24 мая в Центре Европейских Ядерных Исследований (ЦЕРН) прошел семинар профессора Самюэля Тинга, лауреата Нобелевской премии по физике 1976 года (которую он получил совместно с Бертоном Рихтером за открытие J/ψ-мезона). Семинар был посвящен последним результатам эксперимента AMS-02. Этот эксперимент посвящен поиску частиц темной материи (ТМ) и исследованию свойств космических лучей. Детектор AMS-02 (Магнитный Альфа-Спектрометр) установлен на борту Международной космической станции (МКС) в 2011 году и с тех пор собирает информацию о космических лучах в широком диапазоне энергий, в том числе о частицах антиматерии. За 7 лет работы эксперимент зарегистрировал и проанализировал 119 миллиардов частиц космических лучей.

Поиск частиц темной материи является одной из наиболее актуальных проблем современной физики, т.к. согласно последним оценкам, темная материя и темная энергия составляют около 96% от полной массы-энергии Вселенной. В эксперименте AMS проводится т.н. косвенный поиск частиц ТМ, т.е. регистрируются продукты аннигиляции частиц ТМ. На основе анализа энергетических спектров зарегистрированных заряженных частиц и сравнении полученных спектров с предсказаниями моделей, описывающих рождение космических лучей и их распространение в межзвездной среде можно сделать выводы о наличии частиц, которые образовались при аннигиляции частиц ТМ. Одним из наиболее интригующих результатов этого эксперимента, полученным в ходе эксперимента, является резкий обрыв спектра позитронов при энергии 1.2 ТэВ (рис.1), что может говорить о том, что эти позитроны являются продуктами аннигиляции частиц темной материи. Избыток высокоэнергетичных позитронов не может быть объяснён ни наличием остатков сверхновых, ни космическими лучами от близлежащих пульсаров, но результат согласуется на уровне 2 сигма с предсказаниями моделей для частиц ТМ массой 1.2 TэВ.

Рис. 1: Энергетические спектры потоков электронов и позитронов. AMS Collaboration. https://directory.eoportal.org/web/eoportal/satellite-missions/i/iss-ams

Однако пока нельзя однозначно ответить на вопрос являются ли наблюдаемые в эксперименте отклонения от астрофизических моделей следствием проявления ТМ или нет по причине недостаточного количества полученных данных. Детектор продолжает набирать данные, и есть надежда, что в скором будущем ответ на вопрос "являются ли наблюдаемые эффекты следствием аннигиляции частиц темной материи?" будет получен.

Не менее важной темой является исследование космических лучей, так как механизмы генерации и распространения космических лучей еще недостаточно хорошо изучены. На примере самых распространенных первичных космических лучей – ядер гелия, углерода и кислорода, было показано что их спектры по жесткости (отношение энергии к электрическому заряду) на удивление сильно отличаются от спектров вторичных космических лучей, возникающих в результате столкновений первичных лучей с межзвёздной средой, – ядер лития, бериллия и бора. Такое поведение не согласуется ни с предыдущими измерениями других детекторов, ни с теоретическими предсказаниями. На семинаре было представлено несколько других наблюдаемых интересных эффектов, объяснение которым пока не найдено. Чтобы избежать ошибки, каждый из представленных результатов был получен независимо двумя группами в AMS. Например, отношение концентраций углерода и кислорода (а также азота и кислорода) в жестких галактических космических лучах разительно отличается от соотношения концентраций этих элементов, наблюдаемого в Солнечной системе.

Помимо исследования свойств темной материи и изучения спектров космических лучей в эксперименте осуществлялся поиск антивещества. Пока исследователи коллайдерных экспериментов усердно работают над созданием анти-гелия в наземных лабораториях, AMS ведёт охоту на анти-гелий и более тяжелые античастицы в космосе. При анализе данных было зарегистрировано два события с анти-гелием-4, одно событие с анти-дейтерием и 9 cобытий, в которых суммарный заряд зарегистрированных частиц равен -2, а суммарная масса близка к массе гелия-3. По словам проф. Тинга еще несколько лет понадобится для того, чтобы собрать необходимое количество данных для определения источника этих событий.

Программа исследований AMS-02 рассчитана до 2024 года, и возможно собранных за это время данных будет достаточно для того, чтобы опровергнуть или же подтвердить и объяснить новые неожиданные результаты.

Анна Кирьянова

Юрий Нарышкин