З аналізу багатьох експериментальних даних випливає: Всесвіт приховує від наших очей майже всю свою масу, залишаючи видимої для приладів спостерігачів лише близько однієї сотої частки речовини, що бере участь в її русі. З чого складається невидима або, як її почали називати, Темна Матерія * нашого Всесвіту? Які її походження і космологічна роль у зародженні та формуванні галактик і галактичних скупчень? Чи можна її детектувати і вивчати за допомогою сучасних приладів? Спробуємо висвітлити деякі з перелічених питань, хоча більшість відповідей ще належить знайти. Для цього звернемося до початку почав.
* З-за англомовного походження деякі терміни даються в написанні з прописними літерами. - Прим. ред.
Народження і еволюція Всесвіту
Прийнята на сьогодні Стандартна Космологічна Модель будови і еволюції Всесвіту заснована на загальній теорії відносності А. Ейнштейна. У цій моделі постулюється, що наш Всесвіт народилася під час початкового, так званого Великого Вибуху. Близько 13 млрд років тому Всесвіт представляв собою згусток енергії, сконцентрований в одній вихідній точці, теоретичний розмір якої дорівнює нулю. Інші фізичні величини, такі як температура, тиск, щільність енергії і т.д., в цій точці повинні бути нескінченно великими. Така ситуація називається сингулярність, і, щоб хоч трохи відступити від нульового "моменту невизначеності", модельне опис вибухоподібного народження Всесвіту починають з деякого мінімального моменту часу після вибуху. Його називають часом Планка - саме М. Планк запропонував для нього "конструкцію" зі швидкості світла с, постійної Планка ђ і гравітаційної постійної GN:
У момент часу Планка tPl розміри щойно народженої Всесвіту не перевищують декількох мікрон. Її температура Т = 1032K поки настільки висока, що весь світ ще абсолютно симетричний (існує так звана Суперсиметрія - SUSY [1]), всі відомі основні взаємодії (гравітаційне, сильне, слабке й електромагнітне) ще злиті в єдину силу, і жодна з частинок ще не має маси. Всесвіт являє собою ідеальний газ безмассових (тобто віртуальних, ще не запроваджений) часток з середньою енергією Е ~ kT ~ 1028 еВ в стані термодинамічної рівноваги.
Трохи пізніше планківського часу відбулося перше порушення загальної симетрії, і первинна сила розділилася на гравітацію (за неї відповідає частка гравітіно) і інші три взаємодії, які поки пов'язані разом (діє симетрія Великого об'єднання - Grand Unified Theory, GUT).
Коли з моменту Великого Вибуху пройшло приблизно 10-36 с і теплова енергія знизилася до значення 1024 еВ при розмірах Всесвіту порядку 10 см, GUT-симетрія порушилася і перші з частинок - X-і Y-бозони * - придбали маси. Але практично відразу вони розпадалися на кварки (майбутній "матеріал" для протонів і нейтронів) і лептони (частинки, що беруть участь у слабкій взаємодії, - нейтрино, електрони, мюони, тау, і їх античастинки) і таким чином першими "випали" з термодинамічної рівноваги . Отже, на цьому етапі сильні (ядерні) взаємодії заробили окремо від ще нерозділених електрослабких (електромагнітних і слабких) взаємодій.
* Бозони - це частинки, які є переносниками того чи іншого взаємодії; всі інші частинки, які власне і складають матеріальний світ, або предмет взаємодії, відносяться до класу ферміонів.
У період 10-36-10-10 з Всесвіт складався із суміші поки безмассових кварків і лептонів, а також фотонів, що виникли при взаємної анігіляції електронів та позитронів, наступного (більш легкого) покоління Z-і W-бозонів, відповідальних за слабку взаємодію, та інших гіпотетичних (суперсиметричних) часток, наприклад нейтраліно. У цей час всі частинки, включаючи нейтрино, знаходилися в майже повній рівновазі між собою, тобто народження частинок балансувались їх анігіляцією. Всесвіт тоді, як і в даний час, містила набагато більше фотонів, ніж кварків.
Через 10-10 с Всесвіт охолола до температури 1015K і досягла вже більш значного розміру - близько мільярда кілометрів. У цей момент відбулося спонтанне порушення ще однієї симетрії, що об'єднувала слабкі й електромагнітні взаємодії. Тепер всі чотири основні взаємодії стали самостійними, безмасові раніше частки придбали свої маси спокою, а зі стану термодинамічної рівноваги вийшли проміжні бозони.
