Из анализа многих экспериментальных данных следует:Вселенная скрывает от наших глаз почти всю свою массу, оставляя видимой дляприборов наблюдателей лишь около одной сотой доли вещества, участвующего в еедвижении. Из чего состоит невидимая или, как ее стали называть, Темная Материя*нашей Вселенной? Каковы ее происхождение и космологическая роль в зарождении иформировании галактик и галактических скоплений? Можно ли ее детектировать иизучать с помощью современных приборов? Попытаемся осветить некоторые изперечисленных вопросов, хотя большинство ответов еще предстоит найти. Для этогообратимся к началу начал.
* Из-за англоязычного происхождения некоторые термины даютсяв написании с прописными буквами. — Примеч. ред.
Рождение и эволюция Вселенной
Принятая на сегодня Стандартная Космологическая Модельстроения и эволюции Вселенной основана на общей теории относительностиА.Эйнштейна. В этой модели постулируется, что наша Вселенная родилась во времяизначального, так называемого Большого Взрыва. Около 13 млрд лет тому назадВселенная представляла собой сгусток энергии, сконцентрированный в однойисходной точке, теоретический размер которой равен нулю. Другие физическиевеличины, такие как температура, давление, плотность энергии и т.д., в этойточке должны быть бесконечно большими. Такая ситуация называетсясингулярностью, и, чтобы хоть немного отступить от нулевого “моментанеопределенности”, модельное описание взрывоподобного рождения Вселеннойначинают с некоторого минимального момента времени после взрыва. Его называютвременем Планка — именно М. Планк предложил для него “конструкцию” из скоростисвета с, постоянной Планка ђ и гравитационной постоянной GN:
В момент времени ПланкаtPl размеры толькочто рожденной Вселенной не превышают нескольких микрон. Ее температура Т =1032 K пока настолько высока, что весь мир еще абсолютно симметричен(существует так называемая Суперсимметрия — SUSY [1]), все известные основныевзаимодействия (гравитационное, сильное, слабое и электромагнитное) еще слиты вединую силу, и ни одна из частиц еще не имеет массы. Вселенная представляетсобой идеальный газ безмассовых (т.е. виртуальных, еще не материализовавшихся)частиц со средней энергией Е~kT~1028 эВ в состояниитермодинамического равновесия.
Чуть позже планковского времени произошло первое нарушениевсеобщей симметрии, и первоначальная сила разделилась на гравитацию (за нееотвечает частица гравитино) и остальные три взаимодействия, которые покасвязаны вместе (действует симметрия Великого объединения — Grand UnifiedTheory, GUT).
Когда с момента Большого Взрыва прошло примерно 10–36с и тепловая энергия снизилась до значения 1024 эВ при размерахВселенной порядка 10 см, GUT-симметрия нарушилась и первые из частиц — X- иY-бозоны* — приобрели массы. Но практически сразу они распадались на кварки(будущий “материал” для протонов и нейтронов) и лептоны (частицы, участвующие вслабом взаимодействии, — нейтрино, электроны, мюоны, тау, и их античастицы) итаким образом первыми “выпали” из термодинамического равновесия. Итак, на этомэтапе сильные (ядерные) взаимодействия заработали отдельно от еще неразделенныхэлектрослабых (электромагнитных и слабых) взаимодействий.
* Бозоны — это частицы, являющиеся переносчиками того илииного взаимодействия; все другие частицы, которые собственно и составляютматериальный мир, или предмет взаимодействия, относятся к классу фермионов.
В период 10–36—10–10 с Вселеннаясостояла из смеси пока безмассовых кварков и лептонов, а также фотонов,возникших при взаимной аннигиляции электронов и позитронов, следующего (болеелегкого) поколения Z- и W-бозонов, ответственных за слабое взаимодействие, идругих гипотетических (суперсимметричных) частиц, например нейтралино. В этовремя все частицы, включая нейтрино, находились в почти полном равновесии междусобой, т.е. рождение частиц балансировалось их аннигиляцией. Вселенная тогда,как и в настоящее время, содержала намного больше фотонов, чем кварков.
Через 10–10 с Вселенная остыла до температуры 1015 Kи достигла уже более внушительного размера — около миллиарда километров. В этотмомент произошло спонтанное нарушение еще одной симметрии, объединявшей слабыеи электромагнитные взаимодействия. Теперь все четыре основные взаимодействиястали самостоятельными, безмассовые ранее частицы приобрели свои массы покоя, аиз состояния термодинамического равновесия вышли промежуточные бозоны.
