научная статья по теме "ПАМЕЛА" ПРИОТКРЫВАЕТ ОКНО В МИР ТЁМНОЙ МАТЕРИИ Общие и комплексные проблемы естественных и точных наук

Текст научной статьи на тему «"ПАМЕЛА" ПРИОТКРЫВАЕТ ОКНО В МИР ТЁМНОЙ МАТЕРИИ»

ВЕСТНИК РОССИЙСКОЙ АКАДЕМИИ НАУК том 80 № 8 2010

_ ИЗ РАБОЧЕЙ ТЕТРАДИ

ИССЛЕДОВАТЕЛЯ

В последние годы космологи, астрофизики и физики, специализирующиеся в области элементарных частиц, ищут объяснение природы тёмной материи, которая составляет подавляющую часть материи во Вселенной. Исследованию этой проблемы посвящён международный проект "РИМ—Памела", который начался около четырёх лет назад с запуска космического аппарата "Ресурс-ДК1". На его борту установлен прецизионный магнитный спектрометр "Памела", успешно работающий и поныне. В публикуемой ниже статье соруководитель проекта с российской стороны А.М. Гальпер и участник проекта Ю.И. Стожков рассказывают об удивительных результатах эксперимента, имеющих прямое отношение к выяснению природы тёмной материи.

"ПАМЕЛА" ПРИОТКРЫВАЕТ ОКНО В МИР ТЁМНОЙ МАТЕРИИ

А.М. Гальпер, Ю.И. Стожков

15 июня 2006 г. с космодрома Байконур на околоземную эллиптическую орбиту был успешно выведен ракетой "Союз М" космический аппарат "Ресурс-ДК1", предназначенный для многозонального фотографирования Земли из космоса. На этом же аппарате в космос была выведена научная аппаратура "Памела" для детального изучения потоков космических лучей, приходящих из Вселенной. Разработчикам космического аппарата (Научно-производственное объединение "ЦСКБ—Прогресс", г. Самара) пришлось решить трудную задачу по размещению этих двух приборов. Прибор по фотографированию Земли должен быть направлен на Землю, а спектрометр "Памела" — смотреть в небо (в зенит). Сегодня на космическом аппарате "Ресурс-ДК1" одновременно выполняются две важнейшие программы: научно-прикладная, связанная с наблюдением

ГАЛЬПЕР Аркадий Моисеевич — доктор физико-математических наук, директор Института космофизики НИЯУ "МИФИ", главный научный сотрудник Физического института им. П.Н. Лебедева РАН. СТОЖКОВ Юрий Иванович — доктор физико-математических наук, заведующий Долгопрудненской научной станцией Физического института им. П.Н. Лебедева РАН.

Земли из космоса, и фундаментальная, связанная с изучением космического пространства. Столь успешное сочетание различных программ происходит практически впервые и позволяет существенно уменьшить стоимость работ по выведению научной аппаратуры в космос. В нашей статье речь пойдёт о фундаментальных исследованиях свойств космического пространства.

Эксперимент "Памела" является основной частью более обширной совместной российско-итальянской программы РИМ (Российско-итальянская миссия), в которой принимают участие с российской стороны — Московский инженерно-физический институт (ныне Национальный исследовательский ядерный университет "МИФИ"), Физический институт им. П.Н. Лебедева РАН (ФИАН) и Санкт-Петербургский Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе РАН. С итальянской стороны в эксперименте участвуют Национальный институт ядерной физики Италии с филиалами в университетах Рима, Флоренции, Триеста, Неаполя, Бари. Кроме того, по программе работают Университет г. Зиген (Германия) и Королевский политехнический институт г. Стокгольма (Швеция).

Участники проекта "РИМ—Памела" (рис. 1) объединились с целью проведения детальных исследований потоков заряженных частиц, приходящих из космического пространства. Изучение массового состава частиц, их электрического заряда и распределения по энергиям даёт возможность продвинуться в решении одной из фундаментальных проблем современной физики — природы тёмной материи (или "скрытой" массы).

Ещё в 30-е годы прошлого века немецкий астроном Ф. Цвикки обратил внимание на то, что масса скопления галактик в созвездии Волосы Вероники, определяемая по оптической светимости скопления

Рис. 1. Участники международного эксперимента "Памела" на стартовой площадке космодрома Байконур. 14 июня 2006 г.

и по скорости вращения периферийных галактик в этом скоплении, зависящей от их расстоянии до центра скопления, не соответствуют друг другу. Масса, которая получается из измерений скорости вращения галактик, во много раз больше массы, измеряемой по светимости скопления. Тогда-то Цвикки и ввёл в обиход понятие тёмной, то есть не светящейся, материи.

С тех пор не прекращались попытки определить роль тёмной материи в развитии Вселенной. Астрономов интересовало, из каких частиц состоит тёмная материя (если она состоит из частиц) и каковы их свойства. На рубеже XX и XXI столетий стало ясно, что тёмной материи во Вселенной в несколько раз больше, чем обычной (обычная материя включает в себя планеты, звёзды, галактики, межзвёздный и межгалактический газ). Сегодня проблема тёмной материи широко обсуждается на семинарах, конференциях, в научной литературе по физике частиц высокой энергии, физике космических лучей, и особенно при рассмотрении вопросов космологии — науки о формировании и развитии Вселенной.

