Сечение аннигиляции темной материи — что это такое?

Сечение аннигиляции (σv) — это величина, которая характеризует вероятность того, что две частицы столкнутся и аннигилируют, то есть превратятся в другие частицы (например, в фотоны, электроны, кварки и т.д.).

Представьте себе, что вы стреляете из ружья в мишень. Вероятность попасть зависит от размера мишени. Сечение — это, по сути, эффективная «площадь» нашей частицы-мишени, которая определяет, насколько вероятно попадание в нее частицы-пули.

• v в формуле (σv) — это относительная скорость сталкивающихся частиц.

• Единица измерения: см³/с (сантиметр в кубе за секунду). Эта единица показывает, сколько аннигиляций произойдет в одном кубическом сантиметре за одну секунду при заданной плотности частиц.

Глубокий смысл: от микроскопической вероятности к макроскопическому эффекту

Чтобы понять, почему эта величина так важна, рассмотрим, как происходит аннигиляция темной материи (ТМ) в космосе.

1. Плотность частиц: Вокруг черной дыры или в галактике существует определенная концентрация частиц ТМ — n (число частиц в кубическом сантиметре).

2. Скорость аннигиляции: Количество актов аннигиляции в единице объема за единицу времени (например, сколько раз в секунду в кубическом сантиметре две частицы ТМ превратятся в фотоны) рассчитывается по формуле:

   R = (1/2) * 〈σv〉 * n²

   Где:

   • R — скорость аннигиляции (число актов/см³/с).

   • 〈σv〉 — усредненное по скоростям частиц сечение аннигиляции.

   • n² — квадрат плотности частиц. Множитель 1/2 учитывает, что каждая аннигиляция уничтожает две частицы ТМ.

Ключевой вывод: Энергия, которую мы надеемся найти (в виде излучения), напрямую зависит от <σv>. Если сечение аннигиляции равно нулю, то темная материя никогда не аннигилирует, и мы не сможем найти ее этим способом. Чем больше <σv>, тем сильнее сигнал.

«Волшебное» число: Термальное реликтовое сечение

Самое известное и теоретически предсказанное значение для сечения аннигиляции темной материи — это ~ 3 × 10⁻²⁶ см³/с.

Почему именно это число? Оно происходит из теории Большого Взрыва и формирования темной материи.

• Гипотеза: Темная материя находится в «термальном равновесии» с остальной материей в ранней Вселенной.

• Процесс: В очень горячей и плотной ранней Вселенной частицы ТМ постоянно рождались из обычной материи и аннигилировали друг с другом. Когда Вселенная расширилась и остыла, плотность и температура упали, и частицы ТМ перестали сталкиваться достаточно часто. Их количество «заморозилось» — это называется реликтовой плотностью.

• Расчет: Ученые могут рассчитать, при каком значении <σv> расчетная реликтовая плотность ТМ совпадет с наблюдаемой сегодня (которая составляет ~85% всей материи). Это значение и оказывается равным ~ 3 × 10⁻²⁶ см³/с.

Таким образом, это «золотое» число — главный ориентир для всех экспериментов по поиску темной материи через аннигиляцию.

Как измеряют и ограничивают сечение аннигиляции?

Поскольку мы не можем создать темную материю в лаборатории и измерить <σv> напрямую, ученые используют косвенные методы:

1. Космические гамма-лучи: Ищут избыток гамма-излучения из регионов с высокой плотностью ТМ (центры галактик, скопления галактик). Если сигнала нет, это означает, что <σv> должно быть МЕНЬШЕ некоторого значения для данной массы частицы ТМ.

2. Космические лучи (позитроны, антипротоны): Аннигиляция ТМ может производить позитроны и антипротоны. Измеряя их поток на околоземной орбите (например, с помощью детектора AMS-02 на МКС), можно накладывать ограничения на <σv>.

3. Нейтрино от Солнца и Земли: Частицы ТМ могут захватываться гравитацией Солнца или Земли, накапливаться в центре и аннигилировать, производя нейтрино. Детекторы нейтрино (IceCube, Super-Kamiokande) ищут такой сигнал.