Галпер Експерименты по исследован 2014

ликовых галактик не было обнаружено какого-либо характерного гамма-излучения в диапазоне выше 100 МэВ. Таким образом, можно установить верхний предел на поток γ-квантов. Ограничения по

гамма-излучению накладывают рамки на некоторые модели WIMP,

предложенные для объяснения данных по e± в экспериментах Fermi LAT и PAMELA, включая модели с вино-подобными нейтралино и модели с частицами тэвных масс, аннигилурующих в пары мюон-антимюон. Наконец, линия в спектре, соответствующая рождению 2γ , будет явной уликой в пользу WIMP, так как это сложно

объяснить чем-либо кроме аннигиляции или распада WIMP, а наличие признака аннигиляции в γZ было бы еще более убедитель-

ным свидетельством. До сих пор, однако, подобные линии не наблюдались, и верхний предел на поток γ-квантов лежит в интерва-

ле (0,6 −4,5) 10−9 см-2с-1 (соответствующие пределы сечения анни-

гиляции частиц темной материи и их времени жизни показаны на рис. П.24).

4.5. Анизотропии в направлениях распространения электронов космических лучей и отличие моделей с темной материей от альтернативных гипотез

Работа M. Ackermann et al. [33] посвящена поиску возможных анизотропий в направлениях регистрируемых электронов космических лучей при помощи Fermi LAT. Так как магнитное поле Земли может повлиять на направление, в котором регистрируются электроны, выбирались лишь частицы с достаточно большой энергий ( E > 60 ГэВ) для того, чтобы минимизировать влияние геомагнит-

ного поля. Было получено около 1,6 106 событий. Поиск анизотропий проводился без каких-либо исходных предположений об энергии, направлении и углового размера. Однако поиск анизотропий не дал положительных результатов. Получены лишь верхние границы на степень анизотропии, варьирующиеся от доли процента до приблизительно 1 %. В работе подробно рассмотрена дипольная анизотропия, верхние границы которой лежат в интервале от ~ 0,5 до ~ 10 % в зависимости от энергии.

61

Экспериментальные данные PAMELA и Fermi-LAT (см. разделы 3.1.1 и 3.1.3) по превышению доли позитронов в космических лучах могут быть объяснены наличием близкорасположенных астрофизических источников, таких как пульсары или остатки сверхновых (как альтернатива моделям с распадающейся или аннигилирующей темной материей). Действительно, испускание электронов/позитронов близлежащим (до расстояния в несколько сотен парсек) пульсаром может привести к наблюдаемым анизотропиям.

Для того чтобы оценить вклад галактических источников в анизотропию электронов космических лучей, в данной статье использовался код GALPROP [34], предполагая модель с изломленным электронным спектром со значением спектрального индекса 1,6 (2,7) при энергии ниже (выше) 4 ГэВ.

Верхний график на рис. 4.1 показывает предсказания модели GALPROP для энергетического спектра электронов космических лучей вместе с данными Fermi-LAT и H.E.S.S. На том же графике приведены ожидаемые потоки от одиночных источников – пульса-

ров Vela (расстояние – 290 пк, возраст – 1,1 104 лет) и Monogem

(290 пк, 1,1 105 лет).

На нижнем графике Рис. 4.1 представлена дипольная анизотропия как функция минимальной энергии, вычисленная при исполь-

зовании спектра e+e− , полученного с помощью GALPROP. На том же графике показаны дипольные анизотропии, ожидаемые от ис-

точников Vela и Monogem.

Избыток позитронов, зарегистрированный PAMELA, может быть приписан не только астрофизическим источникам, таким как пульсары, но и аннигиляции или распаду частиц галактической темной материи. Интересно, что, как отмечалось в ранних работах, любая анизотропия в направлениях приходящих электронов космических лучей, зарегистрированная LAT, явилась бы мощным инструментом для того, чтобы отличить астрофизический сценарий от сценария с темной материей. В частности, так как галактическая темная материя плотнее в направлении галактического центра, в сценарии с аннигилирующей или распадающейся темной материей ожидается картина диполя с избытком в направлении центра Галактики и недостатком в направлении антицентра.

62

Рис. 4.1. Верхний график: спектр e+e− , вычисленный при помощи GALPROP и спектр одиночных источников (см. [33]). Сплошная линия: спектр GALPROP; длинная штриховая линия: источник Monogem; длинная штрих-пунктирная линия: источник Vela; штриховая линия: GALPROP+Monogem; штрих-пунктирная линия: GALPROP+Vela; кружки: данные Fermi-LAT; треугольники: данные H.E.S.S.

