Отримано астрофізичну оцінку маси частинок темної матерії

Виконані гамма-телескопом «Фермі» спостереження карликових галактик — супутників Чумацького Шляху — допомогли американським фізикам оцінити переріз анігіляції вімпів, гіпотетичних частинок темної матерії, та визначити їхню мінімально можливу масу.

Співробітники Браунського університету (США) розрахували за астрофізичними даними мінімально можливу масу вімпів — масивних частинок зі слабкою взаємодією, основних кандидатів на роль складників темної матерії.

Висновки фізиків ґрунтуються на результатах спостережень космічного гамма-телескопа «Фермі» і деяких припущеннях про властивості вімпів — зокрема, на припущенні, що вони належать до майоранівських ферміонів. Частинки такого типу є античастинками самі для себе, а це відкриває можливість анігіляції їхніх пар. Канали анігіляції вімпів містять важкі ферміони (скажімо, тау-лептони τ⁺τ^– або b-кварки bb) і калібрувальні або гіґґсівські бозони (W⁺W^–, ZH), розпади яких досить добре вивчені й супроводжуються випусканням гамма-квантів.

Випущені фотони й має реєструвати «Фермі», певним чином відокремлюючи корисні «анігіляційні» події від фонових. Для розв'язання останнього завдання найкраще підходять карликові сфероїдальні галактики: їх вирізняють висока густина темної матерії, неактивне зореутворення та практично повна відсутність газу.

Відібрані для дослідження карликові галактики (ілюстрація Koushiappas and Geringer-Sameth / Brown University).

Щоб оцінити параметри вімпів, американці підготували досить великий масив даних, отриманих космічним телескопом за три роки спостережень семи супутників Чумацького Шляху. До переліку карликових об'єктів, які цікавили авторів, увійшли галактики в сузір'ях Волопаса, Дракона, Печі, Скульптора, Секстанта, Малої Ведмедиці, а також галактика Segue 1. Усі вони розташовані на порівняно «вільних» ділянках неба, далеко від відомих джерел гамма-випромінювання.

Явних ознак анігіляції частинок темної матерії вчені, як і очікувалося, не виявили. На наступному етапі опрацювання негативний результат переформулювали у вигляді залежності максимально можливого перерізу анігіляції, усередненого за швидкістю, від маси вімпів. Зі зменшенням останньої графіки залежності, побудованої для каналів τ⁺τ^– і bb, опускалися нижче мінімального перерізу 3•10^–26 см³/с, визначеного минулого року за даними супутника WMAP. Оскільки мінімально допустиме значення, очевидно, не має перевищувати максимального, перетин графіка та прямої, що відповідає 3•10^–26 см³/с, позначав нижню межу маси вімпа.

Залежності максимального перерізу анігіляції від маси наведено на малюнку вище. Добре видно, що мінімально допустима маса вімпів виявилася рівною 40 (19) ГеВ для каналу bb (τ⁺τ^–). Оскільки дані про розподіл темної матерії в карликових галактиках неточні, інтервали зміни зазначених величин, позначені штрихуванням, також дуже широкі: у випадку bb нижня межа маси може зміщуватися до 240 ГеВ, а в каналі τ⁺τ^– — до 80 ГеВ.

Звіт, що містить астрофізичні оцінки параметрів вімпів, незабаром буде опубліковано в Physical Review Letters. У тому самому номері журналу вийде стаття колаборації «Фермі», яка провела аналогічну роботу, використавши дані одразу про десять карликових сфероїдальних галактик. До вже згаданих супутників Чумацького Шляху додали галактики в сузір'ях Кіля, Волосся Вероніки та Великої Ведмедиці.

Отримані фахівцями «Фермі» графіки загалом узгоджуються з розглянутими вище. Мінімальні маси вімпів, розраховані для каналів анігіляції bb і τ⁺τ^–, тут становлять 27 і 37 ГеВ.

Залежність максимального перерізу анігіляції від маси вімпів за версією колаборації «Фермі». Кількість наведених на малюнку каналів анігіляції збільшено до чотирьох. (Ілюстрація з журналу Physical Review Letters.)

Підготовлено за матеріалами Браунського університету.

Лише зареєстровані користувачі можуть залишати коментарі. Увійдіть або зареєструйтеся.