Как рождаются галактики и что удерживает их вместе? Астрономы предполагают, что темная материя играет существенную роль. Однако до сих пор не удалось напрямую доказать, что темная материя существует. Исследовательская группа, включающая ученых Мюнхенского технического университета (TUM), теперь впервые измерила выживаемость ядер антигелия из глубин галактики — необходимое условие для косвенного поиска темной материи.

Многое указывает на существование темной материи. То, как галактики движутся в галактических скоплениях, или то, как быстро звезды вращаются вокруг центра галактики, приводит к вычислениям, которые указывают на то, что там должно присутствовать гораздо больше массы, чем мы можем видеть. Например, примерно 85 процентов нашего Млечного Пути состоит из вещества, которое невидимо и которое можно обнаружить только на основе его гравитационных эффектов. На сегодняшний день до сих пор не удалось напрямую доказать существование этого материала.

Несколько теоретических моделей темной материи предсказывают, что она может состоять из частиц, которые слабо взаимодействуют друг с другом. При этом образуются ядра антигелия-3, которые состоят из двух антипротонов и одного антинейтрона. Эти ядра также образуются при столкновениях высокой энергии между космическим излучением и обычной материей, такой как водород и гелий, однако с энергиями, отличными от тех, которые можно было бы ожидать при взаимодействии частиц темной материи.

В обоих процессах античастицы возникают в глубинах галактики, на расстоянии нескольких десятков тысяч световых лет от нас. После их создания часть из них прокладывает себе путь в нашем направлении. То, сколько из этих частиц переживут это путешествие невредимыми и достигнут окрестностей Земли в качестве вестников процесса их образования, определяет прозрачность Млечного Пути для ядер антигелия.

До сих пор ученые могли лишь приблизительно оценить это значение. Однако улучшенная аппроксимация прозрачности, единицы измерения количества и энергии антиядер, будет важна для интерпретации будущих измерений антигелия.

Ускоритель частиц БАК как фабрика антивещества

Исследователи из коллаборации ALICE теперь провели измерения, которые впервые позволили им более точно определить прозрачность. ALICE расшифровывается как эксперимент на большом ионном коллайдере и является одним из крупнейших экспериментов в мире по изучению физики в мельчайших масштабах длины. АЛИСА является частью Большого адронного коллайдера (БАК) в ЦЕРНЕ.

БАК может генерировать большое количество легких антиядер, таких как антигелий. Для этого каждый из протонов и атомов свинца направляется курсом столкновения. Столкновения вызывают потоки частиц, которые затем регистрируются детектором эксперимента ALICE. Благодаря нескольким подсистемам детектора исследователи могут затем обнаружить образовавшиеся ядра антигелия-3 и проследить их следы в материале детектора.

Это позволяет количественно оценить вероятность того, что ядро антигелия-3 будет взаимодействовать с материалом детектора и исчезнет. Ученые из TUM и Excellence Cluster ORIGINS внесли значительный вклад в анализ экспериментальных данных.

Галактика прозрачна для антиядер

Используя моделирование, исследователи смогли перенести результаты эксперимента ALICE на всю галактику. Результат: около половины ядер антигелия-3, которые, как ожидалось, должны были образоваться при взаимодействии частиц темной материи, достигли бы окрестностей Земли. Таким образом, наш Млечный Путь на 50 процентов проницаем для этих антиядер.

Для антиядер, образующихся при столкновениях космического излучения с межзвездной средой, результирующая прозрачность изменяется от 25 до 90 процентов с увеличением импульса антигелия-3. Однако эти антинуклеусы можно отличить от тех, что образуются из темной материи, основываясь на их более высокой энергии.

Это означает, что ядра антигелия могут не только перемещаться на большие расстояния по Млечному пути, но и служить важными информаторами в будущих экспериментах: в зависимости от того, сколько антиядер прибудет на Землю и с какими энергиями, происхождение этих хорошо путешествующих посланников может быть интерпретировано как космические лучи или темная материя благодаря новые расчеты.

Ориентир для будущих измерений антиядер в космосе

"Это отличный пример междисциплинарного анализа, который иллюстрирует, как измерения на ускорителях частиц могут быть напрямую связаны с изучением космических лучей в космосе", - говорит ученый ORIGINS проф. Лаура Фаббиетти из школы естественных наук TUM.

Результаты эксперимента ALICE на БАКЕ имеют большое значение для поиска антивещества в космосе с помощью модуля AMS-02 (Альфа-магнитный спектрометр) на Международной космической станции (МКС). Начиная с 2025 года эксперимент GAPS на воздушном шаре над Арктикой также будет исследовать поступающие космические лучи на предмет антигелия-3.

Работа опубликована в журнале Nature Physics.