Галпер Експерименты по исследован 2014

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ЯДЕРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ «МИФИ»

А.М. Гальпер, А.В. Гробов, И.В. Свадковский

ЭКСПЕРИМЕНТЫ ПО ИССЛЕДОВАНИЮ ПРИРОДЫ ТЕМНОЙ МАТЕРИИ

Рекомендовано к изданию УМО «Ядерные физика и технологии»

Москва 2014

УДК 524.884(075.8) ББК 22.632я7 Г 17

Гальпер А.М., Гробов А.В., Свадковский И.В.. Эксперименты по исследованию природы темной материи: Учебное пособие. М.: НИЯУ МИФИ, 2014. – 96 с.

Составлено в соответствии с Государственным образовательным стандартом по дисциплине «Космические лучи».

Изложены основные темы, касающиеся экспериментов по исследованию природы темной материи. Даны обзор прямых и косвенных методов поиска частиц темной материи и основные экспериментальные результаты. Приведены теоретические выкладки и модели, способные объяснить существующие данные.

Данное пособие предназначено для студентов старших курсов физических специальностей высших учебных заведений, проходящих подготовку по направлениям «Микрокосмофизика», «Физика атомного ядра и частиц» и др.

Рецензенты: главн. науч. сотр. ФИАН, д-р физ.-мат. наук В.А. Рябов, д-р физ.-мат. наук, профессор НИЯУ МИФИ С.Г. Рубин.

Редактор Е.К. Коцарева

Подписано в печать 15.11.2013. Формат 60х84 1/16 Печ. л. 6,0. Уч-изд. л. 6,25. Тираж 150 экз.

Изд. № 1/9. Заказ № 4.

Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ». 115409, Москва, Каширское ш., д. 31.

ООО «Полиграфический комплекс «Курчатовский». 144000, Московская область, г. Электросталь, ул. Красная, д. 42.

ГЛАВА 2. ПРЯМЫЕ МЕТОДЫ ПОИСКА ТЕМНОЙ МАТЕРИИ 19

4

ГЛАВА 1. ТЕМНАЯ МАТЕРИЯ

Одно из наиболее важных открытий недавнего времени заключается в том, что материя, состоящая из протонов и нейтронов, не является доминирующей во Вселенной. Некий неизвестный вид материи, называемый темной материей, примерно в пять раз более распространен, чем обыкновенное вещество (ΩCDM = 0,232 ± 0,013; космологи-

ческаяплотность Ω определяется как отношение массовой плотности

Хаббла, G – гравитационная постоянная).

Впервые указания на существование темной материи появились в начале 1930-х годов. Д. Оорт обнаружил, что движение звезд Млечного Пути указывает на присутствие дополнительной массы в Галактике. Изучая допплеровские сдвиги в спектрах звезд, движущихся вблизи галактического диска, Оорт смог вычислить их скорости и пришел к удивительному выводу, что звезды движутся слишком быстро для того, чтобы удерживаться в Галактике лишь светящимся, видимым веществом. Оорт допустил, что в Млечном Пути сосредоточено больше массы для того, чтобы удерживать звезды на их орбитах. Исторически это считается первым указанием на возможность существования темной материи в нашей Галактике. Однако сам Оорт отметил, что другим возможным объяснением этому эффекту является тот факт, что 85 % света из центра Галактики поглощается пылью и другим промежуточным веществом. Важно отметить, что более точные данные 1998 г. [1] не подтверждают наличия сколько-нибудь значительного содержания темной материи в галактическом диске.

Исторически второе указание на существование темной материи (впервые на космологических расстояниях) было обнаружено швейцарским астрономом Ф. Цвикки в 1933 г. Измеряя радиальные скорости галактик в скоплении Волосы Вероники (содержит около 1000 галактик) и размер этого скопления, Цвикки был первым, кто использовал теорему о вириале для оценки «недостающей» массы скопления (теорема о вириале для случая гравитационного взаимо-

действия утверждает, что T + 12 U =0 , где T – средняя кине-

5

тическая энергия системы, U – ее средняя потенциальная энер-

гия). По расчетам Цвикки, средняя масса изучаемого им скопления примерно в 160 раз больше, чем масса светящегося вещества этого скопления; он предположил, что недостающая часть вещества является темной. Первоначально это предположение не было воспринято серьезно астрономическим сообществом. Действительно, в то время не было подходящего кандидата на роль темной материи, так как газ в рентгеновском диапазоне и пыль в инфракрасном диапазоне еще не наблюдались, а небарионная форма материи была немыслимой. Только около сорока лет спустя, когда изучение движения звезд в галактиках указало на существование массивного гало невидимого вещества, темная материя стала рассматриваться учеными в качестве серьезной возможности.

