Новые эксперименты в Баксанской обсерватории - Поиски Темной материи

В подземной низкофоновой лаборатории Баксанской нейтринной обсерватории ИЯИ РАН проводится долговременный эксперимент в рамках Международного германиевого эксперимента по Темной Материи IGEX-DM (Россия--США--Испания). Здесь WIMPs пытаются регистрировать как по их упругому, так и по их неупругому рассеянию с возбуждением ядер детектора-мишени, при котором дополнительным "признаком отличия" будет одновременная или задержанная регистрация г-квантов, снимающих возбуждение. Данные, полученные в этом эксперименте для упругого рассеяния частиц, наиболее близко подошли к положительному результату DAMA. Поиск неупругого взаимодействия WIMPs с возбуждением низколежащих уровней ядра 73Ge ведется только на этой установке.

Стены лаборатории изготовлены из низкорадиоактивного бетона (50 см), ультраосновной (т. е. очень древней, с минимальным содержанием радиоактивных изотопов) породы дунит (50 см) и стали (8 мм). За счет таких стен поток гамма-квантов от окружающих скальных пород снижен примерно в 200 раз, а поток космических лучей ослабляется в 2000 раз за счет толстого слоя скальных пород (660 м водного эквивалента) над лабораторией. Однако, как указывалось выше, для поиска частиц Темной Материи необходимо иметь собственный фон установки порядка 0.1 отсчета в день на 1 кг детектора-мишени при пороге регистрации порядка 1 кэВ. Поэтому детектирующая система из Ge детекторов дополнительно окружена "пассивной" (пассивно подавляющей поток радиоактивного излучения) и "активной" (дающей электронный сигнал о прохождении энергичных частиц) защитами (рис. 11). Пассивная защита, общим весом около 7 т, собрана из низкорадиоактивных материалов (свинца, меди, борированного полиэтилена). Активная защита представляет собой массивные сцинтилляционные детекторы, которые с большой эффективностью регистрируют высокоэнергичные мюоны космических лучей, проникающие даже на такую глубину.

Рис.11. Комбинированная (пассивная и активная) защита вокруг германиевых детекторов в баксанском эксперименте IGEX-DM

Эти меры позволили снизить фон детектирующей установки примерно в 106 раз по сравнению с незащищенными детекторами в наземной лаборатории. В ходе эксперимента достигнут порог регистрации 2 кэВ при сверхнизкой скорости счета 0.09 соб./ (кг-кэВ-сутки) в области низких энергий.

За полный календарный период, с мая 1995 по май 1999 г., были набраны и проанализированы данные с двух детекторов, изготовленных из обогащенного 76Ge и природного Ge. Получены новые области исключения (т. е. значения параметров, лежащие выше приведенных кривых, экспериментально исключаются из числа возможных) для масс и сечений упругого рассеяния WIMPs, которые почти вплотную подошли к требующим подтверждения результатам коллаборации DAMA (рис. 12).

Рис. 8. Области исключения для масс и сечений WIMPs при различных вариантах анализа данных баксанского эксперимента IGEX-DM

В целях сравнения также показана область параметров для положительного результата, полученного в эксперименте DAMA.

В частности, дираковские нейтрино с массами от 13 ГэВ до 4.5 ТэВ исключены из кандидатов на роль таких частиц. Анализ данных по исследованию годовых и суточных модуляций потока позволил установить экспериментальные ограничения на амплитуды модуляций на уровне 7% и 4% соответственно.

Как было отмечено ранее, экспоненциально спадающий спектр ядер отдачи при упругом рассеянии WIMPs трудно отличить от спектра шумов детектора, если не вводятся дополнительные "знаки отличия". В Баксанской нейтринной обсерватории был разработан и применен новый метод поиска неупругого взаимодействия WIMPs, использующий уникальную особенность спектра ядра 73Ge -- наличие долгоживущих низколежащих возбужденных уровней (13.3 и 66.7 кэВ). Отбор полезных событий по предложенной схеме регистрации дает рекордно низкий фоновый счет 0.0013 соб./кг (73Ge)-сутки и, следовательно, значительно повышает чувствительность установки, что позволяет на два порядка величины улучшить экспериментальные ограничения на массы и сечения спин-зависимого рассеяния WIMPs. По результатам эксперимента с экспозицией всего 0.13 кг(73Ge)-год исключены WIMPs с массами от 20 ГэВ до 2 ТэВ при сечениях неупругого взаимодействия порядка 10-34.