После 10–6 с, когда средняя энергия упала до 109 эВ(Т= 1013 К, размер Вселенной порядка 1011 км), из кварковначали формироваться мезоны, затем стабильные протоны и относительно стабильныенейтроны. Протоны и нейтроны носят общее название — барионы, поэтому обычную(состоящую из атомов и молекул) материю называют барионной, чтобы отличать ееот небарионной (состоящей из других имеющих массу частиц) материи. При снижениисредней энергии до 3·108 эВ должны были приобрести массы гипотетическиечастицы аксионы, которые могут составлять некоторую часть небарионной материи,а для образования новых барионов уже не хватало энергии, и они началипревращаться в фотоны за счет аннигиляции со своими античастицами. Наш будущийматериальный мир спасло то, что число частиц несколько превышало числоантичастиц и аннигиляция не могла быть полной. Этот небольшой излишек“выживших” барионов и есть вся барионная материя сегодняшней Вселенной.Родившиеся в результате фотоны к настоящему времени остыли до температуры2.7 K и присутствуют во Вселенной в виде Космического микроволнового фона(Cosmic Microwave Background — CMB) или, другими словами, — реликтовогоизлучения, впервые зарегистрированного в 1964 г. Из сравнения их числа сколичеством барионов в современной Вселенной следует, что после аннигиляцииосталась только одна миллиардная часть от первоначальных барионов.
Примерно через 1 с после Большого Взрыва (Т = 1010К, размер Вселенной увеличился до 1014 км, или 10 световых лет)плотность частиц снизилась до такого значения (~100 000 г/см3), прикотором взаимодействия с участием нейтрино становятся настолько редкими, чтоони не могут больше находиться в термодинамическом равновесии с другимичастицами. Эти нейтрино начинают жить своей независимой жизнью, свободнодвигаясь по Вселенной (нейтринное реликтовое излучение). Если нейтрино имеетнулевую массу покоя, то такое излучение должно иметь температуру всего 2 К, апри ненулевой массе нейтрино, скажем порядка 10 эВ(~2·10–33г),их температура будет выше абсолютного нуля всего на несколько тысячных градуса.По этой причине, а также из-за очень малой вероятности взаимодействия нейтринос веществом, нейтринное реликтовое излучение до сих пор не зарегистрировано.
Еще через несколько секунд, при энергиях ниже миллиона эВ,перестали образовываться электроны и позитроны. Те же, что уже были, почтиполностью уничтожились за счет аннигиляции, оставив в “живых” ровно столькоэлектронов, сколько до этого сохранилось протонов, — чтобы сбалансировать ихположительный электрический заряд и оставить Вселенную (как и в самом исходномсостоянии) электрически нейтральной.
Через 100 с после Большого Взрыва (Т = 109 К, иразмеры Вселенной достигли сотен световых лет) протоны и нейтроны началисливаться в легчайшие ядра водорода H, дейтерия D, гелия 3He, 4Heи лития 7Li (более тяжелые ядра не могли тогда образоваться из-заотсутствия стабильных ядер с массовыми числами 5 и 8). Кроме водорода, восновном появлялись ядра 4He, который с тех пор составляет около 1/4барионной массы Вселенной; оставшиеся невостребованными лишние нейтроныраспались в течение нескольких последующих часов и исчезли со сцены. Этотпроцесс называется первичным нуклеосинтезом, а относительная распространенностьв космосе легчайших ядер, которая с достаточно высокой точностью измеряетсясегодня, служит хорошим тестом для проверки модели Большого Взрыва.
И только спустя 300000 лет, когда температура упала до10000 K и диаметр Вселенной достиг размеров десятков миллионов световыхлет (1020 км), ядра стали окружаться электронными оболочками ивозникли первые легкие атомы водорода и гелия. Поскольку средняя энергия к томувремени снизилась до нескольких эВ, энергии фотонов уже не хватало дляразрушения атомов, и излучение в виде фотонов отделилось от материи, продолжаяостывать (именно отсюда отсчитывает свою историю CMB). До этого “пробег”фотонов из-за интенсивного взаимодействия с другими частицами, а затем иатомами, был настолько мал, что фотоны были буквально “привязаны” к материи, иВселенная, если бы на нее кто-то мог взлянуть со стороны, не светилась, т.е.была невидимой. Теперь же Вселенная стала прозрачной, или видимой.
Когда температура снизилась до 3000 К, гравитационноепритяжение между молекулами начало превосходить их взаимное отталкивание засчет теплового движения. Гравитация, действуя на случайные флуктуации плотностив пространственном распределении молекул (в основном водорода и гелия), сталастягивать материю, формируя первоначальные крупномасштабные структуры игруппирования — протогалактики, на основе которых позднее (через сотнимиллионов лет после Взрыва при температуре в сотни К) стали образовыватьсязвезды и звездные скопления — галактики. Изначальные флуктуации плотностисейчас можно детектировать в виде очень небольшой анизотропии (неоднородности)в наблюдаемом угловом распределении CMB.