Примерно через сорок лет после работ Оорта и Цвикки группа под руководством В. Рубин (V. Rubin) провела анализ кривых вращения звезд в 60 обособленных галактиках. Предполагалось, что орбиты звезд будут примерно соответствовать закону

галактики, m(r) – общая масса, сосредоточенная внутри области

размером r .

Результаты группы В. Рубин показали сильное расхождение с предсказаниями ньютоновской гравитации и распределением светящегося вещества. Собранные данные указывают на то, что кривые вращения звезд «плоские», т.е. скорости звезд продолжают увеличиваться с расстоянием до тех пор, пока не достигнут некоторого предельного значения (рис. 1.1). Так как скорости остаются постоянными с ростом радиуса r , масса, сосредоточенная внутри этого радиуса, должна увеличиваться. Поскольку плотность светящегося вещества спадает в направлении от центра галактики, «недостающее» вещество должно быть несветящимся. Как пишет В. Рубин: «Вывод неизбежен: масса, в отличие от светимости, не сосредоточена вблизи центров спиральных галактик. Таким образом,

6

распределение светящегося вещества галактики не имеет ничего общего с распределением масс».

Рис. 1.1. Измеренные скорости вращения звезд в галактике NGC 3198 в сравнении

сидеализированным кеплеровским поведением (1.1) (см. [51])

В1970-х гг. был обнаружен другой способ для определения количества темной материи и ее пространственного ра спределения – гравитационное линзирование. Гравитационная линза – некий объект, расположенный между наблюдателем и, например, видимой далекой галактикой. Различные траектории света, испускаемого далекой галактикой, искривляются гравитационным полем линзы по-разному, и, изучая искаженное изображение этой галактики, можно сделать вывод о величине массы, сосредоточенной в линзе. И снова выяснилось, что масса, рассчитанная таким образом, гораздо больше, чем масса, вычисленная по светимости линзирующего объекта.

7

Для объяснения феномена темной материи физики сперва обратились к астрофизическим объектам, состоящим из обыкновенной, барионной материи. Возможными кандидатами были коричневые карлики, нейтронные звезды, черные дыры, планеты (все эти объекты классифицировались как MACHO – MAssive Compact Halo Objects). Многие коллаборации (MACHO Collaboration, EROS-2 Survey, MOA, OGLE, SuperMACHO) проводили поиски событий микролинзирования, вызванного объектами MACHO в гало Млечного Пути. Крайне малое число обнаруженных событий свидетельствует о том, что объекты типа коричневых карликов, нейтронных звезд или черных дыр не в состоянии дать удовлетворительного объяснения темной материи, так как вносят лишь малую долю в недостающую массу. Следует отметить также, что данные по первичному нуклеосинтезу и космическому микроволновому фоновому излучению полностью исключают возможность того, что темная материя состоит из барионной составляющей (см. ниже). Результаты экспериментов COBE и WMAP указывают на необходимость существования электрически нейтральной небарионной формы материи.

Примечание. Первичный нуклеосинтез – период в промежутке от нескольких секунд до нескольких минут после Большого Взрыва в ранней, горячей Вселенной, когда из нейтронов и протонов образуются дейтерий, гелий, небольшое количество лития и других легких элементов. Современные методы позволяют оценить отношение количества дейтерия D к количеству водорода H в период первичного нуклеосинтеза. Отношение D/ H сильно зависит от общей плотности барионов

во Вселенной. Таким образом, измеряя отношение D / H, была получена оценка

нормированный параметр Хаббла (здесь H ≈ 70 (км/c)/Мпк – постоянная Хаббла). Видно, что на долю барионной материи приходится лишь 20 % от общей плотности вещества (величину общей плотности материи см. ниже).

Космическое микроволновое фоновое излучение, открытое в 1964 г. Пензиасом и Уилсоном, – это еще один путь, позволяющий получить информацию о составе Вселенной.

