Ядра антиматерии могут путешествовать по галактике и достигать Земли, не аннигилируя

Эксперименты в космосе, такие как эксперимент с использованием магнитного спектрометра Альфа, пристыкованного к Международной космической станции, ищут легкие ядра антиматерии в надежде найти темную материю. Чтобы выяснить, действительно ли темная материя может быть обнаружена таким образом, ученым необходимо определить «поток» антиядер, которые могут появиться вблизи Земли, где проводятся эти эксперименты. В новом исследовании коллаборация ALICE показывает, что легкие антиядра действительно могут преодолевать большие расстояния в Млечном Пути, не разрушаясь.

ALICE (A Large Ion Collider Experiment) — это специализированный детектор физики тяжелых ионов, установленный на Большом адронном коллайдере (БАК). Он был разработан для изучения физических свойств материи, подверженной сильному взаимодействию при экстремальных плотностях энергии — условиях, в которых может сформироваться кварк-глюонная плазма (первобытное состояние материи, существовавшее сразу после Большого взрыва).

В нашей галактике легкие антиядра — состоящие из антипротонов и антинейтронов — могут образовываться при столкновениях высокоэнергетических космических лучей с межзвездной средой; они также могут образовываться при аннигиляции друг с другом гипотетических частиц, которые могут составлять темную материю. Легкие ядра антиматерии, такие как антидейтерон и антигелий, уже были получены на Земле в ускорителях частиц высоких энергий, но они никогда не наблюдались с уверенностью из космоса.

Определение вероятности исчезновения антигелия-3

«Наблюдение антиядер, таких, как антигелий-3, является одним из наиболее перспективных признаков аннигиляции частиц темной материи, таких как слабо взаимодействующие массивные частицы«, — пишут исследователи в журнале Nature Physics. Чтобы рассчитать ожидаемый поток антиядер вблизи Земли, необходимо точно знать вероятности образования и аннигиляции антиядер в галактике.

Этот поток зависит от таких характеристик, как точный тип источника антиматерии в нашей галактике и скорость, с которой этот источник производит антиядра, а также от скорости, с которой антиядра впоследствии исчезают в результате аннигиляции или поглощения, когда они сталкиваются с обычной материей на своем пути к Земле.

Вероятность образования легких антинуклеусов в настоящее время изучается в ускорителях частиц. Ученые ALICE задались целью определить вероятность исчезновения антигелия-3 при столкновении с обычной материей и его аннигиляции или распаде.

Для этого они изучили, как ядра антигелия-3, полученные в столкновениях тяжелых ионов с протонами на БАК, взаимодействуют с детектором — в данном случае именно материал детектора представляет собой обычную материю, с которой взаимодействуют антиядра. В теории, ядра гелия и антигелия образуются в равном количестве, поэтому исследователи вывели количество аннигилированного антигелия из количества «выживших» ядер.

Затем команда ALICE ввела полученную скорость исчезновения в компьютерную программу GALPROP, которая моделирует распространение космических частиц, включая антиядра, по галактике.
Половина этих частиц может быть обнаружена вблизи Земли

Исследователи изучили две модели потока ядер антигелия-3: в одной модели считается, что эти антиядра возникают в результате взаимодействия космических лучей с межзвездной средой; в другой модели в качестве источника взяты гипотетические частицы темной материи, известные как слабо взаимодействующие массивные частицы (WIMPs).

Для каждой модели команда оценила, насколько прозрачен Млечный Путь для ядер антигелия-3, то есть способность галактики пропускать ядра без поглощения. Для этого команда разделила потоки в зависимости от того, были ли они получены с исчезновением антиядер или без исчезновения антиядер. Для модели, основанной на темной материи, они получили прозрачность около 50 %, тогда как в модели, предполагающей космические лучи, прозрачность варьировалась от 25 до 90 % в зависимости от энергии антиядра.

«Результаты показывают, что ядра антигелия-3 могут преодолевать большие расстояния в галактике, и могут быть использованы для изучения взаимодействия между космическими лучами и аннигиляцией темной материи«, — заключают исследователи. Расстояния, о которых идет речь, порядка нескольких килопарсек.

Это открытие облегчит поиск антиматерии из темной материи в космосе и на стратосферных воздушных шарах — как планирует эксперимент General antiparticle spectrometer (GAPS). «Эти результаты показывают, что поиск легких ядер антиматерии из космоса остается мощным способом поиска темной материи«, — говорит представитель ALICE Лучано Муса.