на главную страницу

12 Октября 2004 года

Открытия

Вторник

ТЕМНЫЕ МАТЕРИИ ВСЕЛЕННОЙ

Подготовил Андрей ГАРАВСКИЙ.



Космология, являющаяся наукой о происхождении и эволюции Вселенной, сегодня переживает период бурного развития. В последнее время научный мир потрясла череда громких астрономических открытий, которые доказали, что та материя во Вселенной, о которой мы имеем хоть какое-то представление, составляет не более пяти процентов окружающего нас мира. А все остальное - неизвестная темная материя. Обыкновенные люди просто не знают об этом. Они живут физическими представлениями, сформированными еще при обучении в школах и в институтах. О том, из чего же состоит Вселенная, что нам сегодня известно о темной материи и об уникальном проекте «РИМ-ПАМЕЛА», призванном ответить на эти и другие вопросы, читателям «Красной звезды» рассказывает доктор физико-математических наук профессор Александр ГАЛЬПЕРА (Московский инженерно-физический институт).

     
Что мы знаем о мироздании

     Космологический прорыв происходит не столько благодаря усилиям теоретиков многих стран, в том числе и российских, сколько благодаря успешному осуществлению ряда космических экспериментов. К ним относятся измерения в оптическом диапазоне с помощью космического телескопа - «Hubble», исследование реликтового радиоизлучения в рамках проектов «РЕЛИКТ» и «COBE», а также проводящийся в настоящее время эксперимент «WMAP». Они позволили уточнить физические параметры Вселенной, и теперь мы достаточно точно знаем, что:
     - постоянная Хаббла равна 71+4 км/с 1/Мпк;
     - температура реликтового излучения - 2,725 К;
     - возраст Вселенной - (13,7+0,2) миллиарда лет;
     - время эпохи рекомбинации (образования атомов) ~380 тысяч лет.
     Наконец, было определено, что средняя плотность вещества во Вселенной, выраженная в единицах критической плотности, равна 1,02+0,2 и только 0,044+0,003 от этой величины составляет известное вещество (так называемое барионное вещество), из которого состоят планеты, звезды горячие и остывшие, космический газ во всех его видах, черные дыры, космические лучи.
     Так из чего же состоит Вселенная? На 25 процентов из темной материи (или скрытой массы) плюс 70 процентов темной энергии, энергии космического вакуума, направленной против гравитационных сил притяжения и обеспечивающей бесконечное и плоское (без искривления пространства) расширение нашей Вселенной. Можно ли проникнуть в этот загадочный мир, называемый темной материей, измерить массу частиц, если он состоит из элементарных частиц, определить их происхождение и свойства? Именно это и является предметом предстоящих исследований в рамках международного проекта «РИМ-ПАМЕЛА».
     