8

Примечание. Вселенная непосредственно после Большого Взрыва представляла собой очень плотную плазму из заряженных частиц и фотонов. Эта плазма расширялась и охлаждалась, пока Вселенная не достигла возраста около 380,000 лет – т.н. эпоха рекомбинации. В эту эпоху образовались нейтральные атомы и Вселенная стала прозрачной для электромагнитного излучения; другими словами, фотоны, будучи ранее связанными с заряженными частицами благодаря взаимодействию с ними, теперь могут беспрепятственно распространяться по Вселенной. Эти фотоны, испущенные в момент «последнего рассеяния», существуют до сих пор в виде космического микроволнового фонового излучения.

В 1983 г. в СССР был проведен первый эксперимент, РЕЛИКТ-1, по измерению реликтового излучения (другое название микроволнового фонового излучения) с борта космического аппарата. В январе 1992 г. на основании анализа данных эксперимента РЕЛИКТ-1 российские ученые объявили об открытии анизотропии реликтового излучения. Спутник COBE (Cosmic Background Explorer, США), запущенный в 1989 г., также обнаружил фундаментальные анизотропии микроволнового фонового излучения. Вели-

чина этих анизотропий оказалась крайне малой – (30 ±5) 106 K

(при температуре реликтового фона 2,73 K). Этой величины недостаточно для того, чтобы объяснить образование крупномасштабной структуры Вселенной – та структура, которую мы наблюдаем сегодня, просто не успела бы образоваться, так как обыкновенная материя становится нейтральной только в эпоху рекомбинации, а до нее, из-за электрических сил отталкивания, материя не в состоянии образовывать гравитационные сгустки – зародыши будущей крупномасштабной структуры. Таким образом, результаты COBE указывают на необходимость существования электрически нейтральной формы материи, которая могла бы начать образование структуры задолго до эпохи рекомбинации.

В 2001 г. был запущен другой спутник для более точного измерения пространственных флуктуаций микроволнового фона –

WMAP (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe, США) (рис. П.1).

По итогам нескольких лет работы удалось получить следующие данные:

где Ωmh2 – общая плотность материи, Ωbh2 – плотность барион-

ной материи. Видно, что плотность темной материи составляет около 83 % от общей плотности вещества. Это соответствует сред-

ней плотности темной материи ρdm ≈0,3ГэВ/см3 ≈5 10−28 кг/м3 в

окрестности Солнца. На рис. П.1 изображен спектр мощности микроволнового фонового излучения (распределение энергии по угловым масштабам) – видны пространственные флуктуации, о которых говорилось выше. Анализ микроволнового фонового излучения позволяет точно отличить темную материю от обыкновенной материи, так как эти две компоненты ведут себя по-разному.

Хотя существование темной материи подтверждается многими независимыми свидетельствами, природа ее остается до сих пор неизвестной. Наиболее популярный класс частиц – кандидатов в темную материю именуют общим термином WIMP (Weakly Interacting Massive Particles) – массивные нейтральные частицы, которые слабо взаимодействуют с обычным веществом (этим и объясняется трудность их детектирования). И, тем не менее, существуют различные модели, в которых предсказываются подобные частицы.

Замечание. Здесь следует отметить, что существуют теории, привлекающие для описания феномена темной материи не материю в обычном понимании этого слова (т.е. элементарные частицы), а использующие подход модифицированной гравитации (см., например, работы [2] и [3]). В дальнейшем акцент будет сделан лишь на модели, описывающие темную материю как вещество (частицы).

Также важно отметить, что WIMP – не единственный класс частиц – кандидатов в темную материю, существуют и другие классы, в частности: стерильные и тяжелые нейтрино, барионные кандидаты – странглеты, нуклеариты, технибарио-

ны, MACHOs, CHAMPs, Q-balls.

В Стандартной Модели элементарных частиц (см. Глоссарий) есть лишь один вид стабильных, электрически нейтральных и слабовзаимодействующих частиц – нейтрино. Но существует ряд причин, по которым нейтрино не может быть ответственно за всю темную материю во Вселенной (например, при массе нейтрино mν < 0,23 эВ их космологическая плотность составляет лишь

Ωνh2 <0,0072 , в то время как общая плотность материи по данным

WMAP составляет Ωmh2 =0,1334+−0,00550,0056 ).

10