Тёмная материя, возможно, участвует в неизвестном виде фундаментальных взаимодействий
Фотоны из центра Галактики указывают на то, что частицы тёмной материи имеют массу в 30–35 ГэВ. Но попытки найти их в этом диапазоне в земных лабораториях (с помощью известных негравитационных взаимодействий) пока не слишком удачны. Не участвует ли ТМ в неизвестном, пятом виде физических взаимодействий?
Гамма-телескоп «Ферми» не первый год намекает на наличие в центре нашей Галактики следов аннигиляции частиц тёмной материи (ТМ) — субстанции, вроде бы составляющей основную часть всего сущего, но до сих пор надёжно не зарегистрированной. Предполагается, что ТМ, как и обычная материя, имеет для своих частиц «тёмные» же античастицы, и рано или поздно такие «напарники» должны сталкиваться, порождая то же, что вещество, столкнувшееся с антивеществом, — поток частиц света, фотонов высоких энергий. Поскольку ТМ точно способна гравитационно взаимодействовать с обычной, то её притягивает к центру Галактики, плотнее всего упакованному материей. И вероятность подобной аннигиляции в ядре должна быть самой высокой, порождая заметный избыток гамма-излучения
Новое исследование, предпринятое учёными во главе с Танцу Дайланом (Tansu Daylan) из Гарвардского университета (США), в очередной раз попыталось проверить, так ли это — или загадочное излучение из центра Галактики всё же вызвано быстровращающимися нейтронными звёздами, также способными на гамма-излучение в наблюдаемом «Ферми» диапазоне.
Для этого учёные провели собственный анализ полученных космическим телескопом данных и заодно проверили выводы других групп, сделанные на сходной основе. «Обрезав» хвосты функциям рассеяния точек, описывающим зависимость распределения яркости излучения от координат в плоскости изображения, они получили более чёткую, чем когда-либо ранее, карту гамма-излучения, поступающего из ядра Млечного Пути. При этом оказалось, что излучение исходит из области диаметром в 5 000 световых лет, имеющей чёткую сферическую форму, со сверхмассивной чёрной дырой Стрелец А* в центре.
Энергия интересующих исследователей фотонов лежала в диапазоне 1–3 ГэВ. Для столь энергичных фотонов, считают астрофизики, симметричный сигнал из чётко очерченной области довольно трудно объяснить иначе как следами распада тёмной материи. Миллисекундные пульсары (нейтронные звёзды) слишком малочисленны, да и по пространственному распределению никак не могут быть разбросанными в этой сфере равномерно: плотность звёзд в ядре Млечного Пути, как и во всём его диске, резко меняется в зависимости от того, насколько выше или ниже плоскости диска эти светила находятся. Между тем сигнал, зарегистрированный «Ферми», виден даже на большом удалении от центра Галактики (до десяти градусов), причём и вверх, и вниз от диска. Это, по сути, ставит крест на версии о нейтронных звёздах как источниках сигнала.
Если учёные действительно правы в интерпретации таких фотонов как следов ТМ, то невидимые частицы этого вида материи должны быть примерно в 30–35 раз тяжелее обычного протона, знакомого нам по атому водорода, то есть речь идёт о примерно 30–35 ГэВ. И это довольно странно, даже необъяснимо. Дело в том, что в этом диапазоне на Земле проведено множество экспериментов по поиску ТМ-частиц, и следы ТМ такого рода должны были давно проявиться. Но этого не случилось. Почему же?
Возможно, ответ на этот вопрос заключается в том, что мы не совсем верно представляем себе те взаимодействия, в которых ТМ-частицы участвуют. Современные теории считают, что ТМ- и «нормальные» частицы взаимодействуют, обмениваясь либо Z-бозоном (переносчиком слабого взаимодействия), либо бозоном Хиггса, отвечающим за наличие у элементарных частиц их масс. Следовательно, в районе 30 ГэВ такие взаимодействия должны быть замечены экспериментаторами.
А вот если ТМ-частицы плевать хотели на Z-бозон и даже отчасти на его хиггсовского коллегу, то, конечно, зарегистрировать ТМ в таких опытах не получится, потому что ставить их надо несколько иным образом. Правда, тогда для взаимодействия ТМ-частиц и обычных нужен другой, ещё неведомый... Да-да, требуется пятое, неизвестное фундаментальное взаимодействие. «Было бы просто здорово, если бы, открывая тёмную материю, мы попутно открыли бы и новый вид физических взаимодействий», — говорит Трэйси Слэйтир (Tracy Slatyer) из Массачусетского технологического института (США).
Вам не по себе от таких предположений? После этих слов мы тоже огляделись по сторонам, проверяя, живём ли мы в том же мире, где проснулись утром. И всё же, если сигналы «Ферми» интерпретированы верно, вероятность существования пятой силы начинает выглядеть много более реальной, чем прежде. Как вы понимаете, это будет означать серьёзную корректировку физики — более существенную, чем даже после бозона Хиггса.
Напрашивается, как говорил классик, вопрос: «Яка розумная цьому альтернатiва?» Очевидно, остаётся одно: сигнал «Ферми» может быть вообще не связан с тёмной материей. Как же так, вроде бы миллисекундные пульсары не подходят на роль альтернативных источников? Среди прочего миллисекундные пульсары обычно выдают гамма-излучение, по энергии частиц уступающее даже 1 ГэВ... Ну, один вариант всё же есть. «Это могли бы быть пульсары такого типа, о которых мы ещё ничего не знаем», — предполагает Кеворк Абазаджян (Kevork Abazajian), астроном из Калифорнийского университета в Ирвайне (США). Конечно, это более комфортная версия, соглашается он: «Проще думать о новом классе нейтронных звёзд, чем о целом новом типе материи».
Как бы нам всё-таки отделить неведомые пульсары от не менее загадочной пятой силы и выяснить, что из этих двух вариантов правда? Есть кое-какие возможности: вокруг Млечного Пути присутствует пара дюжин карликовых галактик-спутников, в которых, по идее, удельный вес тёмной материи должен быть много больше, чем в нашей Галактике. То есть и распадаться там она должна интенсивнее. Уже сейчас за ними ведутся наблюдения, которые в скором времени смогут показать нам, есть ли в таких местах сигналы, подобные тем, что видит «Ферми» в нашем галактическом ядре.
По факту та же коллаборация «Ферми» уже дала данные, указывающие на регистрацию следов аннигиляции ТМ в галактиках-спутниках с вероятностью в 2–3σ. И если дело дойдёт до 5σ, то сцепка «тёмная материя — новый вид физических взаимодействий» может стать передним краем современной физики.
Отчёт об исследовании предполагается опубликовать в журнале Physical Review
