3 апреля на специальном семинаре в ЦЕРНе были представлены первые — и очень долгожданные — результаты эксперимента AMS-02. О полученных в эксперименте данных неторопливо рассказывал вдохновитель и руководитель проекта, нобелевский лауреат 1976 года Сэмюэл Тинг. В отличие от подавляющего большинства докладов по физике элементарных частиц, представленные данные были вовсе не «предварительными»; это были полностью проверенные результаты первого этапа набора и обработки статистики, накопленной за пару лет. Эти данные уже опубликованы: статья коллаборации AMS в тот же день появилась на сайте журнала Physical Review Letters.

Надо сказать, что и в самой презентации, и в пресс-релизе ЦЕРНа, и в сообщениях СМИ, которые стали появляться сразу после доклада, имеется некоторый перекос в интерпретации данных — от реально полученных результатов в сторону «желаемого». Ниже мы постараемся аккуратно это отметить.

Эксперимент AMS-02

Начнем с краткого описания эксперимента AMS-02 и его научных задач. AMS (сокращение от Alpha Magnetic Spectrometer) — это современный добротный детектор элементарных частиц, только находящийся в космосе. Он строился в ЦЕРНе в течение 10 лет, и наконец два года назад он был запущен на орбиту, отбуксирован к Международной космической станции, прикреплен к ней снаружи (рис. 1) и с тех пор исправно набирает данные. Конечно, детекторы элементарных частиц в космос запускаются уже давно, но до сих пор это были относительно небольшие установки, размером в десятки сантиметров-метр. AMS-02 имеет 4 метра в поперечнике; это уже немаленький детектор даже по земным масштабам, а для космических аппаратов такие размеры и сложность просто беспрецедентны.

Задача детектора AMS-02 — изучить в мельчайших подробностях свойства космических лучей, энергетических частиц, прилетающих к нам из глубокого космоса. Физиков интересует прежде всего состав космических лучей, их угловое и энергетическое распределение, а также наличие в них каких-то исключительно редких частиц. Рабочий диапазон AMS-02 по энергии — от сотен МэВ и до нескольких ТэВ. Большие размеры детектора как раз нужны для того, чтобы суметь «вместить в себя» широкий ливневый след от частиц тэвного диапазона энергий — то, чего не могли сделать космические эксперименты-предшественники. Сложное устройство детектора, тщательно откалиброванные подсистемы должны также существенно улучшить точность изменений (речь уже идет о точности в 1% и лучше).

Есть две «светлых мечты» коллаборации AMS — обнаружить надежные проявления частиц темной материи и зарегистрировать хоть несколько ядер антивещества (антигелий и тяжелее). Для достижения первой цели надо накопить очень большую статистику космических лучей, построить всевозможные распределения и попытаться увидеть в них какие-то особенности, которые не удастся списать на «обычные» астрофизические процессы. Вторая цель — если она будет достигнута — приведет к еще более серьезным последствиям. Например, если будет зарегистрировано хоть одно ядро антиуглерода, это будет настоящей сенсацией, поскольку никакими «нормальными» астрофизическими причинами объяснить присутствие в космосе сложных антиядер нельзя.

Загадка космических позитронов

Обнародованные 3 апреля данные относятся к первой «мечте». Они касаются соотношения между электронами и позитронами в потоке космических лучей. Главная величина, которую физики измерили, это доля позитронов в общем электрон-позитронном потоке в зависимости от энергии. Смысл этого измерения вот в чём. Обычных частиц (электронов, протонов, ядер) в космическом пространстве полным-полно, и они легко ускоряются до больших энергий в разнообразных «космических ускорителях». В противоположность им, античастицы, и в частности позитроны, всегда вторичны. Они просто так в космосе не живут, поскольку рано или поздно натыкаются на частицы вещества и аннигилируют. Поэтому наличие античастиц означает, что в космосе «налажено» непрерывное их производство. И вот тут появляются варианты.

Позитроны могут быть, например, побочными продуктами столкновений ускоренных протонов или электронов, случившихся где-то в космосе. Характерная черта всех подобных процессов — плавное и неуклонное уменьшение количества частиц с ростом энергии. Но может также статься, что неуловимые до сих пор частицы темной материи способны при своем столкновении аннигилировать, скажем, на электрон-позитронные пары. Масса частиц темной материи какая-то одна (и по предсказанию многих теорий лежит в районе от сотен ГэВ до нескольких ТэВ), а скорости их движения маленькие. Поэтому электроны и позитроны при таком столкновении будут рождаться с более-менее определенной энергией. Иными словами, в энергетическом распределении должен нарисоваться пик. Этот пик может быть и не очень заметным в абсолютной величине потока, но если построить отношение количества позитронов к сумме электронов и позитронов (при заданной энергии), то все особенности станут более контрастными.

В 2008 году орбитальный эксперимент PAMELA показал совершенно неожиданные данные. Оказалось, что начиная примерно с 10 ГэВ доля позитронов вовсе не уменьшается, как предсказывалось астрофизическими моделями, а довольно резко растет с 5% при 5–6 ГэВ до (15±5)% при 100 ГэВ (см. рис. 2); краткое описание см. в заметке Сергея Попова. Выше по энергии PAMELA измерять уже не могла — и для физиков это было словно детектив, оборванный на самом интересном месте. Чем объяснить данные PAMELA? Что же происходит там, выше 100 ГэВ? Может быть, мы видим лишь один склон широкого пика с центром где-то в районе 0,5–1 ТэВ? Может быть, это первые указания на массу частиц темной материи?! Или же есть какое-то более прозаичное объяснение вплоть до ошибки эксперимента?