Після 10-6 с, коли середня енергія впала до 109еВ (Т = 1013 К, розмір Всесвіту порядку 1011 км), з кварків почали формуватися мезони, потім стабільні протони і відносно стабільні нейтрони. Протони і нейтрони носять загальну назву - Ядерна фізика, тому звичайну (що складається з атомів і молекул) матерію називають баріонів, щоб відрізняти її від небаріонной (що складається з інших мають масу частинок) матерії. При зниженні середньої енергії до 3.108 еВ повинні були придбати маси гіпотетичні частинки Аксион, які можуть становити деяку частину небаріонной матерії, а для утворення нових баріонів вже не вистачало енергії, і вони почали перетворюватися на фотони за рахунок анігіляції зі своїми античастинками. Наш майбутній матеріальний світ врятувало те, що число часток кілька перевищувало число античастинок і анігіляція не могла бути повною. Цей невеликий надлишок ", що вижили" баріонів і є вся баріонна матерія сьогоднішньої Всесвіту. Народились результаті фотони до теперішнього часу охололи до температури 2.7K і присутні у Всесвіті у вигляді Космічного мікрохвильового фону (Cosmic Microwave Background - CMB) або, іншими словами, - реліктового випромінювання, вперше зареєстрованого в 1964 р. З порівняння їх числа з кількістю баріонів в сучасному Всесвіті випливає, що після анігіляції залишилася тільки одна мільярдна частина від первісних баріонів.
Приблизно через 1 с після Великого Вибуху (Т = 1010 К, розмір Всесвіту збільшився до 1014 км, або 10 світлових років) щільність частинок знизилася до такого значення (~ 100 000 г/см3), при якому взаємодії за участю нейтрино стають настільки рідкісними, що вони не можуть більше перебувати в термодинамічній рівновазі з іншими частками. Ці нейтрино починають жити своїм незалежним життям, вільно рухаючись по Всесвіту (нейтринне реліктове випромінювання). Якщо нейтрино має нульову масу спокою, то таке випромінювання повинно мати температуру всього 2 К, а при ненульовий масі нейтрино, скажімо порядку 10еВ (~ 2.10-33г), їх температура буде вище абсолютного нуля всього на кілька тисячних градуса. З цієї причини, а також через дуже малу ймовірність взаємодії нейтрино з речовиною, нейтринне реліктове випромінювання до цих пір не зареєстровано.
Ще через кілька секунд, при енергіях нижче мільйона еВ, перестали утворюватися електрони і позитрони. Ті ж, що вже були, майже повністю знищені за рахунок анігіляції, залишивши в "живих" рівно стільки електронів, скільки до цього збереглося протонів, - щоб збалансувати їх позитивний електричний заряд і залишити Всесвіт (як і в самому початковому стані) електрично нейтральною.
Через 100 с після Великого Вибуху (Т = 109 К, і розміри Всесвіту досягли сотень світлових років) протони і нейтрони почали зливатися в найлегші ядра водню H, дейтерію D, гелію 3He, 4He і літію 7Li (більш важкі ядра не могли тоді утворитися з через відсутність стабільних ядер з масовими числами 5 і 8). Крім водню, в основному з'являлися ядра 4He, який з тих пір складає близько 1 / 4 баріонів маси Всесвіту, решта незатребуваними зайві нейтрони розпалися протягом декількох наступних годин і зникли зі сцени. Цей процес називається первинним нуклеосинтезу, а відносна поширеність у космосі найлегших ядер, яка з досить високою точністю вимірюється сьогодні, служить гарним тестом для перевірки моделі Великого Вибуху.
І тільки через 300000 років, коли температура впала до 10000K і діаметр Всесвіту досяг розмірів десятків мільйонів світлових років (1020 км), ядра стали оточувати електронними оболонками і виникли перші легкі атоми водню і гелію. Оскільки середня енергія на той час знизилася до кількох еВ, енергії фотонів вже не вистачало для руйнування атомів, і випромінювання у вигляді фотонів відокремилося від матерії, продовжуючи остигати (саме звідси відраховує свою історію CMB). До цього "пробіг" фотонів з-за інтенсивної взаємодії з іншими частинками, а потім і атомами, був настільки малий, що фотони були буквально "прив'язані" до матерії, і Всесвіт, якби на неї хтось міг взлянуть з боку, не світилася, тобто була невидимою. Тепер же Всесвіт стала прозорою, чи видимою.
Коли температура знизилася до 3000 К, гравітаційне тяжіння між молекулами початок перевершувати їх взаємне відштовхування за рахунок теплового руху. Гравітація, діючи на випадкові флуктуації щільності в просторовому розподілі молекул (в основному водню і гелію), стала стягувати матерію, формуючи початкові великомасштабні структури та групування - протогалактікі, на основі яких пізніше (через сотні мільйонів років після Вибуху при температурі в сотні К) стали утворюватися зірки і зоряні скупчення - галактики. Споконвічні флуктуації щільності зараз можна детектувати у вигляді дуже невеликий анізотропії (неоднорідності) в що спостерігається кутовому розподілі CMB.