18 мая 2011года на борту МКС был установлен магнитный альфа-спектрометр

Магнитный альфа-спектрометр (Alpha Magnetic Spectrometer, AMS-02), который прилетел на МКС на борту челнока Endeavour, установлен на свое рабочее место. В ближайшее время Европейский центр ядерных исследований (ЦЕРН) получит контроль над работой устройства и приступит к обработке научных данных, которые собирает AMS-02. Устройство стало самым дорогим и массивным научным прибором из всех установленных на станции: его масса составляет 8,5 т, а стоимость -- около $2 млрд. В создании устройства принимали участие ученые из 16 стран мира.

Магнитный альфа-спектрометр представляет собой физический детектор, позволяющий исследовать высокоэнергетические частицы в космосе. Кроме поиска космических лучей, новинка может искать частицы антиматерии, темной материи и странной материи во Вселенной. "Самое удивительное в этом приборе то, что он может исследовать неизведанное, он может исследователь феномены, которые существуют в природе, но по каким-то причинам пока не были открыты", - говорит физик из Массачусетского технологического института, руководитель данного проекта и нобелевский лауреат Сэмюэль Тинг (Samuel Ting).

Первая попытка запустить в космос детектор высокоэнергетических частиц была предпринята в 1998 году, когда на станцию Мир на борту шаттла Discovery был доставлен прибор AMS-01. За время работы устройство зарегистрировало около 1 млн ядер гелия и подтвердило жизнеспособность концепции по поиску темной материи, что позволило создать более совершенное устройство: на AMS-02 постоянный магнит установлен вместо сверхпроводящего на жидком гелии. Благодаря этому срок службы прибора составит не менее 15 лет.

При создании электронных компонентов инженерам пришлось решать ряд сложных задач, касающихся надежности и безопасности длительной работы устройства в условиях космоса. Высокий уровень космической радиации потребовал создания сверхзащищенной электроники, около 600 отдельных электронных блоков используют особые, разработанные для физики высоких энергий, радиационно-стойкие микросхемы, работающие в 10 раз быстрее обычных, которые применяются для космических полетов

Челнок Endeavour благополучно пристыковался к МКС.

Выполнение задач последней миссии шаттла Endeavour идет по запланированному пути. 18 мая 2011года челнок успешно и без "приключений" пристыковался к шлюзу PMA-2, установленному на модуле Harmony Международной космической станции. На подлете к станции шаттл совершил 360-градусный кувырок, во время которого экипаж МКС осмотрел и сфотографировал обшивку корабля на предмет наличия повреждений. По сообщениям с орбиты повреждений обшивки не обнаружено.

Магнитный альфа-спектрометр (Alpha Magnetic Spectrometer, AMS), с помощью которого космонавты будут собирать данные о составе космических лучей и искать следы антиматерии, темной материи и странной материи. В рамках пребывания шаттла на МКС запланировано четыре выхода астронавтов в открытый космос. Цель работы AMS -- проверка фундаментальных гипотез строения материи и происхождения вселенной.

В 2016-м году планируется запуск космической обсерватории "Гамма 400"

Российское космическое агентство приняло решение о начале следующего этапа работ по проекту "Гамма-400" - "Создание космического комплекса, включающего космическую обсерваторию для исследования гамма-излучения в диапазоне высоких энергий.

По словам Николая Топчиева, заместителя научного руководителя проекта "Гамма-400", ведущего научного сотрудника лаборатории космических лучей Института ФИАН, исследования космического гамма-излучения - высокоэнергичной области (примерно с 0,1 МэВ) электромагнитного спектра - начали развиваться в семидесятые годы прошлого века. В результате наблюдений космическими приборами Гамма-1 (СССР), Egret (США), Agile (Италия), Fermi (США) и наземными установками H. E.S. S. (расположена в Намибии), Magic (на Канарских островах, Испания), Veritas (в Аризоне, США) и др. накоплен большой объем информации. Это данные о галактических и внегалактических источниках гамма-излучения - пульсарах, квазарах, активных галактических ядрах и др., а также о диффузном галактическом гамма-излучении.