Первые звезды состояли практически только из водорода игелия в виде горячей плазмы с температурой в центральной части, достаточной дляпротекания термоядерных реакций, в результате которых образовывались болеетяжелые элементы — вплоть до железа. Химические элементы тяжелее железарождались в результате взрыва сверхновых звезд. Чем больше масса звезды, темменьше она живет. По мере “выгорания” термоядерного топлива в достаточномассивной звезде (более десяти солнечных масс) силы гравитационного притяженияприводят к схлопыванию звезды — гравитационному коллапсу, когда внешняя частьзвезды с огромной скоростью начинает сжиматься в направлении к центру. Врезультате такого взрыва образуются новые, более компактные объекты в виденейтронных звезд или черных дыр и выделяется колоссальная энергия, большуючасть которой уносят нейтрино. В космическое пространство, как дым после взрывабомбы, с огромной скоростью разлетается газообразное облако остатков прежней звезды,привнося в космос новые химические элементы. Именно отсюда более поздниезвездные образования, включая наше Солнце, как и планеты Солнечной системы,получают полный набор элементов таблицы Менделеева.
Что окружает нас сегодня?
Итак, наша планета и мы сами сделаны из звездного материала.Поэтому до недавнего времени считалось само собой разумеющимся, что основнаямасса нашей Вселенной состоит из звезд и их производных — планет,межгалактического газа, космической пыли, — т.е. из видимой (излучающей илиотражающей электромагнитные волны) барионной материи. Небарионная материя, вкоторую до недавних пор включали только электромагнитное (фотонное) инейтринное излучения, казалось, не могла давать существенного вклада в общуюмассу Вселенной, так как фотоны не имеют массы, а массы нейтрино ничтожно малы.
Вопрос о возможном существовании во Вселенной некой скрытоймассы впервые начал серьезно обсуждаться в начале 30-х годов, после того какЭ.Хаббл в 1929 г. из измерений красного смещения* спектральных линий галактиксделал сенсационный вывод о том, что галактики и галактические скопленияразбегаются друг от друга, т.е. наша Вселенная расширяется.
* Красное смещение — это наблюдаемое смещение спектральныхлиний (например, линии ионизированного водорода) в сторону длинных волн отудаляющегося космического объекта по сравнению с длиной волны тех же линий,измеренной в земных условиях от неподвижного источника (эффект Доплера).
Хаббл, исследовав множество спектров галактик и изучиврасстояние до них, впервые показал, что скорости разлета ближайших галактик,определенные по их красному смещению, линейно зависят от расстояния до этихгалактик (закон Хаббла): v = HS, где v — скорость удалениягалактики, S — расстояние до нее, Н — коэффициентпропорциональности (постоянная Хаббла). Таким образом, чем больше величинакрасного смещения галактики, тем быстрее она удаляется и тем дальше от наснаходится. Из закона Хаббла можно непосредственно оценить скорость расширениянашей Вселенной и, как следствие, дать оценку времени ее жизни (те самые 13миллиардов лет) и других основных космологических параметров.
По своему смыслу постоянная Хаббла не совсем постоянна: онаопределяет относительное изменение размера Вселенной за единицу времени
H(t) = DR(t)/R(t),
где R — радиус Вселенной на момент времени t, и можетзависеть от времени. Современное значение постоянной Хаббла обозначают H0.Поскольку она экспериментально еще не определена с достаточной точностью, ееобычно записывают как H0º100h·км·с–1×Мпк–1,где h ~ 0.65. А как она меняется во времени, т.е. как протекает процессрасширения, зависит от общей массы Вселенной [2].
Среднюю плотность материи — энергии во Вселенной принятохарактеризовать относительным параметром
W = r /rc
где rc— критическая плотность, при которой Вселенная расширяется хоть инеограниченно, но замедляясь, так, что скорости стремятся к нулю приt® ¥.Надо оговориться, что в моделях Вселенной есть некоторая неопределенность,связанная с природой вакуума. Не исключено, что сам вакуум вносит некоторыйвклад в энергию Вселенной — многие решения квантовой теории поля требуютненулевой энергии вакуума. Космологические уравнения учитывают такуювозможность с помощью дополнительного слагаемого, так называемойкосмологической константы L, которуюввел еще Эйнштейн, правда, из других соображений. Если энергия вакуумапринимается равной нулю (L = 0),критическая плотность равна (1.88·10–29 г/см3) h2, т.е. rc ~ 4 нуклона/см3при h ~0.65. Однако в моделях, основанных на новых наблюдательныхданных,L ¹0 (W L~0.7), что ведет ксоответствующему уменьшению величины rс.
Точное современное значение параметра общей плотностиматерии W0играет важнейшуюроль при решении вопроса о пути эволюции Вселенной [2]. Если общее количествоматерии хотя бы немного меньше критической массы (W 1) начали “сжимать”Вселенную, что в конечном итоге может привести к тоже Большому, но на этот раз— Схлопыванию).
/>
Рис. 1. Зависимости радиуса Вселенной от времени
для открытой (W W = 1) изамкнутой (W > 1) моделей.
