про-гресс", Научному центру оперативного мониторинга Земли, итальянскому космическому агентству, немецкому аэрокосмическому центру, шведскому национальному космическому совету, шведскому исследовательскому совету.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Sakharov A.D. // JETP Lett. 1967. V. 5. P. 24.
2. Хлопов М.Ю. Основы космомикрофизики. М.: УРСС, 2004.
3. Гинзбург В.Л. Астрофизика космических лучей. М.: Наука, 1990.
4. Strong A.W., Moskalenko I.V., Ptuskin V.S. // Ann. Rev. Nucl. Part. Systems. 2009. V 57. P. 285.
5. Антипов Ю.М. и др. // ЯФ. 1970. Т. 2. С. 311.
6. Allkofer O.C., Brockhausen D.P. // Astrophys. Space Sci. 1985. V. 109. P. 145.
7. Evenson P. // Astrophys. J. 1972. V. 176. P. 797.
8. Duperray R., Baret B., Maurin D. et al. // astro-ph/0503544v1.
9. Galper A.M., Picozza P. et al. // Astropart. Phys. 2007. V. 27. P. 296.
10. Golden R.L. et al. // Astrophys. J. 1997. V 479. P. 992.
11. Buffington A. et al. // Astrophys. J. 1981. V. 248. P. 1179.
12. Badhwar G.D., Golden R.L. et al. // Nature. 1978. V.274. P. 137.
13. Smoot G.F. et al. // Phys. Rev. Lett. 1975. V. 35 P. 258.
14. Aizu H. et al. // Phys. Rev. 1961. V. 121. P. 1206.
15. Alcaraz J. et al. // Phys. Lett. B. 1999. V. 461. P. 387.
16. Sasaki M. et al. // Nucl. Phys. B (Proc. Suppl.). 2002. V. 113. P. 202.
17. Saeki T. et al. // Phys. Lett. B. 1998. V. 422. P. 319.
18. Belotsky K.M., Golubkov Yu.A., Khlopov M.Yu. et al. // INS MSU Preprint 98-31/532 (1998); astro-ph/9807027.
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.