Детектор AMS разделил высоко- и низкоэнергетический вклад в поток космических позитронов

Группа AMS опубликовала данные новых измерений спектра космических позитронов, собранные в 2011–2017 годах и охватывающие диапазон от одного до тысячи гигаэлектронвольт. Предварительный анализ показал, что наблюдаемый поток хорошо приближается суммой низкоэнергетической компоненты, обусловленной рассеянием частиц обычной материи на частицах межзвездного газа, и высокоэнергетической компоненты, связанной с темной материей или астрофизическим источником. При этом характерная энергия, обрезающая высокоэнергетическую компоненту, находится в диапазоне 630–1120 гигаэлектронвольт. Статья опубликована в Physical Review Letters.

На Землю постоянно прилетают космические лучи — электроны, позитроны, протоны, дейтроны, ядра гелия и более тяжелых элементов, разогнанные до очень высоких энергий (вплоть до 10¹⁹ электронвольт). Источниками космических лучей, скорее всего, являются сверхновые и образующиеся в их результате пульсары, магнитные поля которых ускоряют частицы до высоких энергий. В то же время, наравне с частицами обычной материи в космических лучах встречаются частицы антиматерии, которые с очень низкой вероятностью рождаются в ходе известных астрофизических процессов. Следовательно, они могут содержать информацию о новых, неизвестных космических процессах.

В настоящее время существует три основных типа моделей, которые объясняют космические позитроны. Теории первого типа предсказывают, что позитроны рождаются при столкновениях или распадах частиц темной материи. Теории второго типа утверждают, что античастицы ускоряются до высоких энергий за счет тех же эффектов, что и частицы обычной материи (например, в сверхновых). Наконец, третий тип теорий рассматривает взаимодействие высокоэнергетических ядер тяжелых элементов и частиц межзвездного газа, которое также может произвести позитроны. Большинство моделей предсказывает разные потоки позитронов в области высоких энергий, поэтому важно точно измерить спектр космических частиц, чтобы решить, какая из теорий лучше всего описывает наблюдаемую Вселенную. К сожалению, провести такие измерения с помощью наземных детекторов невозможно, поскольку космические частицы взаимодействуют с частицами атмосферы.

В мае 2011 года ЦЕРН отправил на МКС детектор AMS (Alpha Magnetic Spectrometer), регистрирующий позитроны с энергией до одного тераэлектронвольта (а также другие космические частицы). О первых результатах группа AMS отчиталась в 2013 году, после регистрации 400 тысяч позитронов с энергиями от 10 до 250 гигаэлектронвольт. Оказалось, что в этом диапазоне отношение позитронов и электронов растет. Теоретически, такой рост можно объяснить темной материей или расположенным неподалеку пульсаром, однако сказать что-то определенное на основании этих данных нельзя. Чтобы отличить эти два случая, надо промерить спектр части хотя бы до 1000 гигаэлектронвольт: если он резко оборвется, более вероятной окажется гипотеза темной материи, а если зависимость будет плавной — гипотеза астрофизического источника. Подробнее про сообщение AMS можно прочитать в статье Игоря Иванова.

Теперь ученые опубликовали результаты более точных измерений, основанных почти на двух миллионах регистраций позитронов c энергией в диапазоне 500–1000 гигаэлектронвольт. Этот спектр имеет четыре важные особенности. Во-первых, в диапазоне 30–250 гигаэлектронвольт поток позитронов быстро растет (что совпадает с более старыми измерениями). Во-вторых, в области 300 гигаэлектронвольт рост сменяется падением. В-третьих, в целом спектр хорошо приближается суммой диффузного потока и потока нового источника. Диффузный поток позитронов возникает за счет взаимодействия обычных космических лучей с межзвездным газом, подчиняется степенному закону и охватывает низкоэнергетическую область. Поток источника, наоборот, сильнее всего проявляется в области 100–1000 гигаэлектронвольт, состоит из степенного роста и обрезающей его экспоненциальной зависимости. В-четвертых, энергия, обрезающая источник, равна 800±250 гигаэлектронвольт со статистической значимостью более четырех сигма. Это уже больше похоже на резкий обрыв, характерный для темной материи, однако исключить гипотезу астрофизического источника, к сожалению, снова нельзя. Еще один аргумент в пользу гипотезы темной материи — высокая степень изотропности потока позитронов, которую сложно объяснить близким астрофизическим источником. Тем не менее, этот аргумент скорее качественный, чем количественный.

Ученые обещают, что в скором времени они опубликуют еще одну статью, в которой раскроют детали анализа и расскажут, какие из теоретических моделей противоречат собранным данным. Кроме того, в июле прошлого года они уже выпустили статью, в которой рассказали про особенности потоков «низкоэнергетических» (до 50 гигаэлектронвольт) электронов и позитронов. Данные для новой статьи были собраны за тот же промежуток времени, что и для старой.

В ноябре 2017 года группа CALET и DAMPE, способные почувствовать электроны и позитроны с энергией до трех-пяти тераэлектронвольт, опубликовали результаты первых измерений спектра космических частиц. В данных DAMPE проступал пик на энергии 1,4 тераэлектронвольта, который может указывать на аннигиляцию или распад частиц темной материи. Несмотря на то, что статистическая значимость результата составляла всего 2,3 сигма, а группа COLET не смогла его подтвердить, физики-теоретики принялись активно публиковать статьи, объясняющие этот результат. Пока что история продолжения не получила. Подробно про ажиотаж, вызванный DAMPE, можно прочитать в материале Читать дальше.

Дмитрий Трунин