Рис. 2. Позитронная загадка по состоянию на 2008 год: красными точками показаны данные PAMELA,черными точками — предыдущие эксперименты, сплошная линия показывает типичное предсказание астрофизических моделей. Изображение с сайта www.nature.com

Эти вопросы стали одной из самых горячих тем в астрофизике элементарных частиц: статья PAMELA набрала к настоящему времени уже свыше тысячи цитирований. В 2011 году позитронный результат PAMELA получил подтверждение: другой спутниковый эксперимент, Fermi-LAT, с помощью нетривиальных ухищрений тоже смог измерить позитронную долю, правда с большими погрешностями. Она была даже выше, чем у PAMELA, и тоже росла с увеличением энергии — причем Fermi-LAT смог дотянуться аж до 200 ГэВ. На всё это накладываются другие данные — по общему потоку электронов и позитронов, который был измерен нам том же Fermi-LAT почти до 1 ТэВ. Там тоже есть какой-то странный горб в области сотен ГэВ, но как его интерпретировать, пока непонятно.

Справедливости ради надо сказать, что вскоре после объявления данных PAMELA было выяснено, что примерно такой же избыток позитронов может получиться и из-за «обычной» астрофизики. Например, что-то подобное может породить и активно работающий пульсар где-то недалеко (по галактическим меркам) от Солнца. Споры, конечно, продолжаются и по сей день, но первоначальный пыл уже поостыл, и сложившееся сейчас мнение примерно таково: никакой надежной интерпретации данных PAMELA пока дать нельзя, а для существенного прогресса надо измерить долю позитронов хотя бы вплоть до 1 ТэВ. Астрофизический источник позитронов будет показывать плавную зависимость от энергии, а источник, связанный с темной материей, должен где-то иметь резкую границу.

Данные AMS-02

Представленные 3 апреля первые данные AMS показаны на рис. 3. Они получены на основе примерно 6,8 миллионов событий регистрации электронов и позитронов (а всего было поймано 30 млрд частиц космических лучей — это сами по себе рекордные числа). Они находятся в очень хорошем согласии с результатами PAMELA, подтверждают рост позитронной доли, но, пожалуй, не такой быстрый. Более того, темп роста явно замедляется при энергиях выше 200 ГэВ.

Рис. 3. Новые данные AMS в сравнении с данными PAMELA и Fermi-LAT; серая полоса — предсказания астрофизических моделей. Изображение с сайта physics.aps.org

Что происходит при еще больших энергиях, пока неизвестно. Стоит подчеркнуть, что у коллаборации уже есть данные как минимум вплоть до 0,5 ТэВ, но эти данные пока предпочитают не открывать. Как неоднократно подчеркивал Тинг во время презентации, коллаборация предпочитает действовать максимально надежно и не показывать данные, у которых пока что слишком большие статистические погрешности. Прежде чем подниматься выше по энергии, физики хотят накопить побольше данных, что займет как минимум еще несколько месяцев.

Являются ли эти данные свидетельством в пользу темной материи? Вовсе нет; не более, чем данные PAMELA. Можно даже сказать жестче: было бы неверно утверждать, что эти данные дали хоть какую-то новую информацию о темной материи — на что хотят намекнуть и официальные сообщения, и вслед за ними СМИ. Да, превышение позитронов вне всяких сомнений имеется, но никаких четких указаний на его происхождение как не было, так и нет. Утверждения в пресс-релизе, что AMS-02 вскоре даст ответ на этот вопрос, выглядят чересчур оптимистичными (либо основаны на неопубликованных пока данных).

Что нового рассказали эти данные о позитронной загадке? По правде сказать, не так много. Во-первых, мы видим, что доля позитронов продолжает расти, как минимум до 300 ГэВ. При высоких энергиях намечается выравнивание, но оно пока не слишком статистически значимое. Во-вторых, благодаря очень плотному расположению точек по энергетической шкале можно быть уверенными, что AMS не пропустила никакой узкий пик. В данных видны небольшие колебания, но они выглядят вполне похоже на обычные статистические флуктуации (плюс возможные погрешности, связанные с неконтролируемыми внешними условиями).

В-третьих, коллаборация AMS изучила угловое распределение найденных событий и пришла к выводу, что позитроны приходят со всех направлений более-менее изотропно. В принципе, так и должно быть в случае частиц темной материи, но то же самое можно ожидать и от работающего неподалеку пульсара — ведь испущенные им электроны и позитроны придут к нам по запутанной в межзвездном магнитном поле траектории и могут попасть в детектор с любой стороны.

Непосредственно данные на этом заканчиваются, и открывается простор для интерпретации. Первая попытка сделана в самой статье коллаборации AMS. Авторы проверили, можно ли описать данные простейшей моделью, в которой и электронный, и позитронный поток содержит две компоненты: экспоненциальную и степенную. Оказалось, да, можно, согласие получается очень хорошим. Но как интерпретировать этот результат, не очень понятно. Очевидно, в ближайшие месяцы последует поток теоретический статей, учитывающих новые данные в тех или иных вычислениях или моделях или даже предлагающих им свои объяснения. Однако это всё будут лишь угадывания; нечто достоверное мы имеем шанс узнать только после обнародования данных с энергией вплоть до 1 ТэВ.

Источник: M. Aguilar et al. (AMS Collaboration). First Result from the Alpha Magnetic Spectrometer on the International Space Station: Precision Measurement of the Positron Fraction in Primary Cosmic Rays of 0.5–350 GeV // Phys. Rev. Lett. 110, 141102 (2013); статья находится в свободном доступе.