Современные методы изучения скоплений (кластеров) галактикдают весьма надежные оценки общей плотности материи во Вселенной [3]. Поизмерениям рентгеновского излучения газа в густонаселенных кластерах было определено,что общая плотность всех видов материи составляет примерно 1/3 от критическойплотности, т.е. Wm ~ 0.3.Имеется много других независимых методов оценки Wm,большинство которых дают примерно такие же результаты [4].
Но данные, полученные недавно в результате измеренийреликтового излучения с помощью приборов на высокополетных воздушных шарах надАнтарктидой (эксперимент “Бумеранг”), показали, что Вселенная содержит достаточноеколичество материи для реализации модели “останавливающегося” разлета. То естьдолжна существовать какая-то скрытая от нас невидимая материя, восполняющаядефицит общей массы Вселенной до критического значения. Наблюдаемые небольшие(тысячные доли процента) флуктуации в пространственном распределении CMB, какуже говорилось, служат свидетельством первичного группирования материи в раннейВселенной — начала зарождения галактик. Это еще одно косвенное подтверждение“необходимости” первичной небарионной Темной Материи, так как именно еенеоднородности в пространстве могли быть изначальными центрами для концентрациивидимого барионного вещества и служить причиной существующей крупномасштабнойструктуры Вселенной.
С другой стороны, последние данные из наблюдений оченьдалеких сверхновых звезд могут интерпретироваться в пользу ускорения расширенияВселенной, т.е. модели “открытой” Вселенной. Правда, эти наблюдения удаетсятакже объяснить, вводя в модель Вселенной комологическую константу L. Ассоциируемая с последней ненулеваяплотность вакуума (отрицательное давление вакуума) может также влиять на раннююструктуру Вселенной и вызывать наблюдаемые флуктуации в угловом распределенииСМВ.
Таким образом, вопрос о качественном и количественномсоставе Темной Материи играет важнейшую роль не только для пониманиясовременного строения Вселенной, но и для выбора наиболее адекватной модели ееэволюции и дальнейшего развития.
Что такое Темная Материя?
По определению Темная Материя не испускает (и не отражает)электромагнитного излучения и воздействует на другие видимые небесные телатолько гравитационным образом.
Сегодня интенсивно обсуждаются три ключевых вопроса.Является ли основная масса барионной материи невидимой? Является лидоминирующая форма материи во Вселенной небарионной, состоящей из массивных (смассами в сотни и тысячи раз бо€льшими массы протона), слабо взаимодействующихс обычной материей частиц? Существует ли некая неизвестная “темная” формаэнергии, связанная с ненулевой космологической константой L?
Вывод о том, что Темная Материя вероятнее всего состоит какиз барионной, так и небарионной фракций, делается, например, на основеизмерений ротационных кривых галактик. Если бы вся масса галактикиконцентрировалась в ее видимой части, то орбитальные скорости наблюдаемыхгалактических объектов уменьшались бы при удалении от центра галактики как
Действительно, для нашей Солнечной системы с большойточностью установлено, что зависимость орбитальных скоростей планет v отрасстояния до Солнца r находится в полном соответствии с законом Кеплера(рис. 2).
приведена ротационная кривая для спиральной галактики NGC6503, построенная по наблюдениям в радиодиапазоне газообразного водорода.Видно, что на расстоянии от центра галактики более 5 кпк скорость остаетсяпрактически постоянной. Такой вид зависимости предполагает, что не все объекты,составляющие общую массу галактики, движутся вместе с ней как “единое” целое.Поскольку вся барионная составляющая должна участвовать в таком движении,следовательно, часть скрытой массы оказывается небарионной. Для объясненияэтого экспериментального факта и вводится понятие Темного галактического гало,состоящего из невидимых объектов (частиц), “компенсирующих” дефицит массывидимых объектов, расположенных в диске галактики.
/>
/>
Рис. 2. Зависимость орбитальных скоростей планет от расстояния до Солнца. Расстояния указаны в астрономических единицах, 1 а.е. = 1.5·1013 см.
Рис. 3. Экспериментальная ротационная кривая для спиральной галактики NGC 6503 (точки с экспериментальными ошибками). Пунктирными линиями показаны расчетные кривые отдельно для диска галактики, галактического газа и Темного гало, дающие в сумме наблюдаемую зависимость.
Из ротационных кривых для карликовых спиральных галактик идля далеких плоских галактик следует, что там Темная Материя почти полностьюдоминирует над видимой. Это подтверждает выводы теоретических моделейкосмогонии галактик о том, что Темные гало — изначальное место для зарождения иформирования галактик. Из распределения масс в галактике следует, что галодолжно имееть сферическую или сфероидальную форму с распределением плотности rgalo ~ 1/r2,хотя рассматриваются и другие модели. Для нашей Галактики размер Темного галооценивается в 50 кпк, т.е. оно простирается намного дальше видимой частигалактики и имеет общую массу ~ 1012 M¤.