Невидимый реликт

     То, что невидимое вещество во Вселенной может быть, ни у кого и раньше не вызывало сомнения. Это могут быть остывшие звезды и межзвездный газ. Это могут быть кометы и космическая пыль. Наконец, это могут быть нейтронные звезды и черные дыры. Однако при этом всегда стоял вопрос: какую часть от массы видимой части Вселенной, которую и наблюдают астрономы, составляет масса невидимого вещества? Это очень важный вопрос, т.к. если полная плотность вещества во Вселенной, определяемая его видимой и невидимой частями, меньше некоторой критической плотности, то Вселенная будет бесконечно расширяться, если больше, то через какое-то время начнет сжиматься, а если равна критической, то, по-видимому, будет расширяться с уменьшающейся скоростью. Астрономические наблюдения указывали на то, что полная плотность Вселенной меньше критической.
     С улучшением средств наблюдения было определено, в частности по движению звезд на перифериях галактик, что в нашей Галактике и в других галактиках, а также в их скоплениях присутствует невидимое вещество, которого значительно больше видимого. Было показано также, что есть целые области, заполненные невидимым веществом, которое может проявлять себя как линза. Сгущение невидимого вещества фокусирует (отклоняя в гравитационном поле) электромагнитное излучение отдаленного космического объекта, если наблюдатель, невидимое вещество (линза) и излучающий объект находятся на одной линии. Невидимого вещества оказалось много больше, чем ожидалось раньше. Его назвали темной материей, или скрытой массой.
     Итак, мы можем назвать следующие свойства частиц темной материи. Они участвуют в гравитационном взаимодействии, слабо взаимодействуют с барионным веществом, не имеют электрического заряда, возможно, и магнитного момента. Частицы, из которых сегодня состоит темная материя, стабильны.
     Есть несколько кандидатов на роль темной материи. Первыми и, казалось бы, самыми очевидными были хорошо известные частицы - нейтрино. Их пространственная плотность велика (~500 частиц на кубический сантиметр), и они слабо взаимодействуют с барионным веществом. Различают три типа нейтрино. Они названы по видам частиц, вместе с которыми рождаются. Это электронные, мюонные и тау - лептонные нейтрино.
     Когда впервые была измерена масса электронного нейтрино, равная приблизительно 20 эВ (в некоторых областях физики масса измеряется в энергетических единицах), проблема показалась решенной - темная материя состоит из нейтрино. Однако вскоре было определено, что масса электронного нейтрино меньше 10 эВ, и уже совсем недавно было доказано, что нейтрино осциллирует, т.е. переходит из одного типа в другой. Это означает, что масса нейтрино любого типа не может обеспечить наблюдаемую плотность темной материи (скрытой массы).
     Сегодня известно еще одно обстоятельство, исключающее легкое нейтрино из кандидатов на скрытую массу. Нейтрино, благодаря своей огромной скорости, обладает значительным импульсом, и, хотя эта частица слабо взаимодействует с обычным веществом, столкновение обычного вещества c нейтрино на ранней стадии развития Вселенной препятствовало бы гравитационному сжатию вещества и образованию крупномасштабной ячеистой структуры Вселенной.
     К сожалению, а может быть, и наоборот, среди известных частиц (а их более трехсот, считая искусственно полученные на ускорителях) не нашлось таких, которые подходили бы на роль темной материи. И, как это бывает в подобных случаях, начался буквально теоретический штурм крепости под названием темная материя. В этом штурме совершенно естественно объединились интересы физики элементарных частиц, космологии, физики космических лучей (последнюю сегодня называют астрофизикой частиц). Положительным результатом начала штурма является появление около десятка различных предложений - гипотез о природе темной материи, начиная с возможности существования тяжелого нейтрино (нейтрино четвертого вида) и других гипотетических частиц, существование которых следует из различного вида симметрии, до зеркального мира, где все частицы подобны нашим, но взаимодействуют с нашими частицами только гравитационным образом.
     Есть один очень важный элемент, объединяющий все гипотезы, - темная материя образовалась на ранней, горячей стадии развития Вселенной, сразу после Большого взрыва. Высокая температура космической среды способствовала рождению всех известных нам частиц, а также и гипотетических частиц большой массы, фигурирующих в разных теоретических моделях, но получить которые невозможно на современных ускорителях. То есть темная материя является реликтовым образованием, температура которой из-за расширения Вселенной должна быть в настоящее время достаточно низкой, как и у реликтового излучения.
     Одной из наиболее разработанных моделей, используемых сегодня для объяснения природы темной материи, является модель суперсимметрии, которая объединяет в общую группу бозоны и фермионы (частицы, обладающие целым и полуцелым спинами). В физике элементарных частиц, если частица или античастица пока не обнаружена, то она вводится в группу как гипотетическая, и дело экспериментаторов ее обнаружить. Так было, в частности, с открытием антипротона, а затем и антинейтрона.
     Модель суперсимметрии построена по такому же принципу. В нее входят известные частицы бозоны, которые переходят в гипотетические фермионы, и фермионы и их гипотетические антиподы бозоны. В этой группе далеко не все частицы обнаружены. Однако в модели есть стабильные слабовзаимодействующие гипотетические частицы, масса самой легкой из которых - нейтралино, возможно, лежит в интервале 50 — 500 ГэВ. Такие частицы получили общее название слабовзаимодействующие массивные частицы, или «вимпы». Именно нейтралино, возможно, также фотино и гравитино, могут являться теми самыми слабовзаимодействующими массивными частицами - вимпами, составляющими основу темной материи. Именно они могли образоваться во время горячей фазы развития Вселенной и дожить до наших дней.
     Можно ли получить такие частицы искусственно? По-видимому, можно, но для этого нужно закончить строительство самого большого в мире ускорителя LHC (большой адронный коллайдер) в Швейцарии, чтобы ускоренные протоны при взаимодействии с веществом могли рождать подобные частицы (кстати, это одна из главных целей строительства коллайдера). Учитывая, что строительство коллайдера займет еще несколько лет, вполне реально обнаружить эти части и понять природу темной материи раньше, чем на ускорителе, а именно в космосе, в эксперименте «ПАМЕЛА».
     Как «поймать» частицы скрытой массы
     В космическом пространстве столкновение нейтралино с нейтралино может привести к возникновению гамма-квантов, либо пары из частиц и античастиц, в том числе электрон и позитрон, протон и антипротон и даже дейтон и антидейтон. Этот процесс положен в основу методов регистрации и изучения вимпов: необходимо провести прецизионное измерение энергетических спектров позитронов, антипротонов, антидейтонов в космических лучах с целью обнаружения в этих спектрах особенностей, связанных с появлением античастиц от аннигиляции вимпов.
     К настоящему времени экспериментальные данные о потоках высокоэнергичных антипротонов и позитронов в космических лучах получены на высотных аэростатах. Но измерения на высотных аэростатах практически исчерпали свои возможности, и необходимо переходить к измерениям в космическом пространстве, где над прибором не будет атмосферы, в которой, как и на межзвездном газе, рождаются античастицы. В космическом эксперименте появится возможность практически непрерывно в течение нескольких лет с помощью одной аппаратуры с малыми методическими и статистическими ошибками получать энергетические спектры античастиц (антипротонов, позитронов) и наконец-то выделить следы темной материи, измерить массу составляющих ее частиц. Таким образом, можно будет ответить на вопросы космологии о ранних стадиях развития Вселенной и физики элементарных частиц - о законах взаимодействия частиц при сверхвысокой энергии, не достижимой ускорителями. Это и есть основная научная задача проекта «РИМ-ПАМЕЛА».
     