Однако около 40% из обнаруженных источников гамма-излучения до сих пор не идентифицированы с источниками, обнаруженными в других диапазонах электромагнитного спектра (оптическом, рентгеновском, радио - и др.). И поэтому природа гамма-излучения в этих источниках не ясна.

Кроме того, измерения проводились с недостаточным энергетическим разрешением - это необходимо, чтобы обнаружить в энергетических спектрах особенности, которые могут быть связаны с процессами аннигиляции или распада частиц темной материи.

В соответствии с Федеральной космической программой РФ на 2006-2015 гг. в ФИАНе совместно с МИФИ и рядом других российских и иностранных (Италия, США и др.) организаций разрабатывается гамма-телескоп "Гамма-400". Этот прибор на специализированной космической обсерватории будет измерять гамма-излучение в диапазоне энергий от 100 МэВ до нескольких тысяч ГэВ. По основным характеристикам - угловое разрешение около 0,01?, энергетическое разрешение - 1% - "Гамма-400" превзойдет существующие установки (космические и наземные) в 5-10 раз. Это позволит ответить на многие вопросы: о природе гамма-излучения в дискретных источниках, о наличии процессов в нашей Галактике, связанных с темной материей" - говорит Николай Топчиев.

В настоящее время продолжается эскизное проектирование космической обсерватории "Гамма-400", в составе которой гамма-телескоп устанавливается на служебной платформе "Навигатор", разрабатываемой НПО им. С. А. Лавочкина. В ходе работ будет окончательно определена физическая схема и конструкция прибора (масса 2600 кг, энергопотребление 2000 Вт, объем научной информации, подлежащей передаче на приемные пункты 100 Гбайт/день), отработаны вопросы взаимодействия с космическим комплексом и наземными пунктами приема информации.

Физики из США предположили, что темная материя может обогревать планеты.

Судьба планет в традиционном представлении зависит от их солнц. Если бы далекие миры могли существовать за счет темной материи, они бы имели значительное конкурентное преимущество перед своими "братьями и сестрами".

Физики из США считают, что за пределами так называемой обитаемой зоны могут существовать планеты, подогреваемые не теплом родительских звезд, а темной материей.

Существование темной материи до сих пор не доказано наверняка. Однако астрономы предполагают, что это малоизученное вещество может составлять львиную долю Вселенной. На сегодняшний день наиболее популярная теория гласит, что темная материя состоит из "вимпов" (WIMP).

С обычным веществом эти частицы контактируют посредством слабого взаимодействия и гравитации. Кроме того, у них есть античастицы, при встрече с которыми "вимпы" аннигилируют, выделяя значительное количество энергии.

Дэн Хупер (Dan Hooper) и Джейсон Стэффен (Jason Steffen) из лаборатории Ферми предположили, что планеты могут притягивать "вимпы" и "антивимпы" своим гравитационным полем и согреваться энергией, выделяющейся при аннигиляции этих частиц.

Земля не смогла бы таким образом произвести достаточно энергии. По самым оптимистичным подсчетам, наша планета наработала бы лишь несколько мегаватт, при том что от Солнца планета получает порядка сотни петаватт.

Но в тех областях космоса, где плотность темной материи выше, более крупные планеты могли бы отлавливать и аннигилировать "вимпы" внутри себя в таком количестве, что вода на их поверхности оставалась бы в жидком состоянии даже без дополнительного подогрева от родительской звезды.

Жизнь в таких мирах могла бы зародиться, эволюционировать и выжить и вовсе в отсутствие солнц, считают ученые.

Физики из Иллинойса также полагают, что рано или поздно планеты, согревающиеся таким образом, будут найдены. Наиболее вероятно, что отыщутся они где-нибудь во внутренних регионах нашей Галактики (примерно в радиусе 30 световых лет от центра Млечного Пути), где плотность темной материи, по расчетам астрономов, выше в сотни и тысячи раз, нежели в Солнечной системе.

Однако ученые пока не имеют в своем арсенале инструменты для поиска таких "темных" планет.

Галактика частица темный материя

Новые эксперименты в Баксанской обсерватории - Поиски Темной материи

Похожие статьи