Найдены новые следы темной материи

Весь прошлый год астрофизика высоких энергий жила почти по детективному сценарию. Всему виной данные эксперимента PAMELA (Payload for Antimatter Matter Exploration and Light-nuclei Astrophysics), оборудование которого летает на российском спутнике "Ресурс-ДК". Точнее даже не данные, а их отсутствие в публичном пространстве.

PAMELA, а также ряд других экспериментальных установок нашли очень "аппетитный" для теоретиков результат - наличие непонятного избытка электронов с энергиями около 100 ГэВ и выше в составе космических лучей, а также резкое увеличение числа позитронов (антиэлектронов) с такими же энергиями. Этот результат может стать одним из важных доказательств самопроизвольного распада или взаимной аннигиляции частиц неуловимой темной материи.

И хотя существуют более прозаические объяснения этого избытка, секретность вокруг данных PAMELA лишь подогревала ажиотаж. Дело дошло до того, что некоторые молодые ученые писали статьи на основе данных, показанных на несколько секунд членами коллаборации PAMELA во время докладов на конференциях и сфотографированных молодыми теоретиками на камеры мобильных телефонов. Таких смелых физиков даже обозвали "научные папарацци".

Когда же результаты PAMELA были опубликованы, появились буквально сотни объясняющих их моделей. Прозаические модели - ускорение позитронов в близких нейтронных звездах, остатках сверхновых, нестандартные параметры распространения космических лучей по Галактике все еще в меньшинстве. Зато возможным объяснениям с привлечением темной материи, кажется, нет конца.

Пыл теоретиков слегка охладили первые результаты космического телескопа имени Энрико Ферми, работающего в гамма-диапазоне. Детекторы этого телескопа могут измерять поток не только гамма-квантов, но и электронов, и весной этого года были опубликованы первые данные о спектре электронов и позитронов (отличить частицу и античастицу Fermi не может).

Данные Fermi по электронам также показывают некоторый избыток высокоэнергичных электронов, но менее значительный, чем у PAMELA или другого подобного эксперимента - ATIC. То есть избыток вроде и есть, но со скрипом пролезает в модифицированные модели распространения космических лучей по Галактике. Показательны в этом смысле заголовки, которые новостные службы ведущих научных журналов Nature и Science дали сообщениям о предварительных результатах Fermi: первый написал, что Fermi подтверждает признаки темной материи, второй - что он "закрывает" открытие ее частиц.

Похоже, теперь детективная история повторяется, но на этот раз в отношении данных Fermi по гамма-излучению центра нашей Галактики. Именно в центре Млечного Пути, если верить всем возможным теориям, должно быть больше всего темной материи. А если она такова, как подсказывают данные PAMELA, то в спектре гамма-лучей должен появиться характерный сигнал, который, разумеется, тут же прозвали "дымящимся стволом" (smoking gun) темной материи.

Когда фотон бьет по свободному электрону, он теряет энергию, этот процесс называется комптоновским рассеянием. Если же фотон откуда-то из далекого космоса встречает электрон с очень высокой энергией, он может, напротив, отобрать часть ее у электрона. Это так называемый обратный комптоновский процесс. Именно следы такого рассеяния теоретики очень надеются увидеть в данных Fermi по гамма-лучам.

Пока эти данные публично не доступны - по хартии, согласно которой существует коллаборация Fermi, в течение года эти данные принадлежат только ее членам. Срок истекает в конце лета, и предполагается, что за это время "свои" ученые смогут снять с этих данных самые-самые сливки. После этого экспериментальные результаты выбросят в публичное пространство, так в советских универсамах выбрасывали кости тем покупателям, кто не мог зайти с черного хода и перехватить у мясника самые лучшие куски.

Однако конференции-то идут и на них ездят в том числе и сотрудники коллаборации Fermi. Естественно, не рассказать о результатах они не могут, и иногда среди слайдов их презентаций появляются и предварительные результаты по спектру свечения центра Галактики в космических лучах.

Ученые из Гарвардского и Нью-Йоркского университетов под руководством Илиаса Чолиса подхватили эти данные на конференции в американском Стэнфорде. И уже успели написать статью с подробным разбором возможных теоретических следствий из этих пока не до конца проверенных и обработанных экспериментальных результатов. Труд Чолиса и его коллег доступен в архиве электронных препринтов Корнельского университета, там можно полюбоваться и на предварительные - пока запретные - данные Fermi.

Основных выводов из этой работы два. Первый состоит в том, что космический телескоп скорее видит избыток гамма-квантов высокой энергии из района галактического центра. И они вполне могут быть результатом обратного комптоновского рассеяния на электронах, возникающих при распаде или аннигиляции частиц темной материи. Более того, избыток сосредоточен в районе все тех же 100 ГэВ, о которых свидетельствовали PAMELA и ATIC.

Второй вывод не менее поучителен. Даже если этот избыток реален и его в ближайшее время не смогут "замазать" ни уточнение астрофизических моделей, ни более детальная обработка данных, ни какие-то другие уточнения, толку от этих данных пока немного. По словам авторов работы, они "начинают ограничивать пространство возможных параметров частиц темной материи".