Миссия «РИМ-ПАМЕЛЫ»

     Российско-итальянский проект «РИМ-ПАМЕЛА» (РИМ - российско-итальянская миссия), в котором участвуют также ученые Германии, Швеции и США, направлен на исследование на околоземной орбите потоков античастиц (антипротонов, позитронов, легких антиядер), электронов и изотопов легких ядер в первичном космическом излучении. Научные задачи эксперимента связаны с решением важнейших фундаментальных проблем. В области космологии - это исследование барионной асимметрии наблюдаемой Вселенной, природы темной материи (поиск слабовзаимодействующих нейтральных частиц). В области физики космических лучей - это изучение генерации и распространения галактических космических лучей. В области физики гелиосферы и околоземного космического пространства - исследование солнечной модуляции галактических космических лучей разных знаков, процессов на Солнце и солнечных космических лучей, частиц высоких энергий в магнитосфере Земли, аномальных компонентов космических лучей.
     Для проведения измерений потоков античастиц создается прецизионный магнитный спектрометр с современными детекторами элементарных частиц, позволяющими регистрировать и измерять знак и величину электрического заряда, скорость, импульс, энергию и массу, направление и время прихода космической частицы. К сожалению, одного только магнитного анализа недостаточно для надежного выделения античастиц. Поэтому в состав аппаратуры «ПАМЕЛА» включены: прибор, регистрирующий переходное излучение, создаваемое в основном электронами и позитронами; позиционно чувствительный калориметр, позволяющий отличать протоны и антипротоны от электронов и позитронов по характерной картине взаимодействия этих частиц в калориметре, а также ряд других детекторных систем, используемых для надежного выделения античастиц и определения их энергии.
     Эксперимент «РИМ-ПАМЕЛА» будет осуществляться на космическом аппарате (КА) «Ресурс-ДК1» на орбите высотой от 360 км до 690 км и наклонением 70,4 градуса, предназначенном для наблюдения и исследования поверхности Земли из космоса.
     Информация о спутнике будет отправляться на станции приема в Москве (здесь будет осуществляться управление экспериментом) и в Ханты-Мансийске. Анализ научной информации смогут с использованием удаленных терминалов проводить ученые в Италии, Швеции, Германии, России. За три года непрерывных наблюдений предполагается зарегистрировать 10 тысяч антипротонов и 100 тысяч позитронов. Участники эксперимента предполагают, что этого будет достаточно для выделения эффекта от аннигиляции вимпов и, более того, определения их массы.
     По-видимому, проект «РИМ-ПАМЕЛА» будет первым реализованным проектом программ поиска и исследования природы темной материи космическими средствами.
     Редакция благодарит за помощь в подборе материала пресс-службу Федерального космического агентства.


Назад
Rambler TOP 100 Яndex
 

Полное или частичное воспроизведение материалов сервера без ссылки и упоминания имени
автора запрещено и является нарушением российского и международного законодательства