Значение барионной плотности Вселенной WВ определяется из первичногонуклеосинтеза Большого Взрыва. Сравнение измеренной первичной плотности дейтерияс величиной, предсказываемой из моделей Большого Взрыва, приводит к величине WВh2 = 0.019 ±0.0012 или WВ ~ 0.05 при h ~0.65. Тем не менее все наблюдаемые скопления галактик содержат только около 10%от этой величины. Где же скрываются остальные барионы? Возможно, онисконцентрированы в так называемых объектах MACHOs (Massive Compact HaloObjects), которые в гало нашей Галактики могут присутствовать в виде планет,белых и коричневых карликов, нейтронных звезд или черных дыр. Поиски MACHOsведутся с использованием эффекта гравитационных микролинз [5], который состоитво временном увеличении яркости известных видимых звезд в тот период времени,когда невидимый массивный объект пересекает линию между наблюдателем и звездой,отклоняя своим гравитационным полем идущий от звезды свет. Продолжительностьтакого эффекта Dtпропорциональна
где m — масса MACHO, v — его скорость,перпендикулярная к направлению света, что позволяет оценить массу отклоняющегообъекта.
В течение нескольких последних лет две большие научныеколлаборации MACHO [5] и EROS [6] обрабатывают данные наблюдений за светимостьюмиллионов звезд в соседних галактиках. Наиболее вероятная масса несколькихнайденных кандидатов в MACHO оценивается как половина массы Солнца mMACHO~ 0.5M¤. Однако, даже если все обнаруженные объекты такого типаотнести к Темной Материи, они не смогут покрыть заметной части “недостающей”массы галактики.
Сравнив данные по общей регистрируемой плотности материи воВселенной (Wm ~ 0.3) иее барионной составляющей (WВ ~ 0.05), заключаем, что на небарионную ее часть остается 0.25, т.е. небарионнаядоля должна быть основной составляющей Темной Материи. Из анализакрупномасштабной структуры Вселенной следует, что она в основном должнасостоять из массивных частиц. Эти частицы в период материализации Вселеннойпосле Большого Взрыва уже должны быть нерелятивистскими, т.е. холоднымичастицами, в отличие от нейтрино, практически не имеющих массы и остающихсярелятивистскими (горячими). С точки зрения физики элементарных частиц, ХолоднаяТемная Материя (ХТМ), вероятнее всего, должна состоять изслабовзаимодействующих массивных частиц (Weakly Interacting Massive Particles —WIMP). В рамках современных теоретических моделей SUSY существует несколькоподходящих кандидатов на роль ХТМ, среди которых — нейтралино, аксионы, аксино,гравитино, вимпзилло, и т.д. [7]. Константы взаимодействия частиц класса WIMP собычной материей крайне малы: для нейтралино не более (10–2—10–5)от константы слабого взаимодействия, для аксионов и аксино ~10–16, адля гравитино ~10–33.
Пожалуй, наиболее перспективны нейтралино (c), стабильныечастицы с массой ниже нескольких ТэВ, существование которых предсказывается вмоделях Суперсимметрии [1]. В качестве другого наиболее вероятного претендентарассматриваются также аксионы с массами от 10–3 до 10–6 эВ[7].
Кандидатура тяжелых (правых) нейтрино с массами порядка ГэВбыла отклонена в ходе ускорительных экспериментов. Легкие (левые) нейтрино —единственные претендующие на роль Темной Материи частицы, о которых известно,что они реально существуют в природе. Тем не менее они не могут составлятьосновную массу Темной Материи, ибо, как известно из результатов экспериментовпо регистрации солнечных и атмосферных нейтрино, их масса должна быть оченьмаленькой [8].
Указания на существование дополнительной формы энергии,плавно распределенной в пространстве, следуют из наблюдений удаленныхсверхновых звезд типа Ia. Ускорение или замедление процесса расширенияВселенной отражается в отклонении зависимости Хаббла от линейной для оченьудаленных объектов [2], какими и являются сверхновые типа Ia, “загорающиеся” врезультате термоядерных взрывов белых карликов в двойных системах.Экспериментально были определены расстояния до 50 сверхновых типа Ia [9].Данные измерения говорят о возможности того, что Вселенная разгоняется (этоможно объяснить за счет ненулевого значения космологической константы L, определяющей вклад дополнительной “темной”энергии в энергетическую плотность Вселенной). Необходимость введенияненулевого L-члена как энергетической составляющей Темной Материи такжеподдерживается в моделях раздувания Вселенной. Вводя L-член, мы можем удовлетворить условие плоской Вселенной W0= 1 при “наблюдаемом” значении Wm ~ 0.3.
