Антиматерия может быть ключом к разгадке одной из тайн Вселенной

Темная материя — это загадочное, неизвестное вещество, которое, кажется, составляет большую часть всей массы во Вселенной; на каждый килограмм обычной материи приходится примерно пять килограмм темной.

Она не взаимодействует со светом или обычной материей. Единственный способ, которым ученые могут обнаружить ее, — это гравитационное влияние на обычную материю, такое как движение звезд внутри галактик и рост сверхбольших структур в космическом пространстве.

Новое исследование изучило следы антиматерии в космосе, которые могли бы выявить новый класс никогда ранее не наблюдавшихся частиц, называемых WIMP (слабо взаимодействующие массивные частицы), которые могут составлять темную материю. Исследование предполагает, что некоторые недавние наблюдения «антиядер» в космических лучах согласуются с существованием WIMP, но также и то, что эти частицы могут быть еще более странными, чем считалось ранее.

«WIMP — это частицы, которые были теоретически предсказаны, но никогда не наблюдались, и они могли бы быть идеальными кандидатами на роль темной материи», — объясняет Педро Де ла Торре, физик из Института теоретической физики в Мадриде. Он говорит, что WIMP взаимодействуют с другими частицами только посредством гравитации и слабого взаимодействия, одной из четырех фундаментальных сил, которая действует только на очень близких расстояниях.

Однако исследования последних лет привели к исключению целых классов частиц WIMP на основе их своеобразных излучений. Сегодня, хотя их существование не было полностью исключено, диапазон возможных типов WIMP значительно сузился, как и методологии для попыток их обнаружения. «Из многочисленных наиболее мотивированных предложенных моделей большинство сегодня исключено, и только некоторые из них еще есть сегодня», — говорит Педро Де ла Торре.

Но недавнее открытие, похоже, снова дает шанс WIMP. «Это некоторые наблюдения из эксперимента AMS-02», — объясняют ученые. AMS-02 (альфа-магнитный спектрометр) — это научный эксперимент на борту Международной космической станции, изучающий космические лучи. «Руководители проекта сообщили, что обнаружили следы антиядер в космических лучах, в частности антигелия, чего никто не ожидал».

Чтобы понять, почему эти антиядра важны для WIMP и темной материи, нужно сначала понять, что такое антиматерия (или антивещество).

Антиматерия — это форма материи с электрическим зарядом, противоположным заряду «нормальных» частиц материи. Она состоит из «зеркальных» частиц («положительный» электрон, позитрон, «отрицательный» протон и т. д.). Когда материя и антиматерия встречаются, они аннигилируют друг с другом, испуская сильное гамма-излучение. Во Вселенной, состоящей в основном из нормальной материи, есть небольшое количество антиматерии.

Часть этой антиматерии образовалась — как полагают ученые — во время Большого взрыва, но ее постоянно создают новые определенные события, что делает ее наблюдение очень важным. «Если вы видите образование античастиц в межзвездной среде, это означает, что происходит что-то необычное», — объясняет Педро Де ла Торре. «Вот почему наблюдение за антигелием было таким захватывающим».

То, что производит антигелиевые ядра, наблюдаемые AMS-02, действительно может быть WIMP. Согласно теории, когда встречаются две частицы WIMP, в некоторых случаях они аннигилируют, то есть уничтожают друг друга, испуская энергию и производя как частицы материи, так и частицы антиматерии. Физики проверили некоторые модели WIMP, чтобы увидеть, совместимы ли они с наблюдениями.

Исследование подтвердило, что некоторые наблюдения антигелия трудно объяснить известными астрофизическими явлениями. «Теоретические предсказания предполагали, что, хотя космические лучи могут производить античастицы посредством взаимодействия с газом в межзвездной среде, количество антиядер, особенно антигелия, должно быть чрезвычайно низким», — объясняет Педро Де ла Торре.

«Мы ожидали обнаружить одно событие антигелия каждые несколько десятков лет, но около десяти событий антигелия, наблюдаемых AMS-02, на много порядков выше, чем предсказания, основанные на стандартных взаимодействиях космических лучей. Вот почему эти антиядра являются правдоподобным ключом к аннигиляции WIMP».

Но их может быть больше. Ядра антигелия, наблюдаемые AMS-02, состоят из двух различных изотопов (один и тот же элемент, но с разным числом нейтронов в ядре), антигелий-3 и антигелий-4. Антигелий-4, в частности, намного тяжелее и также намного реже.

Известно, что образование более тяжелых ядер становится все менее вероятным по мере увеличения их массы, особенно в результате естественных процессов, связанных с космическими лучами, поэтому их появление в таком большом количестве является предупреждающим знаком.

«Даже в самых оптимистичных моделях WIMP могли бы объяснить только количество обнаруженного антигелия-3, но не антигелия-4», — объясняют ученые в пресс-релизе, и для этого потребовалось бы представить частицу (или класс частиц), еще более странную, чем WIMP, предложенные до сих пор, или, выражаясь техническим языком, еще более «экзотическую».

Таким образом, исследование показывает, что путь к WIMP еще не закрыт. Теперь необходимо гораздо больше точных наблюдений, и ученым, возможно, придется расширить или адаптировать теоретическую модель, возможно, введя новый темный сектор в стандартную модель известных на сегодняшний день частиц с новыми «экзотическими» элементами.