Нижний график: дипольная анизотропия δ в зависимости от минимальной энергии для GALPROP (сплошная), источников Monogem (штриховая) и Vela (пунктирная). Экспериментальные данные с уровнем достоверности 95 % показаны кружками

По счастливой случайности оба пульсара Monogem и Geminga, вероятно, одни из самых активных пульсарных источников электронов даже после открытия LAT радиотихих гамма-пульсаров, расположены приблизительно в направлении, противоположном

63

направлению на центр Галактики, делая тем самым поиски анизотропии эффективной отличительной методикой. Ожидаемый уровень дипольной анизотропии в случае аннигиляции темной материи в гало Млечного Пути, рассчитанный исходя из условия подбора такого темпа аннигиляции, чтобы результат совпадал с данными PAMELA, сравним или скорее всего меньше степени анизотропии, ожидаемой в случае астрофизических галактических источников, как моделировалось в GALPROP (см. сплошную линию на нижнем графике рис. 4.1). Сплошная линия на рис. 4.2 изображает общий ожидаемый уровень анизотропии, что схоже с предсказанием, учитывающим только лишь астрофизические источники при моделировании в GALPROP (рис. 4.1). Использовалась модель темной материи, распределенной согласно профилю NFW (Navarro,

Frenk, White) с массой кандидата 3 ТэВ, аннигилирующего в τ+τ− с сечением σv =5 10−23 см3с-1 и с локальной плотностью темной

материи 0,43 Гэв см-3. В рамках данной модели удается воспроизвести общий поток электронов космических лучей, измеренный LAT, и результаты PAMELA. Однако есть некая оговорка к утверждению, что большинство из зарегистрированных PAMELA высокоэнергичных позитронов обязана своим происхождением аннигиляции в близлежащем сгустке темной материи. Предполагается, что гало Млечного Пути в рамках модели холодной темной материи содержит множество меньших подгало, которые, в свою очередь, вносят значительный вклад в аннигиляционный сигнал. Допуская большое сечение аннигиляции, предсказанный поток гаммаквантов от аннигилирующей темной материи был бы выше порога чувствительности LAT. Другими словами, если сгусток темной материи ответственен за большинство из зарегистрированных позитронов, он бы уже скорее всего был доступен наблюдениям в гам- ма-диапазоне.

64

Рис. 4.2. Дипольная анизотропия δ в зависимости от минимальной энергии для некоторых сценариев темной материи (см. [33]). Сплошная линия: темная материя, распределенная по гало Млечного Пути; штриховая и пунктирная линии: две модели темной материи, взятые из работы I. Cernuda, [35]; штрих-пунктирная линия: темная материя из галактических подструктур. Также кружками показаны экспериментальные данные с уровнем достоверности 95 % для верхней границы дипольной анизотропии

Таким образом, в данной работе было проведено сравнение верхних границ дипольной анизотропии с предсказанными анизотропиями для случаев одиночных близлежащих пульсаров и аннигилирующей темной материи. Во всех случаях верхние границы расположены выше предсказанных значений анизотропий. Следует отметить, что вычисление ожидаемых анизотропий включает в себя множество свободных параметров. Поэтому полученные верхние границы могут быть использованы для ограничения пространства параметров многих моделей.

65

Контрольные вопросы и задания

1.Расскажите об основных ограничениях, возникающих при построении теоретических моделей, объясняющих данные

PAMELA, FERMI и HESS.

2.Что такое R-четность?

3.Расскажите об ограничениях, накладываемых на теоретические модели темной материи данными телескопа Fermi.

66

ГЛОССАРИЙ

Стандартная Модель элементарных частиц – теория в физи-

ке элементарных частиц, описывающая электромагнитное, слабое и сильное взаимодействия всех элементарных частиц (но не описывающая гравитационное взаимодействие). В рамках Стандартной Модели все элементарные частицы делятся на два класса – бозоны (частицы, которые являются переносчиками взаимодействий) и фермионы (частицы, из которых состоит привычная нам материя). В свою очередь, фермионы (шесть лептонов: электрон, мюон, таулептон, электронное нейтрино, мюонное нейтрино и тау-нейтрино; и шесть кварков: u, d, s, c, b, t) разделены на три поколения. Части- цами-переносчиками взаимодействий являются: восемь глюонов для сильного взаимодействия, три тяжелых калибровочных бозона

(W+ ,W− ,Z0 ) для слабого взаимодействия и один фотон для элек-

тромагнитного взаимодействия. На рис. Г.1 в виде таблицы представлены все частицы, составляющие содержание Стандартной Модели.

Рис. Г.1. Частицы Стандартной Модели (см. [56])

67

В последние годы появилось множество указаний на то, что Стандартная Модель элементарных частиц не является полной и окончательной теорией. Появилось множество расширений Стандартной Модели, и физики надеются в скором времени обнаружить (в частности, в экспериментах на LHC) проявления так называемой «новой физики» (т.е. физики за пределами Стандартной Модели).

Супергравитация (mSUGRA) – одна из возможных и наиболее обсуждаемых моделей, использующихся в SUSY для объяснения механизма нарушения суперсимметрии. В рамках данного подхода нарушение суперсимметрии происходит за счет взаимодействия с гравитацией в ее простейшей форме.