Суммируя приведенные выше результаты, можно сделать вывод,что сегодня предпочтение отдается композиционной модели Темной Материи,состоящей из смеси нескольких типов собственно Темной Материи [”10% барионной(MACHOs?) + ?60% небарионной холодной (WIMPs?) + ?30% небарионной горячей(нейтрино?)] и Темной Энергии за счет ненулевой плотности вакуума (L-член).
Как поймать частицы Темной Материи
Локальная плотность Темного гало нашей Галактики вокрестности Земли оценивается как 0.3 ГэВ/см3 ~ 5·10–25 г/см3, исходя из его общей массы ~ 1012 M¤ и простанственногораспределения плотности частиц rgalo~1/r2. Полагая, что преобладающую часть гало составляют WIMPs,например нейтралино с массой mc=100 ГэВ, получаем rc ~3000 частиц/м3. Встандартной сферической модели гало WIMPs имеют максвелловское распределениескоростей со средним значением v ~270 км/сек. Таким образом, потокчастиц WIMP может иметь довольно большую величину ~105 частиц/см2·спри mc = 100 ГэВ.
В последнее десятилетие начали активно развиваться различныесверхчувствительные методы детектирования WIMPs, которые обычно разделяют напрямые и непрямые методы регистрации. Начнем с последних.
В непрямых экспериментах ищутся вторичные частицы, рожденныев результате парной аннигиляции WIMPs. Один вариант — поиск нейтрино сэнергиями порядка Гэв и выше, которые должны прилетать от Солнца и/илицентральной части Земли. Другой путь — поиск монохроматических фотонов,позитронов или антипротонов, рождаемых при парной аннигиляции WIMPs вгалактическом гало. Еще один интересный метод — поиск WIMPs, прилетающих состороны центра Галактики. Если в центре нашей Галактики находится оченьмассивная черная дыра (~106 M¤ ), она должнагравитационно притягивать WIMPs и увеличивать их концентрацию вокруг себя. Врезультате вероятность их аннигиляции в окрестности черной дыры увеличивается исоответственно возрастает поток нейтрино, фотонов и других продуктованнигиляции WIMPs, идущий из центра Млечного Пути. Измерения в рамках непрямыхэкспериментов проводятся на больших подземных или подводных установках(Баксанская нейтринная обсерватория Института ядерных исследований РАН,Байкальская глубоководная установка ИЯИ РАН, подземные установки международнойлаборатории Гран-Сассо в Италии), которые в первую очередь и предназначены длярегистрации нейтрино (и других частиц) очень высоких энергий.
Методы прямого детектирования основаны на поиске упругого(или неупругого) рассеяния WIMPs на ядрах детектора-мишени. Ядра отдачипередают приобретенную в результате такого взаимодействия энергию черезионизацию и тепловые (фононные) процессы. Современные методы регистрацииэнергии ядер отдачи основаны на использовании традиционных сцинтилляционных,полупроводниковых и газовых детекторов, а также новых болометрических(низкотемпературных) детекторов и детекторов на основе сверхпроводящихмикрогранул и перегретых капель [10].
Энергетические потери нейтралино с массами от 10 ГэВ до 1ТэВв таких детекторах будут не более 100 кэВ, а скорость счета на 1 кг детектора –пропорциональна потоку нейтралино, падающему на детектор, и сечению их упругогорассеяния на ядрах.
Теоретические оценки дают очень малые значения для величинысечения, поэтому ожидается очень низкая скорость счета — от 10–1 до10–5 отсчетов/кг в день. Это значительно усложняет задачуэкспериментального поиска частиц и требует применения детекторов с большоймассой, низким порогом регистрации и очень низким собственным фоном.
При постановке эксперимента также необходимо знать функциюотклика детектора на взаимодействие с частицами Темной Материи, илиэнергетический спектр ядер отдачи. Примеры ожидаемых спектров при регистрацииWIMPs с различными массами приведены на рис. 4 [11], где также показанэкспериментальный фоновый спектр полупроводникового германиевого детектора.Фоновый спектр детектора при низких энергиях, как правило, обусловлен шумамиэлектронной аппаратуры, радиоактивным излучением изотопов, содержащихся вдетекторе и окружающих материалах, а также проникающими даже на большую глубинукосмическими лучами. Видно, что ожидаемые спектры ядер отдачи и фоновый спектримеют примерно одинаковую экспоненциально спадающую форму, что сильнозатрудняет задачу выделения полезного сигнала.
/>
Рис. 4. Теоретические спектры ядер отдачи прирегистрации WIMPs с различными массами при помощи полупроводниковогогерманиевого детектора и экспериментальный фоновый спектр детектора.
Для уверенной регистрации необходимо использоватьдополнительные признаки событий, связанные именно с частицами Темной Материи,например зависимость дифференциальной скорости счета от времени из-за эффектагодовых модуляций.
