Международный исследовательский аппарат PAMELA на борту российского искусственного спутника «Ресурс-ДК1» надёжно зафиксировал избыток позитронов высоких энергий в потоке заряженных космических частиц. Этот результат может оказаться первым прямым свидетельством существования массивных слабовзаимодействующих частиц так называемой «тёмной материи», или скрытой массы, которой во Вселенной примерно в 5 раз больше, чем всего обычного вещества.
Участники программы PAMELA, наконец, публично сознались, что им удалось найти избыток позитронов при обработке данных о типе и энергии почти миллиарда космических частиц, зафиксированных в период с июля 2006 по февраль 2008 года. Результаты работы поступили на рецензию в журнал Nature и опубликованы в качестве препринта в арХиве Корнельского университета.
Позитроны являются античастицами обычных электронов, обращающихся вокруг атомных ядер, то есть ничем от них не отличаются, кроме заряда – если электроны несут единичный отрицательный заряд, то заряд позитронов положителен. Считается, что большая часть позитронов, бомбардирующих Солнечную систему, являются так называемыми вторичными частицами, то есть образуются они при взаимодействии высокоэнергичных ядер космических лучей с межзвёздным газом. Однако теория таких взаимодействий предсказывает, что доля позитронов по отношению к электронам должна уменьшаться с увеличением энергии частиц.
В то же время при распаде или аннигиляции массивных слабовзаимодействующих частиц, из которой, как предполагает ведущая теория, состоит тёмная материя, должно появляться значительное число позитронов с высокими энергиями. Именно такое поведение и увидела PAMELA. Если в диапазоне энергий от 1 ГэВ (гигаэлектронвольта) до 10 ГэВ доля позитронов по отношению к протонов снижается с энергией, то на энергиях с 10 ГэВ начинается рост, который продолжается по меньшей мере до 100 ГэВ, где данные обеспечивают статистически осмысленные оценки. На самом деле, при энергии около 100 ГэВ доля позитронов в смеси электроны+позитроны составляет около 15%, в то время как на энергиях в 1 ГэВ их доля вдвое меньше; теория вторичных позитронов предсказывает, что позитронов на энергии в 100 ГэВ должно быть всего несколько процентов.
По мнению многих учёных, результаты космического эксперимента хорошо согласуются с представлениями о частицах тёмной материи в суперсимметричных расширениях Стандартной модели элементарных частиц. Ведущим кандидатом на роль такой частицы является нейтралино – квантовая смесь суперсимметричных партнёров фотона, Z-бозона и частицы Хиггса, существование которой предсказывает теория суперсимметрии. Более того, появление избытка позитронов на энергиях от 10 ГэВ и выше повышает шансы, что следы суперсимметрии могут проявиться в экспериментах на Большом адронном коллайдере, где частицы будут сталкиваться с взаимной энергией в 14 тысяч ГэВ.
Вместе с тем, источником избытка позитронов может оказаться и более прозаический, хотя не менее интересный астрономам, источник – магнитосферы нейтронных звёзд, расположенных неподалёку от Земли. В этом случае, надеются участники эксперимента PAMELA, со временем, при увеличении общего количества зарегистрированных частиц, в данных может проявиться неоднородность прихода частиц в зависимости от положения спутника на околоземной орбите и его ориентации относительно нейтронной звезды, Земли и Солнца. Пока учёным удалось заметить лишь отличие измеренного ими потока позитронов и электронов от результатов, полученных в ходе предыдущих экспериментов. Участники проекта объясняют эти расхождения изменением конфигурации магнитного поля Солнца в ходе полного 22-летнего цикла солнечной активности; данные по антипротонам подтверждают такую трактовку.
Слухи о том, что PAMELA нашла избыток позитронов, ходили среди астрофизиков с начала лета – участники проекта кратко упоминали об этих результатах и даже показывали графики, подтверждающие эти заявления, однако рассказывать о результате подробно отказывались. Такое поведение даже породило взаимные обвинения в нарушении научной этики между командой PAMELA и несколькими молодыми учёными, опубликовавшими работы на основании данных, снятых на камеру мобильного телефона во время докладов о результатах космического эксперимента.
Оборудование эксперимента PAMELA (Payload for Antimatter Matter Exploration and Light-nuclei Astrophysics, бортовое оборудование для исследования антиматерии и астрофизики лёгких ядер) закреплено на борту российского спутника «Ресурс-ДК1», обращающегося вокруг Земли по орбите высотой от 350 до 615 километров с наклонением 70 градусов к экватору. Спутник был запущен с космодрома Байконур 15 июня 2006 года и предполагается, что он проработает минимум до конца 2009 года. В научной программе эксперимента PAMELA участвуют итальянские, российские, германские и шведские институты. От России в проекте участвуют учёные из Физического института имени Лебедева Академии наук, московского и петербургского Физико-технического институтов и Московского инженерно-физического института. Руководит проектом с российской стороны профессор МИФИ Аркадий Гальпер.
