Войти в аккаунт
Хотите наслаждаться полной версией, а также получить неограниченный доступ ко всем материалам?
Заявка на добавление в друзья

Первые результаты эксперимента AMS-02 интересны, но сенсаций не принесли

Опубликованы первые долгожданные результаты орбитального детектора космических лучей AMS-02. Они подтверждают загадочный избыток позитронов, но, к сожалению, не дают ему объяснения. Утверждения о том, что эти данные приближают нас к пониманию природы темной материи, пока преждевременны.

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 «предварительные»; 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 http://igorivanov.blogspot.com/2011/04/ams-02.html" target="_blank" rel="nofollow">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 ГэВ? Может быть, это первые указания на массу частиц темной материи?! Или же есть какое-то более прозаичное объяснение вплоть до ошибки эксперимента?

 

<tbody> </tbody>
<tbody> </tbody>

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 http://igorivanov.blogspot.com/2009/05/fermi.html" target="_blank" rel="nofollow">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.

 

<tbody> </tbody>
<tbody> </tbody>

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.

См. также:
1) S. Coutu. Viewpoint: Positrons Galore // Physics 6, 40 (2013) — пересказ статьи доступным языком.
2) Пресс-релиз на сайте ЦЕРНа.
3) Обсуждения результатов в блогах (Resonaances, ProfMattStrassler).
4) Официальный сайт проекта AMS-02.

http://igorivanov.blogspot.com" target="_blank" rel="nofollow">Игорь Иванов

Источник: elementy.ru
{{ rating.votes_against }} {{ rating.rating }} {{ rating.votes_for }}

Комментировать

осталось 1800 символов
Свернуть комментарии

Все комментарии (15)

Микола Борисiв

комментирует материал 04.04.2013 #

это сообщение повторяет, по сути, приведенное здесь раньше (http://maxpark.com/community/5302/content/1915386 ), но является заметно более подробным. Но главное, автор статьи настроен намного более скептически и предостерегает от преждевременных восторгов. По сути, это же делают и авторы обсуждаемых результатов, которые ни словом не обмолвились о там, как именно следует интерпретировать результаты. Единственное, что подчёркнуто, так это то, что явление, о котором идёт речь, является действительно новым в физике элементарных частиц и астрофизике. Интерпретацию авторы благоразумно оставили для других работ, зафиксировав здесь лишь голый экспериментальный факт, выпадающий из общепринятой картины.

no avatar
Анатолий Неживых

комментирует материал 04.04.2013 #

«Но может также статься, что неуловимые до сих пор частицы темной материи способны при своем столкновении аннигилировать, скажем, на электрон-позитронные пары».
Скорей всего после облучения γ – квантом атомного ядра обычного вещества γ – квант поглощается, и ядро испускает электрон и позитрон: γ + Х Х + е- + е+, где Х - атомное ядро. Смотри Пункт 4 Энергия испускаемых электронов и позитронов зависит от энергии падающих космических лучей

no avatar
Эрик Алексеев

отвечает Анатолий Неживых на комментарий 05.04.2013 #

В вашем случае рост числа позитронов совпадал бы с ростом числа электронов. Да и энергия у них была бы гораздо меньше и притом одинаковая и у тех, и у других.

no avatar
Анатолий Неживых

отвечает Эрик Алексеев на комментарий 05.04.2013 #

В вашем случае рост числа позитронов совпадал бы с ростом числа электронов. Да и энергия у них была бы гораздо меньше и притом одинаковая и у тех, и у других.
Электронов может быть больше за счёт ионизации атомов. Кроме этого, как вы можете объяснить, что попадание некого вещества в ядро атома выбивает из него позитрон?!
Я убеждён, что никакой «тёмной материи» нет! Проведённые эксперименты меня не переубедили. Свои убеждения подтверждаю статьёй

no avatar
Эрик Алексеев

отвечает Анатолий Неживых на комментарий 05.04.2013 #

Атомы могли бы ионизироваться и электронами, и позитронами (причём последние бы в этом процессе преобладали). И те, и другие в этом процессе теряли бы энергию, и не было бы такого роста числа позитронов в области Гэв-энергии. К тому же плотность вещества в открытом космосе слишком мала, чтобы оказать заметное влияние на такие высокоэнергетические частицы.
А что касается "некого вещества" в ядро атома, то пары электрон-позитрон образуются не от попадания гамма-квантов в ядро, а этот процесс происходит в поле ядра - гамма-квант исчезает, а вместо него образуется пара электрон-позитрон с энергией, примерно на один Мэв меньше, чем энергия гамма-кванта.
А убеждения у нас есть у всех. Главное - не упорствовать в них вопреки экспериментальным фактам.

no avatar
Анатолий Неживых

отвечает Эрик Алексеев на комментарий 06.04.2013 #

«Главное - не упорствовать в них вопреки экспериментальным фактам».
Сами экспериментаторы не уверены, а Вы призываете верить, «не упорствуя». Я никогда не верю на слово. Пожалуйста, напишите формулу реакции, в которой «тёмная материя» попадает в ядро. Мне пока что понятна формула реакции из книги Наумова А.И. " Физика атомного ядра и элементарных частиц". М.,1984, стр. 251.

