Сайт переехал physreal.com

Поиски частиц ТМ прямыми методами — на ускорителях и в опытах по рассеянию вимпов на ядрах — надёжных положительных результатов пока не дали, и экспериментаторы вынуждены обращаться к непрямым методикам. Наиболее перспективной из последних называют регистрацию почти свободно проходящего сквозь Галактику гамма-излучения — вестника аннигиляции вимпов. С обнаружением гамма-квантов успешно справляются и наземные (скажем, черенковские) телескопы, отслеживающие создаваемые этими квантами в атмосфере ливни вторичных частиц, и космические. У каждого способа есть свои преимущества и недостатки: при наблюдениях из космоса можно рассчитывать на большое поле обзора и детектирование фотонов со сравнительно низкой энергией, а черенковские установки идеально подходят для точечных исследований.

Поскольку плотность ТМ прямо связана с частотой аннигиляции вимпов, наибольшее число сигнализирующих о ней гамма-квантов должно приходить из центра Млечного Пути, от карликовых сфероидальных галактик или скоплений галактик. На эти объекты — предполагаемые области концентрации частиц ТМ — физики обращают внимание чаще всего.

Впрочем, одна лишь пространственная модуляция потока гамма-квантов не говорит о том, что в центре Галактики или близлежащей карликовой галактике находится именно ТМ. Чтобы выделить действительно полезный сигнал, учёные анализируют не только пространственные, но и спектральные особенности потока и пытаются отыскать какие-нибудь линии или узкие пики, с высокой степенью вероятности относящиеся к аннигиляции вимпов. Теоретическая возможность появления таких пиков существует, хотя шансы на образование широких «горбов» в спектре, которые создаются вторичными фотонами, рождёнными при адронизации и распаде первичных продуктов аннигиляции частиц ТМ (пар кварков, лептонов, бозонов Хиггса, W- и Z-бозонов), — выше. «Горбы», очевидно, менее информативны и менее заметны на астрофизическом фоне, составить полное описание которого чрезвычайно трудно.

Ненадёжность аннигиляционных сигналов от вторичных фотонов объясняет, почему специалисты относятся к ним с недоверием. Сообщения о подобных гамма-сигналах, исходящих из центра Галактики и интерпретируемых как следы частиц ТМ с массой в ~10 ГэВ, ~100 ГэВ, ~ТэВ или даже несколько тераэлектронвольт, в последние годы появляются с завидной частотой, но с доказательством того, что интерпретация верна, неизменно возникают проблемы.

Один из вариантов определения области Млечного Пути, в которой «Ферми» проводит измерения потока гамма-квантов, намереваясь отыскать следы тёмной материи (иллюстрация из Journal of Cosmology and Astroparticle Physics).

Обнаруженный телескопом пик на ~130 ГэВ (иллюстрация из Journal of Cosmology and Astroparticle Physics).

Новый сигнал, для обнаружения которого понадобился огромный массив информации, составленный космическим гамма-телескопом «Ферми» за 43 месяца работы, по своей форме отличается от упомянутых выше и выглядит как узкий пик в районе 130 ГэВ с локальной статистической значимостью, превышающей 4,6σ. Таким образом, он легко представляется как результат аннигиляции частиц ТМ, имеющих естественную с теоретической точки зрения массу в ~100 ГэВ, а вероятность его случайного возникновения предельно мала.

Пока никаких данных, противоречащих изначальной интерпретации пика в спектрах «Ферми», представлено не было, и 130-гигаэлектронвольтовый сигнал считается надёжнейшим из известных. В будущем ситуация вполне может измениться; уже сейчас выясняются кое-какие любопытные детали, которые грозят разрушить картину, нарисованную теоретиками.

Во-первых, центр происхождения сигнала, кажется, смещён на ~1,5 градуса (200 пк) от центра Галактики. Хотя возможность того, что участок максимальной плотности ТМ не будет совпадать с центром спиральных галактик с перемычкой, напоминающих Млечный Путь, при моделировании рассматривалась и раньше, значительное смещение, обнаруженное в реальном эксперименте, удивило многих.

Во-вторых, результаты простейшей проверки указывают на то, что пик в области 130 ГэВ может оказаться инструментальным артефактом, характерным для космического телескопа и его детекторов. Как выяснилось, некое подобие линии на 130 ГэВ выделяется в спектрах, построенных для обнаруженных «Ферми» фотонов из атмосферы Земли (то есть из ливней частиц, создаваемых космическими лучами) с углами падения θ от 30˚ до 45˚. Этот сигнал, в отличие от обсуждаемого нами «реального», имеет слабую значимость и пропадает, если рассматривать все углы падения атмосферных квантов или все — и астрофизические, и атмосферные — фотоны в диапазоне 30˚ ≤ θ ≤ 45˚, но само его появление настораживает.

130-гигаэлектронвольтовый пик, несомненно, будет обсуждаться ещё очень долго, и обойтись наблюдениями одного «Ферми» здесь не получится. Подтвердить или опровергнуть его данные должны новые космические телескопы с бóльшим энергетическим разрешением (DAMPE, «ГАММА-400») или только что введённый в строй черенковский телескоп H.E.S.S. II.

Подготовлено по материалам arXiv ([1], [2], [3], [4]).