Млечный Путь оказался прозрачен для антиядер гелия-3

Физики из коллаборации ALICE представили результат измерения сечения неупругого рассеяния антиядер гелия-3 на обычном веществе. Новые данные позволили им смоделировать распространение этих частиц по галактике. Оказалось, что Млечный Путь в целом прозрачен для антиядер, и это можно будет использовать для исследования темной материи. Исследование опубликовано в Nature Physics.

Сегодня мы знаем, что антиматерия организована так же, как и обычная материя. Это означает, что стабильные античастицы — антипротоны и антинейтроны — собираются в антиядра, из которых затем можно сформировать антиатомы. На нашей планете антиядра не встречаются в естественных условиях, но мы умеем создавать и изучать их с помощью ускорителей. В космосе же антиядра могут рождаться в результате столкновения высокоэнергетических космических лучей с межзвездной средой или в качестве продукта аннигиляции частиц темной материи.

Ученые пока не наблюдали темную материю напрямую, однако на ее существование намекает множество признаков: особенности флуктуаций реликтового излучения, крупномасштабное гравитационное линзирование или характер вращения галактик. В эту копилку можно было бы добавить спектры антиядер, прилетающих на Землю. Для правильной интерпретации результатов наблюдения требуются астрофизические модели, описывающие путь антиядер от рождения до попадания в земные детекторы, но в этой цепочке отсутствуют точные знания о сечении рассеяния антиядер на веществе.

Обычно сечения специфических рассеяний получают из эксперимента по бомбардировке мишени пучками интересующих частиц. Однако, пучки антиядер довольно сложно получить. Единственная лаборатория, способная произвести достаточное количество такого антивещества — это Большой адронный коллайдер, где антиядра рождаются наравне с обычными ядрами в столкновениях протонов или ядер свинца. Оценить пропускную способность вещества относительно потока антиядер гелия-3 смогли физики с ALICE — одного из детекторов БАК .

Конечно, рождающиеся в результате столкновений антиядра не образуют пучок как таковой — они разлетаются во все стороны. Однако каждая частица обладает определенным импульсом, который физики умеют восстанавливать по информации с детекторов. И хотя в такой схеме невозможно разместить на пути антиядер конкретные мишени, авторы нашли элегантный выход: они использовали сами детекторы в роли мишеней.

На эту роль физики выбрали часть поддетекторов внутренней трековой системы (ITS), время-проекционную камеру (TPC) и детектор переходного излучения (TRD) (подробнее об устройстве этих элементов и всего детектора ALICE читайте здесь). Они хорошо знают устройство этих детекторов, их геометрию и пропорции материалов, использованных для их создания. Взвешенный вклад всех компонентов, стоящих на пути антиядер, позволил ученым смоделировать взаимодействие с детекторами в виде трех эффективных мишеней. Первая из них получалась усреднением вкладов ITS + TPC и состояла из ядер со средними массовым и зарядовым числами A=17,4 и Z=8,5. Для второй вклад рассчитывался по формуле ITS + TPC + TRD, а числа были равны A=31,8 и Z=14,8. Третья мишень учитывала только материалы TRD с A=34,7 и Z=16,1.

В результате такого подхода физики смогли извлечь из данных о pp- и Pb-Pb-столкновениях зависимость неупругого рассеяния антиядер гелия-3 от их импульса. При этом первый набор данных был точнее в области низких, а второй — в области высоких импульсов.

Воспользовавшись новым знанием, ученые решили оценить прозрачность нашей галактики для антиядер гелия-3, рожденных в двух типах процессов: столкновении космических лучей с межзвездной средой и превращении частиц темной материи с массой 100 гигаэлектронвольт в пару W⁺- и W^‑-бозонов с их последующей адронизацией. Авторы выбрали распределение темной материи согласно профилю Наварро — Френка — Уайта, а галактику представили в виде цилиндрического диска, заполненного межзвездным газом, состоящим смеси водорода и гелия со средней плотностью один атом на кубический сантиметр. Для частиц, достигших Солнечной системы, модель включала в себя влияние солнечного магнитного поля.

В результате ученые построили ожидаемый поток антивещества для обоих источников. В среднем они оценили прозрачность галактики для антиядер, рожденных из темной материи, в 50 процентов. Для частиц, рожденных под действием космических лучей, прозрачность оказалась в диапазоне от 25 до 90 процентов в зависимость от энергии антиядер. Разница обусловлена различием в энергетических распределениях рождаемых античастиц, а также в пространственных профилях их источников. Работа физиков показывает, что спектры антиядер могут стать хорошим инструментом для исследования темной материи, и в будущем они планируют повторить ее для антиядер гелия-4.

Подробнее про антиматерию и ее формы вы можете прочитать в материале с «Точностью до наоборот».