no avatar
Эрик Алексеев

отвечает Анатолий Неживых на комментарий 07.04.2013 #

<<...Мне пока что понятна формула реакции из книги Наумова А.И. " Физика атомного ядра и элементарных частиц". М.,1984, стр. 251...>>
================================
В те времена о тёмной материи, в лучшем случае, единицы астрофизиков высказывали некие предположения, а, скорее всего, даже и оных не было. Первые намёки на тёмную материю стали возникать, когда появились нестыковки между оценочными массами галактик и параметрами гравитационного линзирования. Так что не стоит принимать учебники 30-40-летней давности за Библию.
Что вы подразумеваете под ""тёмная материя" попадает в ядро"? Во-первых, она в ядро не попадает, а может лишь гравитационно взаимодействовать с обычным веществом. А энергия такого взаимодействия, как известно из опытных фактов, в 10^ - 40 раз слабее электромагнитного, не говоря уж о сильном ядерном взаимодействии.
Во-вторых, взаимодействия на квантовом уровне между частицами определяются сечениями взаимодействия, которые зависят от энергии частиц (чем она больше, тем меньше сечение) и от квантовых свойств частиц. Например, сечение захвата нейтронов у кадмия примерно в десяток тысяч раз превосходит оное у других элементов.

no avatar
Анатолий Неживых

отвечает Эрик Алексеев на комментарий 07.04.2013 #

«В те времена о тёмной материи, в лучшем случае, единицы астрофизиков высказывали некие предположения, а, скорее всего, даже и оных не было».
Это неправда! Вот что пишет Яан Эйнасто, академик АН Эстонии, профессор, Тартуская обсерватория, в своей книге Сказание о тёмной материи
«Впервые я столкнулся с проблемой темного вещества в 1952 году, после окончания университета».

Я уже Вам говорил, что никогда не верю на слово. Ваши слова меня не убедили!

no avatar
Андрей Борунов

комментирует материал 04.04.2013 #

Вот и дождались. Месяца не потребовалось :)

no avatar
Микола Борисiв

отвечает Андрей Борунов на комментарий 05.04.2013 #

напомню, что трактовка результатов как доказательство существования темной материи пока ещё излишне оптимистична. Ещё не все другие гипотезы проверены. Хотя очень важным моментом является практически полное отсутствие пространственной анизотропии. Что почти гарантированно исключает потоки от белых карликов и других локализованных объектов.

no avatar
Андрей Борунов

отвечает Микола Борисiв на комментарий 07.04.2013 #

Мое непрофессиональное мнение таково, что разобраться в истинном строении Мироздания мы не сможем никогда, максимум - приближаться к нему все в большей степени. Это, кстати, подтверждается и тем, что с каждой теорией уровень точности вычислений возрастает.
Дело в том, что человек воспринимает не весь мир, а лишь ту его часть, которую способен ощутить плюс ту неощутимую, которую способен вообразить. Однако наше мышление все же развилось в мире "первого уровня" - ощущаемом, - и им же ограничено, поэтому и воображение наше ограничено в равной степени.
Следовательно, для того, чтобы понять строение мира целиком, человек должен выйти за рамки этих ограничений.
То есть, по сути, перестать быть человеком :)

no avatar
юрий степанов

комментирует материал 05.04.2013 #

как мне кажется,идею темной материи больше раскручивают в сенсационном стиле СМИ.ученые просто работают.

no avatar
×
Заявите о себе всем пользователям Макспарка!

Заказав эту услугу, Вас смогут все увидеть в блоке "Макспаркеры рекомендуют" - тем самым Вы быстро найдете новых друзей, единомышленников, читателей, партнеров.

Оплата данного размещения производится при помощи Ставок. Каждая купленная ставка позволяет на 1 час разместить рекламу в специальном блоке в правой колонке. В блок попадают три объявления с наибольшим количеством неизрасходованных ставок. По истечении периода в 1 час показа объявления, у него списывается 1 ставка.

Сейчас для мгновенного попадания в этот блок нужно купить 1 ставку.

Цена 10.00 MP
Цена 40.00 MP
Цена 70.00 MP
Цена 120.00 MP
Оплата

К оплате 10.00 MP. У вас на счете 0 MP. Пополнить счет

Войти как пользователь
email
{{ err }}
Password
{{ err }}
captcha
{{ err }}
Обычная pегистрация

Зарегистрированы в Newsland или Maxpark? Войти

email
{{ errors.email_error }}
password
{{ errors.password_error }}
password
{{ errors.confirm_password_error }}
{{ errors.first_name_error }}
{{ errors.last_name_error }}
{{ errors.sex_error }}
{{ errors.birth_date_error }}
{{ errors.agree_to_terms_error }}
Восстановление пароля
email
{{ errors.email }}
Восстановление пароля
Выбор аккаунта

Указанные регистрационные данные повторяются на сайтах Newsland.com и Maxpark.com