Перші зірки складалися практично тільки з водню і гелію у вигляді гарячої плазми з температурою в центральній частині, достатньою для протікання термоядерних реакцій, в результаті яких утворювалися більш важкі елементи - аж до заліза. Хімічні елементи важче заліза народжувалися в результаті вибуху наднових зірок. Чим більше маса зірки, тим менше вона живе. У міру "вигорання" термоядерного палива в досить масивної зірки (більше десяти сонячних мас) сили гравітаційного тяжіння призводять до хляпанню зірки - гравітаційного колапсу, коли зовнішня частина зірки з величезною швидкістю починає стискатися в напрямку до центру. У результаті такого вибуху утворюються нові, більш компактні об'єкти у вигляді нейтронних зірок або чорних дір і виділяється колосальна енергія, більшу частину якої забирають нейтрино. У космічний простір, як дим після вибуху бомби, з величезною швидкістю розлітається газоподібна хмара залишків колишньої зірки, привносячи в космос нові хімічні елементи. Саме звідси більш пізні зоряні освіти, включаючи наше Сонце, як і планети Сонячної системи, отримують повний набір елементів таблиці Менделєєва.
Що оточує нас сьогодні?
Отже, наша планета і ми самі зроблені з зоряного матеріалу. Тому до недавнього часу вважалося само собою зрозумілим, що основна маса нашого Всесвіту складається із зірок і їх похідних - планет, міжгалактичного газу, космічного пилу, - тобто з видимої (випромінюючої або відбиває електромагнітні хвилі) баріонів матерії. Небаріонная матерія, в яку донедавна включали тільки електромагнітне (фотонне) і нейтринне випромінювання, здавалося, не могла давати істотного внеску в загальну масу Всесвіту, так як фотони не мають маси, а маси нейтрино мізерно малі.
Питання про можливе існування у Всесвіті якоїсь прихованої маси вперше почав серйозно обговорюватися на початку 30-х років, після того як Е. Хаббл у 1929 р. з вимірів червоного зсуву * спектральних ліній галактик зробив сенсаційний висновок про те, що галактики і галактичні скупчення розбігаються один від одного, тобто наш Всесвіт розширюється.
* Схилення - це спостережуване зсув спектральних ліній (наприклад, лінії іонізованого водню) в бік довгих хвиль від удаляющегося космічного об'єкта в порівнянні з довжиною хвилі тієї ж ліній, виміряної в земних умовах від нерухомого джерела (ефект Доплера).
Хаббл, дослідивши безліч спектрів галактик і вивчивши відстань до них, вперше показав, що швидкості розльоту найближчих галактик, визначені за їх червоного зсуву, лінійно залежать від відстані до цих галактик (закон Хаббла): v = HS, де v - швидкість видалення галактики, S - відстань до неї, Н - коефіцієнт пропорційності (постійна Хаббла). Таким чином, чим більше величина червоного зсуву галактики, тим швидше вона видаляється і тим далі від нас знаходиться. Із закону Хаббла можна безпосередньо оцінити швидкість розширення нашого Всесвіту і, як наслідок, дати оцінку часу її життя (ті самі 13 мільярдів років) та інших основних космологічних параметрів.
За своїм змістом стала Хаббла не зовсім постійна: вона визначає відносну зміну розміру Всесвіту за одиницю часу
H (t) = DR (t) / R (t),
де R - радіус Всесвіту на момент часу t, і може залежати від часу. Сучасне значення постійної Хаббла позначають H0. Оскільки вона експериментально ще не визначена з достатньою точністю, її зазвичай записують як H0 º 100h · км · с-1 × Мпк-1, де h ~ 0.65. А як вона змінюється в часі, тобто як протікає процес розширення, залежить від загальної маси Всесвіту [2].
Середню щільність матерії - енергії у Всесвіті прийнято характеризувати відносним параметром
W = r / r c
де r c - критична щільність, при якій Всесвіт розширюється хоч і необмежено, але вповільнюючись, так, що швидкості прямують до нуля при t ® ¥. Треба обмовитися, що в моделях Всесвіту є деяка невизначеність, пов'язана з природою вакууму. Не виключено, що сам вакуум вносить певний вклад у енергію Всесвіту - багато рішень квантової теорії поля вимагають ненульовий енергії вакууму. Космологічні рівняння враховують таку можливість за допомогою додаткової складової, так званої космологічної константи L, яку ввів ще Ейнштейн, правда, з інших міркувань. Якщо енергія вакууму приймається рівною нулю (L = 0), критична щільність дорівнює (1.88 · 10-29 г/см3) h2, тобто r c ~ 4 нуклона/см3 при h ~ 0.65. Проте в моделях, заснованих на нових спостережних даних, L ¹ 0 (WL ~ 0.7), що веде до відповідного зменшення величини rс.
