Юпитер ограничил параметры темной материи

Физики-теоретики предложили новый метод для ограничения параметров темной материи на основе данных, полученных орбитальным космическим аппаратом «Галилео» и станцией «Юнона». Исследователи рассчитали поток релятивистских заряженных частиц, рожденных в результате аннигиляции частиц темной материи, и сравнили полученное теоретическое значение с экспериментальным. Препринт статьи опубликован на сайте arxiv.org.

Современная Вселенная состоит приблизительно на пять процентов из видимого вещества, в то время как темная материя и темная энергия вносят в плотность энергии основной вклад (доля темной материи и темной энергии составляют приблизительно 26 процентов и 69 процентов соответственно). Если природа темной энергии сегодня подлинно неизвестна, то темная материя, судя по всему, состоит из новых массивных частиц, отсутствующих в Стандартной модели. Частицы темной материи слабо взаимодействует с окружающим веществом, что усложняет их регистрацию и является предметом для многих экспериментов.

Пролетая через космические объекты, частицы темной материи могут «застрять» в их центре, если за счет взаимодействия с обычной материей их скорость станет меньше второй космической скорости объекта (v² = 2GM / R). Именно поэтому массивные объекты, например Солнце или Юпитер, интересны в контексте изучения темной материи, так как для них вторая космическая скорость больше (для Юпитера v = 59,5 километра в секунду), и, соответственно, больше вероятность захватить частицу темной материи. При этом температура Юпитера гораздо ниже температуры Солнца, поэтому частицы темной материи с энергией порядка гигаэлектронвольта (и ниже) могут оставаться внутри «пятой» планеты, в то время как из Солнца они вероятнее будут вылетать в результате теплового движения. Идеальность условий для поиска темной материи на Юпитере стала поводом для исследований и в апреле предыдущего года была опубликована работа, в которой оценка параметров темной материи производилась с помощью зарегистрированного гамма-излучения.

Теоретики Линфэн Ли (Lingfeng Li) и Цзицзи Фань (JiJi Fan) из Брауновского университета получили ограничения на сечение рассеяния частиц темной материи на ядрах обычной материи σ_nX и коэффициент ветвления ΠBr, характеризующий вероятность образования электрон-позитронной пары в результате аннигиляции двух частиц темной материи, с помощью потоков заряженных релятивистских частиц в радиационном поясе Юпитера. В работе физики рассмотрели процесс аннигиляции частиц темной материи, в результате которого образуются промежуточные долгоживущие частицы. В качестве таких промежуточных частиц могут выступать, например темные фотоны или массивные аксионо-подобные частицы. Пролетев сквозь Юпитер, промежуточная частица может распасться на электрон-позитронную пару, при этом необходимо чтобы энергия частицы была больше 2m_e (m_e — масса электрона) и меньше 2m_μ (m_μ — масса мюона). В противном случае образование электрон-позитронной парой может быть энергетически невыгодным.

Рожденные e^± начинают свое движение в магнитном поле Юпитера. Это движение авторы статьи рассмотрели как в случае дипольного приближения магнитного поля, так и в случае возможного от него отклонения. В дипольном приближении магнитное поле Юпитера сильнее всего на полюсах, и часть частиц, двигаясь по спиралевидным траекториям вдоль силовых линий магнитного поля, будет отражаться от полюсов из-за эффекта магнитного зеркала и, таким образом, e^± останутся внутри радиационного пояса Юпитера. При расчете потока заряженных частиц физики также рассмотрели потери энергии из-за синхротронного излучения и Кулоновского рассеяния e^± на плазме и газе. Приближение магнитного диполя хорошо применимо при расстоянии от центра Юпитера r ≳ 1.3×R_J (R_J — радиус Юпитера) и вблизи магнитного экватора, однако при меньших расстояниях необходимо также учитывать частичные потери электронов, возникающие из-за неоднородностей магнитного поля. Более конкретно, в результате дрейфа с одной долготы на другую электрон (позитрон) может перейти на силовую магнитную линию, вдоль которой точки отражания магнитных зеркал расположены
внутри Юпитера, а значит, электрон (позитрон) будет поглощен планетой. Теоретики оценили этот эффект в своей работе и предположили, что он доминирует при расстояниях от центра Юпитера r ≲ 1.3×R_J и вдали от магнитного экватора.

Сравнивая с экспериментальными данными, ученые предположили, что все зарегистрированные аппаратами события связаны с электронами и позитронами, рожденными в результате аннигиляции частиц темной материи (в силу отсутствия точных данных о фоне заряженных частиц на Юпитере), поэтому их оценка справедлива сверху. Наиболее сильное ограничение на произведение параметров σ_nX × ΠBr, которое составило 10⁻⁴¹ квадратных сантиметров, физики получили при массе частицы темной материи один гигаэлектронвольт из данных аппарата «Галилео» при параметре Макилвейна L ≲ 1.2, между тем в расчетах они использовали модель частичного поглощения (отклонения от дипольного приближения магнитного поля). Менее сильное, но более надежное ограничение теоретики получили при больших L, где использовалось приближение магнитного диполя. В этом случае ограничение на σ_nX × ΠBr составило 10⁻³⁹ квадратных сантиметров при массе частиц темной материи один гигаэлектронвольт. Теоретики надеются, что в будущем они смогут получить более точные результаты. Для этого необходимо будет уточнить модель потери электронов (позитронов) в случае частичного поглощения и улучшить понимание астрофизических источников электронов.

Узнать про то, что такое темная материя и почему она важна, можно в нашем интервью с астрофизиком Андреем Дорошкевичем «Невидимый цемент Вселенной».

Стефан Курлянд