Что мы знаем или предполагаем, что знаем, о природе тёмной материи? Мы знаем, что она не светится ни в одном из диапазонов электромагнитного излучения. Если она состоит из частиц, то это пока неизвестные нам частицы, не имеющие электрического заряда, чрезвычайно слабо взаимодействующие с обычным веществом, да и между собой. Возможно, что частицы тёмной материи имеют массу в сотни и даже в тысячи раз больше массы протона. Гипотетические частицы тёмной материи получили название ВИМПов (аббревиатура английских слов — слабовзаимодействующие массивные частицы).

Вполне возможно, что тёмная материя возникла на ранней стадии развития Вселенной, когда температура среды была чрезвычайно велика и могли рождаться сверхмассивные частицы. К настоящему времени эти частицы остыли и представляют собой отдельные сгустки, создающие более или менее равномерный реликтовый фон.

Естественно, что появились теоретические модели, объясняющие природу и свойства ВИМПов. В соответствии с моделями частицы тёмной материи при столкновении друг с другом могут аннигилировать (исчезать), превращаясь в известные нам частицы — протоны и антипротоны, электроны и позитроны, гамма-кванты, нейтрино и т.д. Процесс аннигиляции (ахиллесова пята ВИМПов) имеет малую вероятность, но всё же он открывает возможность для обнаружения частиц тёмной материи. По характеристикам известных частиц, образовавшихся в процессе аннигиляции ВИМПов, можно определить их массу, энергию и скорость. Лучше всего искать их следы, выделяя из общего потока космических лучей античастицы (антипротоны и позитроны), которые хотя и возникают в хорошо известных процессах взаимодействия высокоэнергичных протонов и ядер с межзвёздным газом, однако составляют малую долю в общем потоке космических лучей. Именно этот путь поиска частиц тёмной материи используется в эксперименте "Памела".

Для реализации подобной исследовательской программы участники коллаборации разработали и создали прецизионный магнитный спектрометр, состоящий из постоянного магнита, системы сцин-тилляционных детекторов, полупроводниковых кремниевых детекторов и детектора нейтронов (рис. 2). Такие же детекторы используются для

696

ГАЛЬПЕР, СТОЖКОВ

Протон Антипротон

Рис. 2. Внешний вид и схема спектрометра "Памела"

ТОБ (81, 82, 83) — времяпролётная система, позволяющая определить направление прихода частицы; Сп-спектрометр из полупроводниковых стриповых детекторов помещён в магнитное поле, создаваемое постоянным магнитом (серые прямоугольники на схеме); АС — антисовпадательные счётчики; 84 — сцинтилляционный счётчик; НД — детектор нейтронов; В — направление магнитного поля

регистрации элементарных частиц и ядер в лабораторных условиях, широко применяются в экспериментах на ускорителях. При попадании частицы в спектрометр измеряются направление её прихода, электрический заряд и его знак, определяются масса, импульс и энергия частицы. Специально подчеркнём, что измерение знака электрического заряда означает возможность разделения частиц на собственно частицы и анти-

Энергия, ГэВ

Рис. 3. Отношение потока антипротонов (р) к потоку протонов (р) в зависимости от энергии частиц

Тёмные точки — данные спектрометра "Памела", сплошная и пунктирные линии — результат расчётов, выполненных для различных стандартных моделей распространения космических лучей в Галактике

частицы. Например, античастицы — антипротоны обладают отрицательным зарядом и отклоняются в магнитном поле спектрометра в противоположную сторону по отношению к движению протонов, имеющих положительный заряд. Отметим, что спектрометр "Памела" остаётся пока единственным на космическом аппарате прибором, который способен разделять частицы и античастицы в широком энергетическом диапазоне — от нескольких десятков миллионов электронвольт до нескольких сотен миллиардов электронвольт (рекордный диапазон энергий).

Прошло почти четыре года с начала измерений. Практически ежедневно на приёмную станцию Научного центра оперативного мониторинга Земли (г. Москва) за три-четыре сеанса связи передаётся 15—20 Гбайт научной информации, полученной на магнитном спектрометре "Памела". Ежедневный приём столь большого объёма научной информации, поступающей с космического аппарата на Землю, обеспечивается специально разработанной высокоскоростной радиолинией. На приёмной станции информация с "Памелы" анализируется на предмет качества передачи самих данных и качества работы научной аппаратуры. Затем информация передается в Московский инженерно-физический институт и далее по высокоскоростной интернетовской системе ГРИД — всем участникам эксперимента, как в России, так и за рубежом, для последующей совместной обработки и анализа.

Перейдём теперь к конкретным результатам исследований потоков античастиц в эксперименте

"Памела". Судя по результатам выделения галактических антипротонов, измерениям их скорости, импульса, энергии, поток космических антипротонов совпадает с потоком антипротонов, рассчитанным по общепринятой модели ускорения и распространения космических лучей в Галактике, так называемой стандартной модели (рис. 3). А что же происходит с позитронами? Практически в том же энергетическом диапазоне (1—100 МэВ) поток галактических позитронов значительно больше (на несколько стандартных отклонений) результатов расчётов по той же самой стандар

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.

Показать целиком