Этот эффект — следствие сложения скоростей налетающих на Землю частиц соскоростью Земли: комбинация движения Солнца (вокруг центра Галактики) черезгалактическое Темное гало и вращения Земли вокруг Солнца будет разной дляразличных времен года. Максимум скорости счета ожидается 2 июня, когда Землядвижется против потока частиц, а минимум — ровно через полгода, когда Земля«убегает» от них, рис. 5.
/>
Рис. 5. Схема движения Солнца и Земли относительнопотока частиц галактического гало, иллюстрирующая эффект годовой модуляции.
Предсказываемая величина сезонного изменения всего »5%, так что обнаружить эффект нелегко, тем более он взначительной степени может быть затенен сезонными вариациями собственного фонадетектора за счет различных внешних факторов. Тем не менее недавно коллаборацияDAMA [12] декларировала обнаружение годовых модуляций WIMPs, которыеинтерпретируются как результат упругого рассеяния нейтралино с массой около 60ГэВ и сечением порядка 7·10–42 см2 (рис. 6 и 8).
/>
Рис. 6. Результаты эксперимента DAMA по поискугодовых модуляций WIMPs. Скорость счета NaI детекторов в интервале низкихэнергий в различные времена года приведена в зависимости от текущего времениначиная с 1 января первого года измерений. Вертикальными пунктирными линиямиотмечены полугодовые периоды, соответствующие ожидаемым минимумам и максимумамсезонной вариации скорости счета WIMPs.
Эксперимент проводится с использованием сцинтилляционных NaIдетекторов общим весом около 100 кг в подземной лаборатории Гран-Сассо. Этопервый и пока единственный положительный результат поиска частиц ТемнойМатерии. Недавно опубликованные результаты другой коллаборации CDMS —эксперимент в настоящее время проводится в Стэнфорде (США) [13] сиспользованием низкотемпературных германиевых и кремниевых детекторов — неподтверждают положительного эффекта. Поэтому для окончательного вывода орегистрации WIMPs с такими характеристиками требуются дополнительныеэксперименты. Кроме эксперимента CDMS сейчас ближе всех по чувствительности крезультату DAMA подошли эксперимент IGEX-DM, проводимый одновременно вподземных лабораториях Баксан (Россия) и Канфранк (Испания), и эксперимент«Гейдельберг—Москва» в лаборатории Гран-Сассо. В обоих случаях используютсяполупроводниковые детекторы из сверхчистого германия общей массой порядка 10кг.
Новые эксперименты в Баксанской обсерватории
В подземной низкофоновой лаборатории Баксанской нейтриннойобсерватории ИЯИ РАН проводится долговременный эксперимент в рамкахМеждународного германиевого эксперимента по Темной Материи IGEX-DM(Россия—США—Испания) [14]. Здесь WIMPs пытаются регистрировать как по ихупругому, так и по их неупругому рассеянию с возбуждением ядердетектора-мишени, при котором дополнительным «признаком отличия» будетодновременная или задержанная регистрация g-квантов,снимающих возбуждение. Данные, полученные в этом эксперименте для упругогорассеяния частиц, наиболее близко подошли к положительному результату DAMA.Поиск неупругого взаимодействия WIMPs с возбуждением низколежащих уровней ядра73Ge ведется только на этой установке.
Стены лаборатории изготовлены из низкорадиоактивного бетона(50 см), ультраосновной (т.е. очень древней, с минимальным содержаниемрадиоактивных изотопов) породы дунит (50 см) и стали (8 мм). За счет таких стенпоток гамма-квантов от окружающих скальных пород снижен примерно в 200 раз, апоток космических лучей ослабляется в 2000 раз за счет толстого слоя скальныхпород (660 м водного эквивалента) над лабораторией. Однако, как указывалосьвыше, для поиска частиц Темной Материи необходимо иметь собственный фонустановки порядка 0.1 отсчета в день на 1 кг детектора-мишени при порогерегистрации порядка 1 кэВ. Поэтому детектирующая система из Ge детекторовдополнительно окружена «пассивной» (пассивно подавляющей поток радиоактивногоизлучения) и «активной» (дающей электронный сигнал о прохождении энергичныхчастиц) защитами (рис. 7). Пассивная защита, общим весом около 7 т, собрана изнизкорадиоактивных материалов (свинца, меди, борированного полиэтилена).Активная защита представляет собой массивные сцинтилляционные детекторы,которые с большой эффективностью регистрируют высокоэнергичные мюоныкосмических лучей, проникающие даже на такую глубину.
/>
Рис. 7. Комбинированная (пассивная и активная)защита вокруг германиевых детекторов в баксанском эксперименте IGEX-DM.
Эти меры позволили снизить фон детектирующей установкипримерно в 106 раз по сравнению с незащищенными детекторами в наземнойлаборатории. В ходе эксперимента достигнут порог регистрации 2 кэВ присверхнизкой скорости счета 0.09 соб./ (кг·кэВ·сутки) в области низких энергий.