Техницвет – одно из расширений Стандартной Модели элементарных частиц, в котором хиггсовский сектор с его произвольными параметрами и спонтанным нарушением симметрии заменяется новым набором «технифермионов», взаимодействующих посредством нового «техницветового» сильного калибровочного взаимодействия, генерирующего динамическое нарушение симметрии. Техницвет связывает технифермионы в синглетные по цвету «техниадроны». Технианалоги пионов играют роль составных хиггсовских частиц, которые «поглощаются» W - и Z -бозонами и делают их массивными. «Техницветовое» сильное взаимодействие аналогично обычному сильному взаимодействию в КХД (квантовой хромодинамике). Динамическое нарушение симметрии позволяет естественным образом объяснить существование электрослабого масштаба, а также масштаб фермионных масс и проблему CPнарушения. Теории техницвета предсказывают большое число новых частиц, которые могли бы быть наблюдаемы на LHC. В частности, теории техницвета предлагают новые кандидаты на роль частиц темной материи – например, легчайший технибарион. В рамках техницвета такие частицы обычно именуют TIMP (Technicolor Interacting Massive Particle). Это могут быть, помимо легчай-

шего технибариона, любые смешанные состояния, распад которых запрещен существованием симметрии. Если масса TIMP составляет порядка 1 ТэВ, как предполагается в традиционной теории техницвета, такие частицы не будут рождаться в LHC. Интересная феноменология на LHC возникнет, если TIMP имеют массу порядка сотен ГэВ.

68

Теория Калуцы–Клейна – пример многомерной теории, в которой постулируется существование дополнительных измерений пространства–времени (изначально рассматривалось пятимерное пространство–время). Сама идея дополнительных измерений возникла из желания описать единым образом гравитацию и электромагнитное (калибровочное) поле. Важнейшим достоинством теорий типа Калуцы–Клейна является то, что калибровочные симметрии вытекают из симметрии компактного подпространства, а не постулируются дополнительно. В рамках модели Калуцы–Клейна также появляются частицы, способные играть роль частиц темной материи. Частицы предстают в виде неких так называемых мод Ка- луцы–Клейна с массами

m2 = n2 + m2 , R 0

где R – размер компактного дополнительного измерения, m0 –

модельная масса обычной частицы, n – номер моды. Т.е. каждая частица ассоциируется с бесконечным числом возбужденных калу- ца–клейновских состояний. Если постулировать существование трансляционной инвариантности в пятом измерении, то возникает новая дискретная симметрия, называемая калуца–клейновской четностью, и легчайшая калуца–клейновская частица (LKP) может быть стабильной и действовать как темная материя; в большинстве моделей LKP – это первое возбужденное состояние фотона.

69

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1.Holmberg J., Flynn C. «The local density of matter mapped by Hipparchos» // Mon. Not. Roy. Astr. Soc. 2000. № 313. P. 209.

2.Milgrom M. «MD or DM? Modified dynamics at low accelerations vs dark matter» // Proceedings of Science PoS (HRMS). 2010. № 033.

3.Moffat J.W. «Modified Gravity Or Dark Matter?» // arXiv.org e-Print

archive. 2011. URL: http://arxiv.org/abs/1101.1935v1 (дата обращения: 10.01.2011).

4.Kainulainen K., Tuominen K., Virkajarvi J. «The WIMP of a Minimal Technicolor Theory» // Physical Review D. 2007. № 75. P. 085003.

5.Bernabei R. et al. (DAMA Collaboration) «First results from DAMA/LIBRA and the combined results with DAMA/NaI» // Eur. Phys. J. C. 2008. № 56. P. 333.

6.Ahmed Z. et al. (CDMS-II Collaboration) «Search for inelastic dark matter with the CDMS II experiment» // Physical Review D. 2011. №

83.P. 112002.

7.Aalseth C.E. et al. (CoGeNT collaboration) «Results from a Search for Light-Mass Dark Matter with a P-type Point Contact Germanium Detector» // Physical Review Letters. 2011. Vol. 106. № 13. P. 131301.

8.Aprile E. et al. (XENON100 Collaboration) «First Dark Matter Results from the XENON100 Experiment» // Physical Review Letters. 2010. Vol. 105. № 13. P. 131302.

9.Lebedenko V.N. et al. (ZEPLIN-III Collaboration) «Limits on the spin-dependent WIMP-nucleon cross-sections from the first science run of the ZEPLIN-III experiment» // Physical Review Letters. 2009. Vol.

103.№ 15. P. 151302.

10.Ellis J. «New Light on Dark Matter from the LHC» // arXiv.org e- Print archive. 2010. URL: http://arxiv.org/abs/1011.0077v1 (дата обращения: 30.10.2010).

70