Проект «PAMELA — ЯрГУ»/Цели проекта — различия между версиями

Текущая версия на 11:33, 3 декабря 2015

Проект посвящен изучению механизмов генерации античастиц (позитронов, антипротонов, антидейтронов и антигелия) в Галактике: в межзвёздной среде и в различных астрофизических объектах.

Впервые позитроны в космических лучах были обнаружены в тридцатых годах прошлого столетия, а открытие галактических антипротонов состоялось спустя еще полвека. Долгие годы основная причина, обусловившая интерес к изучению античастиц была связана с решением проблемы барионной асимметрии Вселенной. Сегодня известно, что космические позитроны и антипротоны могут рождаться во взаимодействиях высокоэнергетической ядерной компоненты космического излучения с межзвёздным газом, поэтому для изучения проблемы барионной асимметрии необходимо зарегистрировать более тяжёлые антиядра. К настоящему времени в космических лучах они не обнаружены, несмотря на попытки поисков. Так, в случае вторичного происхождения антигелия расчетное отношение его потока к потоку обычных ядер гелия мало и не превосходит ~  — . Обнаружение антиядер выше этого значения свидетельствовало бы о существовании доменов антиматерии, которые не исключаются в моделях неоднородного бариосинтеза. Тем не менее, установление верхнего предела на поток антиядер также позволит определить параметры этих моделей. Его наиболее низкое на настоящий момент значение для отношения потоков антигелия и гелия получено в аэростатном эксперименте, однако только в области малых энергий, где поток антиядер от далекого источника будет подавлен как из-за наличия остаточной атмосферы, так и из-за малой длины свободного пробега в Галактике и большого сечения аннигиляции.

В настоящее время интерес к изучению позитронов и антипротонов по-прежнему сохраняется и определяется поисками решения проблем генерации, ускорения и распространения космических лучей в Галактике. В частности, изучение потоков позитронов и антипротонов может помочь решению одной из основных современных астрофизических проблем — выяснению природы тёмной материи, т. е. исследованию свойств гипотетических массивных слабовзаимодействующих частиц (ВИМПов, от англ. WIMP – Weakly Interacting Massive Particle). Их существование выходит за рамки стандартной модели физики элементарных частиц и рассматривается в моделях суперсимметрии, многомерного пространства, техницвета и др. Одно из предполагаемых принципиальных свойств ВИМПов — их взаимная аннигиляция с образованием пар из частиц и античастиц, например, электронов/позитронов или протонов/антипротонов. Сегодня также рассматривается возможность распада частиц тёмной материи с образованием антилептонов или антибарионов. Особый интерес к этим источникам вызывает возможность с их помощью объяснить «аномальный эффект «ПАМЕЛЫ»», связанный с обнаруженным значительным превышением доли позитронов в космическом излучении над предсказанием модели их только вторичного образования.

В 1970-x годах С. Хокинг и Я. Б. Зельдович предположили возможность образования небольших черных дыр из-за неоднородностей плотности материи на раннем этапе развития Вселенной. В дальнейшем, в процессе своего испарения они могут быть источником позитронов, антипротонов или антидейтронов. Этот процесс может быть понят, как квантовое рождение частиц из вакуума внешним полем. Хотя это очень похоже на рождение частиц под действием электрического поля, процесс Хокинга имеет существенное отличие: так как состояние с отрицательной энергией заключено внутри черной дыры, только одна из созданных частиц может появляться за пределами горизонта событий и улететь в космическое пространство. Теоретические оценки показывают, что античастицы, рождённые в результате испарения первичных чёрных дыр будут иметь относительно не большие энергии (меньше или порядка нескольких ГэВ/нук.).

Измерения, проводимые до начала эксперимента «ПАМЕЛА», не смогли ответить на многие поставленные вопросы из-за больших статистических ошибок и узкого энергетического диапазона. В июне 2006 года на околоземную орбиту был запущен космический аппарат "Ресурс-ДК1" с установленной на борту научной аппаратурой "ПАМЕЛА", созданной в рамках российско-итальянской коллаборации. Магнитный спектр «ПАМЕЛА» специально предназначен для решения перечисленных выше задач, что повышает актуальность настоящего проекта, который будет основан на данных этого космофизического эксперимента. Проведение измерений на околоземной орбите позволяет непосредственно изучать галактическую компоненту космического излучения за пределами остаточной атмосферы.

Заявленная в проекте работа будет состоять из нескольких логических частей.

1. Обработка научных данных магнитного спектрометра «ПАМЕЛА» с использованием созданных в рамках проекта современных физических и математических методов.
2. Теоретические расчёты интенсивности позитронов, антипротонов, антидейтронов и антигелий в различных астрофизических источниках (сверхновые, "тёмная" материя, первичные чёрные дыры), а также на орбите Земли, для чего будут усовершенствованы модели распространения космических лучей в межзвёздной среде и гелиосфере.
3. Анализ экспериментальных результатов с учётом теоретических предсказаний.