Точне сучасне значення параметра загальної щільності матерії W0 грає найважливішу роль при вирішенні питання про шляхи еволюції Всесвіту [2]. Якщо загальна кількість матерії хоча б трохи менше критичної маси (W <1), Всесвіт буде розширюватися постійно, причому з прискоренням, і галактики будуть видалятися все далі і далі один від одного (рис. 1). Однак матерії у Всесвіті може бути цілком достатньо (W = 1) для того, щоб сили гравітаційного тяжіння між космічними об'єктами почали сповільнювати і зупинили (асимптотично) це розширення. Або навіть (якщо маса Всесвіту виявиться більше критичної, W> 1) почали "стискати" Всесвіт, що в кінцевому результаті може призвести до теж Великому, але на цей раз - хляпанню).
Рис. 1. Залежності радіуса Всесвіту від часу
для відкритої (W <1), "зупиняється" (W = 1) і замкнутої (W> 1) моделей.
Сучасні методи вивчення скупчень (кластерів) галактик дають вельми надійні оцінки загальної щільності матерії у Всесвіті [3]. За вимірами рентгенівського випромінювання газу в густонаселених кластерах було визначено, що загальна щільність всіх видів матерії складає приблизно 1 / 3 від критичної щільності, тобто Wm ~ 0.3. Є багато інших незалежних методів оцінки Wm, більшість яких дають приблизно такі ж результати [4].
Але дані, отримані нещодавно в результаті вимірювань реліктового випромінювання за допомогою приладів на високополетних повітряних кулях над Антарктидою (експеримент "Бумеранг"), показали, що Всесвіт містить достатню кількість матерії для реалізації моделі "зупиняється" розльоту. Тобто повинна існувати якась прихована від нас невидима матерія, що заповнює дефіцит загальної маси Всесвіту до критичного значення. Спостережувані невеликі (тисячні частки відсотка) флуктуації в просторовому розподілі CMB, як уже говорилося, є свідченням первинного групування матерії в ранньому Всесвіті - початку зародження галактик. Це ще одне непряме підтвердження "необхідності" первинної небаріонной Темної Матерії, оскільки саме її неоднорідності в просторі могли бути початковими центрами для концентрації видимого баріонного речовини і служити причиною існуючої великомасштабної структури Всесвіту.
З іншого боку, останні дані з спостережень дуже далеких наднових зірок можуть інтерпретуватися на користь прискорення розширення Всесвіту, тобто моделі "відкритої" Всесвіту. Щоправда, ці спостереження вдається також пояснити, вводячи в модель Всесвіту комологіческую константу L. Асоційована з останньою ненульова щільність вакууму (негативний тиск вакууму) може також впливати на ранню структуру Всесвіту і викликати спостережувані флуктуації в кутовому розподілі СМВ.
Таким чином, питання про якісному і кількісному складі Темної Матерії грає найважливішу роль не тільки для розуміння сучасного будови Всесвіту, але і для вибору найбільш адекватної моделі її еволюції і подальшого розвитку.
Що таке Темна Матерія?
За визначенням Темна Матерія не випускає (і не відображає) електромагнітного випромінювання і впливає на інші видимі небесні тіла тільки гравітаційним чином.
Сьогодні інтенсивно обговорюються три ключові питання. Чи є основна маса баріонів матерії невидимою? Чи є домінуюча форма матерії у Всесвіті небаріонной, що складається з масивних (з масами в сотні і тисячі разів бо € льшим маси протона), слабо взаємодіючих зі звичайною матерією частинок? Чи існує якась невідома "темна" форма енергії, пов'язана з ненульовою космологічної константою L?
Висновок про те, що Темна Матерія найімовірніше складається як з баріонів, так і небаріонной фракцій, робиться, наприклад, на основі вимірів ротаційних кривих галактик. Якби вся маса галактики концентрувалася в її видимої частини, то орбітальні швидкості спостережуваних галактичних об'єктів зменшувалися б при віддаленні від центра галактики як
Дійсно, для нашої Сонячної системи з великою точністю встановлено, що залежність орбітальних швидкостей планет v від відстані до Сонця r знаходиться в повній відповідності з законом Кеплера (рис. 2).
наведена ротаційна крива для спіральної галактики NGC 6503, побудована за спостереженнями в радіодіапазоні газоподібного водню. Видно, що на відстані від центру галактики більше 5 кпк швидкість залишається практично постійною. Такий вид залежності передбачає, що не всі об'єкти, що становлять загальну масу галактики, рухаються разом з нею як "єдине" ціле. Оскільки вся баріонна складова повинна брати участь у такому русі, отже, частина прихованої маси виявляється небаріонной. Для пояснення цього експериментального факту і вводиться поняття Темного галактичного гало, що складається з невидимих об'єктів (частинок), "компенсуючих" дефіцит маси видимих об'єктів, розташованих в диску галактики.