За полный календарный период, с мая 1995 по май 1999 г., были набраны ипроанализированы данные с двух детекторов, изготовленных из обогащенного 76Geи природного Ge. Получены новые области исключения (т.е. значения параметров,лежащие выше приведенных кривых, экспериментально исключаются из числавозможных) для масс и сечений упругого рассеяния WIMPs, которые почти вплотнуюподошли к требующим подтверждения результатам коллаборации DAMA (рис. 8).
/>
Рис. 8. Области исключения для масс и сеченийWIMPs при различных вариантах анализа данных баксанского эксперимента IGEX-DM.В целях сравнения также показана область параметров для положительногорезультата, полученного в эксперименте DAMA.
В частности, дираковские нейтрино с массами от 13 ГэВ до 4.5ТэВ исключены из кандидатов на роль таких частиц. Анализ данных по исследованиюгодовых и суточных модуляций потока позволил установить экспериментальныеограничения на амплитуды модуляций на уровне 7% и 4% соответственно.
Как было отмечено ранее, экспоненциально спадающий спектрядер отдачи при упругом рассеянии WIMPs трудно отличить от спектра шумовдетектора, если не вводятся дополнительные «знаки отличия». В Баксанской нейтриннойобсерватории был разработан и применен новый метод поиска неупругоговзаимодействия WIMPs, использующий уникальную особенность спектра ядра 73Ge— наличие долгоживущих низколежащих возбужденных уровней (13.3 и 66.7 кэВ).Отбор полезных событий по предложенной схеме регистрации дает рекордно низкийфоновый счет 0.0013 соб./кг (73Ge)·сутки и, следовательно,значительно повышает чувствительность установки, что позволяет на два порядкавеличины улучшить экспериментальные ограничения на массы и сечения спин-зависимогорассеяния WIMPs. По результатам эксперимента с экспозицией всего 0.13 кг(73Ge)·годисключены WIMPs с массами от 20 ГэВ до 2 ТэВ при сечениях неупругоговзаимодействия порядка 10–34.
Поиски невидимого всегда представляли собой необычайнотрудную, но интереснейшую задачу. Экспериментальное открытие Темной Материипозволит не только раскрыть очередную тайну Природы, но также обеспечит насновыми знаниями в области физики частиц за пределами Стандартной Моделиэлектрослабого взаимодействия. У нынешнего поколения ученых есть обоснованныенадежды на то, что, если основная часть Темной Материи состоит изWIMP-нейтралино, их удастся надежно зарегистрировать уже в конце данногодесятилетия.
Из планируемых экспериментов, которые в недалеком будущеммогут перекрыть области значений для масс и сечений, предсказываемые втеоретических моделях для разного сорта частиц Темной Материи, можно отметитьGENIUS (новый проект на основе коллаборации «Гейдельберг—Москва» ) спланируемой массой германиевых детекторов до 1 т, CDMS-II (США, подземнаялаборатория Соудан) и EDELWEISS-III (Франция, подземная лаборатория Модан) cнизкотемпературными германиевыми детекторами с массами порядка 1 кг при двойнойрегистрации ионизационного и теплового (фононного) сигналов.
Если же темное пространство Вселенной населяют еще болеенеуловимые частицы (аксино, гравитино и т.п.), то справиться с этой задачейпредстоит новому поколению физиков в более далеком будущем.
Литература
/>1. Казаков Д.И. Ждем открытий вфизике элементарных частиц! // Природа. 1999. №9. С.14—25.
/>2. Peebles P.J.E. Principles ofPhysical Cosmology. Princeton, 1993.
/>3. Wail D.M.et al. // Nature.1993. V.366. P.429.
/>4. Primack J.R. // Nucl. Phys.2000. V.B87. P.3.
/>5. Uson J.M. // Nucl. Phys. 2000.V.B87. P.31.
/>6. Milsztajn A., Lassere T. //Nucl. Phys. 2000. V.B87. P.55.
/>7. Rozskovski L. // Phys. Rep.1996. V.267. P.19521.
/>8. Копылов А.В. Проблемасолнечных нейтрино: от прошлого к будущему // Природа.1998. №5. С.31—40; №6.С.27—36.
/>9. Perlmutterl S. et al. //Nature. 1998. V.391. P.51.
/>10. Morales A. // Nucl. Phys. 2000.V.B87. P.477.
/>11. HEIDELBERG — MOSCOW COLLABORATION //Phys. Rev. D. 1997. V.55. P.54.
/>12. Bernabei R. et al. // Phys. Lett.1999. V.B450. P.448.
/>13. Gaitskell R. // Nucl. Phys. 2000.V.B87. P.77.
/>14. Aalseth C.E. et al. // Phys. ofAtomic Nucl. 2000. V.63. P.1268.