| Рис. 2. Залежність орбітальних швидкостей планет від відстані до Сонця. Відстані зазначені в астрономічних одиницях, 1 а.о. = 1.5 · 1013 см. | Рис. 3. Експериментальна ротаційна крива для спіральної галактики NGC 6503 (крапки з експериментальними помилками). Пунктирними лініями показані розрахункові криві окремо для диска галактики, галактичного газу і Темного гало, що дають в сумі спостережувану залежність. |
З ротаційних кривих для карликових спіральних галактик і для далеких плоских галактик випливає, що там Темна Матерія майже повністю домінує над видимою. Це підтверджує висновки теоретичних моделей космогонії галактик про те, що Темні гало - споконвічне місце для зародження і формування галактик. З розподілу мас в галактиці випливає, що гало повинно має сферичну або сфероїдальну форму з розподілом щільності r galo ~ 1/r2, хоча розглядаються й інші моделі. Для нашої Галактики розмір Темного гало оцінюється в 50 кпк, тобто воно тягнеться набагато далі видимої частини галактики і має загальну масу ~ 1012 M ¤.
Значення баріонів щільності Всесвіту wв визначається з первинного нуклеосинтезу Великого Вибуху. Порівняння виміряної первинної щільності дейтерію з величиною, передбачена з моделей Великого Вибуху, призводить до величини wв h2 = 0.019 ± 0.0012 або wв ~ 0.05 при h ~ 0.65. Тим не менше всі спостережувані скупчення галактик містять тільки близько 10% від цієї величини. Де ж ховаються інші баріони? Можливо, вони сконцентровані в так званих об'єктах MACHOs (Massive Compact Halo Objects), які в гало нашої Галактики можуть проводитися у вигляді планет, білих і коричневих карликів, нейтронних зірок або чорних дір. Пошуки MACHOs ведуться з використанням ефекту гравітаційних мікролінз [5], який полягає у тимчасове збільшення яскравості відомих видимих зірок у той період часу, коли невидимий масивний об'єкт перетинає лінію між спостерігачем і зіркою, відхиляючи своїм гравітаційним полем йде від зірки світло. Тривалість такого ефекту Dt пропорційна
де m - маса MACHO, v - його швидкість, перпендикулярна до напрямку світла, що дозволяє оцінити масу відхиляє об'єкта.
Протягом декількох останніх років дві великі наукові колаборації MACHO [5] і EROS [6] обробляють дані спостережень за світністю мільйонів зірок в сусідніх галактиках. Найбільш ймовірна маса декількох знайдених кандидатів у MACHO оцінюється як половина маси Сонця mMACHO ~ 0.5M ¤. Однак, навіть якщо всі виявлені об'єкти такого типу віднести до Темної Матерії, вони не зможуть покрити помітної частини "відсутньої" маси галактики.
Порівнявши дані за загальною реєстрованої щільності матерії у Всесвіті (Wm ~ 0.3) і її баріонів складової (wв ~ 0.05), укладаємо, що на небаріонную її частина залишається 0.25, тобто небаріонная частка повинна бути основною складовою Темної Матерії. З аналізу великомасштабної структури Всесвіту випливає, що вона в основному повинна складатися з масивних частинок. Ці частинки в період матеріалізації Всесвіті після Великого Вибуху вже повинні бути нерелятивістських, тобто холодними частинками, на відміну від нейтрино, практично не мають маси і залишаються релятивістськими (гарячими). З точки зору фізики елементарних частинок, Холодна Темна Матерія (ХТМ), найімовірніше, повинна складатися з слабовзаємодіючих масивних частинок (Weakly Interacting Massive Particles - WIMP). У рамках сучасних теоретичних моделей SUSY існує кілька підходящих кандидатів на роль ХТМ, серед яких - нейтраліно, Аксион, Ксенія, гравітіно, вімпзілло, і т.д. [7]. Константи взаємодії частинок класу WIMP зі звичайною матерією вкрай малі: для нейтраліно не більше (10-2-10-5) від константи слабкої взаємодії, для аксионів і Ксенії ~ 10-16, а для гравітіно ~ 10-33.
Мабуть, найбільш перспективні нейтраліно (c), стабільні частинки з масою нижче декількох ТеВ, існування яких передбачається в моделях Суперсиметрія [1]. Як інший найбільш ймовірного претендента розглядаються також Аксион з масами від 10-3 до 10-6еВ [7].
Кандидатура важких (правих) нейтрино з масами порядку ГеВ була відхилена в ході прискорювальних експериментів. Легкі (ліві) нейтрино - єдині претендують на роль Темної Матерії частинки, про які відомо, що вони реально існують у природі. Тим не менше вони не можуть становити основну масу Темної Матерії, бо, як відомо з результатів експериментів з реєстрації сонячних і атмосферних нейтрино, їх маса повинна бути дуже маленькою [8].
Вказівки на існування додаткової форми енергії, плавно розподіленої в просторі, випливають з спостережень віддалених наднових зірок типу Ia. Прискорення чи уповільнення процесу розширення Всесвіту відбивається у відхиленні залежності Хаббла від лінійної для дуже віддалених об'єктів [2], якими і є наднові типу Ia, "загоряються" в результаті термоядерних вибухів білих карликів в подвійних системах. Експериментально були визначені відстані до 50 наднових типу Ia [9]. Дані вимірювання говорять про можливість того, що Всесвіт розганяється (це можна пояснити за рахунок ненульового значення космологічної константи L, визначальною внесок додаткової "темної" енергії в енергетичну щільність Всесвіту). Необхідність введення ненульового L-члена як енергетичної складової Темної Матерії також підтримується в моделях роздування Всесвіту. Вводячи L-член, ми можемо задовольнити умова плоскою Всесвіту W0 = 1 при "спостерігається" значенні Wm ~ 0.3.
Підсумовуючи наведені вище результати, можна зробити висновок, що сьогодні перевага віддається композиційної моделі Темної Матерії, що складається з суміші декількох типів власне Темної Матерії ["10% баріонів (MACHOs?) +? 60% небаріонной холодної (WIMPs?) +? 30% небаріонной гарячої (нейтрино?)] і Темної Енергії за рахунок ненульовий щільності вакууму (L-член).
Як спіймати частинок темної матерії
Локальна щільність Темного гало нашої Галактики в околиці Землі оцінюється як 0.3 ГеВ/см3 ~ 5.10 -25 г/см3, виходячи з його загальної маси ~ 1012 M ¤ і простанственного розподілу щільності частинок r galo ~ 1/r2. Вважаючи, що переважну частину гало складають WIMPs, наприклад нейтраліно з масою mc = 100 ГеВ, отримуємо r c ~ 3000 частіц/м3. У стандартній сферичної моделі гало WIMPs мають максвеллівський розподіл швидкостей із середнім значенням v ~ 270 км / сек. Таким чином, потік часток WIMP може мати досить велику величину ~ 105 частіц/см2 · с при mc = 100 ГеВ.
В останнє десятиліття почали активно розвиватися різноманітні надчутливі методи детектування WIMPs, які зазвичай поділяють на прямі і непрямі методи реєстрації. Почнемо з останніх.
У непрямих експериментах шукаються вторинні частки, народжені в результаті парної анігіляції WIMPs. Один варіант - пошук нейтрино з енергіями порядку Гев і вище, які повинні прилітати від Сонця і / або центральної частини Землі. Інший шлях - пошук монохроматичних фотонів, позитронів або антипротонів, народжуваних при парній анігіляції WIMPs в галактичному гало. Ще один цікавий метод - пошук WIMPs, що прилітають з боку центру Галактики. Якщо в центрі нашої Галактики знаходиться дуже масивна чорна діра (~ 106 M ¤), вона повинна гравітаційно притягувати WIMPs і збільшувати їх концентрацію навколо себе. У результаті ймовірність їх анігіляції в околиці чорної діри збільшується і відповідно зростає потік нейтрино, фотонів та інших продуктів анігіляції WIMPs, що йде з центру Чумацького Шляху. Вимірювання в рамках непрямих експериментів проводяться на великих підземних або підводних установках (Баксанська нейтринна обсерваторія Інституту ядерних досліджень РАН, Байкальська глибоководна установка ІЯД РАН, підземні установки міжнародної лабораторії Гран-Сассо в Італії), які в першу чергу і призначені для реєстрації нейтрино (та інших частинок) дуже високих енергій.
Методи прямого детектування засновані на пошуку пружного (або непружного) розсіювання WIMPs на ядрах детектора-мішені. Ядра віддачі передають придбану в результаті такої взаємодії енергію через іонізацію і теплові (фононні) процеси. Сучасні методи реєстрації енергії ядер віддачі засновані на використанні традиційних сцинтиляційних, напівпровідникових і газових детекторів, а також нових болометричних (низькотемпературних) детекторів та детекторів на основі надпровідних мікрогранул і перегрітих крапель [10].
Енергетичні втрати нейтраліно з масами від 10 ГеВ до 1ТеВ в таких детекторах будуть не більше 100 кеВ, а швидкість рахунку на 1 кг детектора - пропорційна потоку нейтраліно, падаючого на детектор, і перетину їх пружного розсіювання на ядрах.
Теоретичні оцінки дають дуже малі значення для величини перерізу, тому очікується дуже низька швидкість рахунку - від 10-1 до 10-5 відліків / кг на день. Це значно ускладнює завдання експериментального пошуку частинок і вимагає застосування детекторів з великою масою, низьким порогом реєстрації і дуже низьким власним фоном.
При постановці експерименту також необхідно знати функцію відгуку детектора на взаємодію з частками Темної Матерії, або енергетичний спектр ядер віддачі. Приклади очікуваних спектрів при реєстрації WIMPs з різними масами наведено на рис. 4 [11], де також зображений експериментальний фоновий спектр напівпровідникового германієвого детектора. Фоновий спектр детектора при низьких енергіях, як правило, обумовлений шумами електронної апаратури, радіоактивним випромінюванням ізотопів, що містяться в детекторі та оточуючих матеріалах, а також проникаючими навіть на велику глибину космічними променями. Видно, що очікувані спектри ядер віддачі і фоновий спектр мають приблизно однакову експоненціально спадаючу форму, що сильно утрудняє завдання виділення корисного сигналу.
Рис. 4. Теоретичні спектри ядер віддачі при реєстрації WIMPs з різними масами за допомогою напівпровідникового германієвого детектора і експериментальний фоновий спектр детектора.
Для впевненої реєстрації необхідно використовувати додаткові ознаки подій, пов'язані саме з частинками Темної Матерії, наприклад залежність диференціальної швидкості рахунку від часу з-за ефекту річних модуляцій.
Цей ефект - наслідок складання швидкостей налітають на Землю частинок зі швидкістю Землі: комбінація руху Сонця (навколо центру Галактики) через галактичне Темне гало і обертання Землі навколо Сонця буде різною для різних пір року. Максимум швидкості рахунку очікується 2 червня, коли Земля рухається проти потоку частинок, а мінімум - рівно через півроку, коли Земля «втікає» від них, рис. 5.
Рис. 5. Схема руху Сонця і Землі щодо потоку частинок галактичного гало, що ілюструє ефект річний модуляції.
Передвіщається величина сезонного зміни всього »5%, так що виявити ефект нелегко, тим більше він в значній мірі може бути затінений сезонними варіаціями власного фону детектора за рахунок різних зовнішніх факторів. Тим не менш недавно колаборація DAMA [12] декларувала виявлення річних модуляцій WIMPs, які інтерпретуються як результат пружного розсіювання нейтраліно з масою близько 60 ГеВ і перетином порядку 7.10 -42 см 2 (рис. 6 і 8).
Рис. 6. Результати експерименту DAMA з пошуку річних модуляцій WIMPs. Швидкість рахунку NaI детекторів в інтервалі низьких енергій у різні пори року наведена в залежності від поточного часу починаючи з 1 січня першого року вимірювань. Вертикальними пунктирними лініями відзначені піврічні періоди, відповідні очікуваним мінімумам і максимумів сезонної варіації швидкості рахунку WIMPs.
Експеримент проводиться з використанням сцинтиляційних NaI детекторів загальною вагою близько 100 кг в підземній лабораторії Гран-Сассо. Це перший і поки єдиний позитивний результат пошуку частинок темної матерії. Нещодавно опубліковані результати іншого колаборації CDMS - експеримент у даний час проводиться в Стенфорді (США) [13] з використанням низькотемпературних германієвих і кремнієвих детекторів - не підтверджують позитивного ефекту. Тому для остаточного висновку про реєстрацію WIMPs з такими характеристиками потрібні додаткові експерименти. Крім експерименту CDMS зараз ближче за всіх по чутливості до результату DAMA підійшли експеримент IGEX-DM, що проводиться одночасно в підземних лабораторіях Баксан (Росія) і Канфранк (Іспанія), і експеримент «Гейдельберг-Москва» у лабораторії Гран-Сассо. В обох випадках використовуються напівпровідникові детектори з надчистого германію загальною масою близько 10 кг.
Нові експерименти в Баксанском обсерваторії
У підземній нізкофоновой лабораторії Баксанском нейтринної обсерваторії ІЯД РАН проводиться довготривалий експеримент у рамках Міжнародного германієвого експерименту з Темної Матерії IGEX-DM (Росія-США-Іспанія) [14]. Тут WIMPs намагаються реєструвати як за їх пружному, так і за їх неупругом розсіювання з порушенням ядер детектора-мішені, при якому додатковим «ознакою відмінності» буде одночасна чи затримана реєстрація g-квантів, що знімають збудження. Дані, отримані в цьому експерименті для пружного розсіяння частинок, найбільш близько підійшли до позитивного результату DAMA. Пошук непружного взаємодії WIMPs з порушенням нізколежащіх рівнів ядра 73Ge ведеться тільки на цій установці.
Стіни лабораторії виготовлені з нізкорадіоактівного бетону (50 см), ультраосновной (тобто дуже давньою, з мінімальним вмістом радіоактивних ізотопів) породи дуніт (50 см) і стали (8 мм). За рахунок таких стін потік гамма-квантів від оточуючих скельних порід понижений приблизно в 200 разів, а потік космічних променів послаблюється в 2000 разів за рахунок товстого шару скельних порід (660 м водного еквівалента) над лабораторією. Однак, як зазначалося вище, для пошуку частинок темної матерії необхідно мати власний фон установки порядку 0.1 відліку в день на 1 кг детектора-мішені при порозі реєстрації порядку 1 кеВ. Тому детектируются система з Ge детекторів додатково оточена «пасивної» (пасивно переважної потік радіоактивного випромінювання) і «активної» (що дає електронний сигнал про проходження енергійних часток) захистами (рис. 7). Пасивний захист, загальною вагою близько 7 т, зібрана з нізкорадіоактівних матеріалів (свинцю, міді, борованого поліетилену). Активний захист являє собою масивні сцинтиляційні детектори, які з великою ефективністю реєструють високоенергійні мюони космічних променів, що проникають навіть на таку глибину.
Рис. 7. Комбінована (пасивна та активна) захист навколо германієвих детекторів в Баксанском експерименті IGEX-DM.
Ці заходи дозволили знизити фон детектуючої установки приблизно в 106 разів порівняно з незахищеними детекторами в наземній лабораторії. У ході експерименту досягнуто поріг реєстрації 2 кеВ при наднизької швидкості рахунку 0.09 соб. / (Кг · кеВ · добу) в області низьких енергій.
За повний календарний період, з травня 1995 по травень 1999 р., були набрані і проаналізовано дані з двох детекторів, виготовлених зі збагаченого 76Ge та природного Ge. Отримані нові області виключення (тобто значення параметрів, що лежать вище наведених кривих, експериментально виключаються з числа можливих) для мас і перерізів пружного розсіювання WIMPs, які майже впритул підійшли до потребуючих підтвердження результатами колаборації DAMA (рис. 8).
Рис. 8. Області виключення для мас і перерізів WIMPs при різних варіантах аналізу даних Баксанського експерименту IGEX-DM. З метою порівняння також показана область параметрів для позитивного результату, отриманого в експерименті DAMA.
Зокрема, діраковскіе нейтрино з масами від 13 ГеВ до 4.5 ТеВ виключені з кандидатів на роль таких частинок. Аналіз даних з дослідження річних і добових модуляцій потоку дозволив встановити експериментальні обмеження на амплітуди модуляцій на рівні 7% і 4% відповідно.
Як було зазначено раніше, експоненціально спадаючий спектр ядер віддачі при пружному розсіянні WIMPs важко відрізнити від спектру шумів детектора, якщо не вводяться додаткові «відзнаки». У Баксанском нейтринної обсерваторії був розроблений і застосований новий метод пошуку непружного взаємодії WIMPs, що використовує унікальну особливість спектру ядра 73Ge - наявність довгоживучих нізколежащіх збуджених рівнів (13.3 і 66.7 кеВ). Відбір корисних подій за запропонованою схемою реєстрації дає рекордно низький фоновий рахунок 0.0013 Подія кг (73Ge) · добу і, отже, значно підвищує чутливість установки, що дозволяє на два порядки величини поліпшити експериментальні обмеження на маси і перетину спін-залежного розсіювання WIMPs. За результатами експерименту з експозицією всього 0.13 кг (73Ge) · год виключені WIMPs з масами від 20 ГеВ до 2 ТеВ при перерізах непружного взаємодії порядку 10-34.
Пошуки невидимого завжди представляли собою надзвичайно важку, але цікаву задачу. Експериментальне відкриття Темної Матерії дозволить не тільки розкрити чергову таємницю Природи, але також забезпечить нас новими знаннями в галузі фізики частинок за межами Стандартної Моделі електрослабкої взаємодії. У нинішнього покоління вчених є обгрунтовані надії на те, що, якщо основна частина Темної Матерії складається з WIMP-нейтраліно, їх вдасться надійно зареєструвати вже в кінці цього десятиліття.
З планованих експериментів, які в недалекому майбутньому можуть перекрити області значень для мас і перерізів, що передбачаються в теоретичних моделях для різного гатунку частинок темної матерії, можна відзначити GENIUS (новий проект на основі колаборації «Гейдельберг-Москва») з планованої масою германієвих детекторів до 1 т, CDMS-II (США, підземна лабораторія Соудан) і EDELWEISS-III (Франція, підземна лабораторія мода) c низькотемпературними германієвих детекторами з масами порядку 1 кг при подвійної реєстрації іонізаційного і теплового (фононного) сигналів.
Якщо ж темний простір Всесвіту населяють ще більш невловимі частинки (Аксинія, гравітіно і т.п.), то справитися з цим завданням належить новому поколінню фізиків у більш далекому майбутньому.
Література
1. Казаков Д.І. Чекаємо відкриттів у фізиці елементарних частинок! / / Природа. 1999. № 9. С.14-25.
2. Peebles PJE Principles of Physical Cosmology. Princeton, 1993.
3. Wail DMet al. / / Nature. 1993. V.366. P.429.
4. Primack JR / / Nucl. Phys. 2000. V.B87. P.3.
5. Uson JM / / 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. Копилов О.В. Проблема сонячних нейтрино: від минулого до майбутнього / / Прірода.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 CE et al. / / Phys. of Atomic Nucl. 2000. V.63. P.1268.