И каков же он? Если ТМ состоит из частиц, приходящихся самим себе античастицами (как это происходит у фотонов, Z-частиц и частиц Хиггса, и, вероятно, нейтрино), то возможно, что две частицы ТМ встретят друг друга и аннигилируют (точно так же, как могут аннигилировать электрон с позитроном, или два фотона), превратившись во что-то другое, что мы, вероятно, сможем засечь — например, в два фотона, или в любую другую частицу и её античастицу. Окажемся ли мы способны засечь этот эффект — зависит от множества неизвестных нам вещей. Но нет ничего плохого в том, чтобы искать это явление, и есть очень хорошая причина попытаться.
Как же мы надеемся его обнаружить?
Рис. 1
Сперва нам нужно посмотреть в центр нашей галактики, Млечный путь. Точно так же, как ДТП скорее всего получится увидеть в плотном трафике в час пик, столкновения частиц тёмной материи вероятнее всего можно будет наблюдать там, где её плотность наибольшая. А наибольшая она в центрах галактик. Причина в том, что (см. рис. 1) вокруг галактик и звёзд формируются большие куски тёмной материи — на самом деле, большая часть массы Млечного пути составляет тёмная материя, распределённая по грубой сфере, хотя её точная структура неизвестна и, вероятно, довольно сложна. Звёзды и большие атомные облака, из которых они формируются, составляют вращающийся диск со спиральными рукавами, расположенный внутри этой большой сферы и обладающий шаром из звёзд (балдж) в центре. Звёзды в диске и балдже, вероятно, скапливаются в местах наибольшей концентрации ТМ. Так что столкновения и последующая аннигиляция, приводящая к появлению частиц, которые мы потенциально способны засечь, может происходить вблизи центра галактики, поэтому нам нужно разработать научные инструменты, способные смотреть в этом направлении и выискивать намёки на то, что такие аннигиляции происходят.
К несчастью, намёки получить не так просто, поскольку существует не так уж много типов известных частиц, которые, будучи созданными в аннигиляции тёмной материи недалеко от центра Галактики, способны дойти до Земли. Единственные достаточно долго живущие частицы, способные достичь Земли, это электроны, антиэлектроны (позитроны), протоны, антипротоны, несколько других стабильных атомных ядер (гелий), нейтрино, антинейтрино и фотоны. Но нейтрино (и антинейтрино) чрезвычайно сложно обнаружить, а почти все остальные частицы обладают электрическим зарядом, поэтому их пути искривляются и закручиваются в магнитном поле Галактики, из-за чего они так и не достигают Земли. Также это гарантирует, что если бы они дошли до нас, мы не могли бы сказать, пришли ли они из центра Галактики или нет. Остаются фотоны, как единственные частицы, которые, во-первых, могут перемещаться прямо из центра Галактики к Земле, и во-вторых, легко обнаруживаются.
Рис. 2
Хороший намёк на аннигиляцию ТМ могут дать необычные высокоэнергетические фотоны, идущие из центра Галактики, и более практически ниоткуда (рис. 2).
Однако у этой стратегии есть множество препятствий. В центре Галактики собрано множество необычных астрономических объектов, также испускающих высокоэнергетические фотоны. Как отличить фотоны, исходящие от аннигиляции ТМ, и фотоны, идущие от неизвестного класса звёздных процессов, который может быть больше распространён в центре Галактики, чем где-либо ещё?
Ответ: непросто, за исключением одного особого случая. Если частицы ТМ (обладающие некоей определённой массой, допустим, M), могут иногда аннигилировать, превращаясь ровно в два фотона, тогда у обоих этих фотонов энергия движения будет равна (с очень хорошей точностью) энергии массы Mc2 частиц тёмной материи. Причина простая — она описана в статье про аннигиляцию частиц и античастиц и указана на рис. 3.
Рис. 3
Если частица и античастица практически покоятся, тогда энергия каждой из них практически полностью содержится в массе и почти точно равна Mc2. Импульсы обеих почти нулевые. Энергия и импульс сохраняются, поэтому общая энергия примерно равна 2 Mc2 до и после аннигиляции. Когда частица и античастица превращаются в другую частицу и античастицу, энергии их обеих будут равны Mc2. Обычно это будет смесь энергии массё+ы и энергии движения. В случае, когда конечные частица и античастица оказываются фотонами, не имеющими массы и, соответственно, энергии массы, вся их энергия будет энергией движения.
Нам неизвестна масса M частицы ТМ, и нам неизвестна энергия итоговых фотонов. Но поскольку как у всех электронов масса одинакова, и у всех протонов масса одинаково, так и у всех частиц ТМ масса одинакова, каждая аннигиляция ТМ приведёт к появлению двух фотонов с энергией, почти равной Mc2. А это значит, что если мы при помощи специального телескопа проведём измерения высокоэнергетических фотонов, исходящих из района, близкого к центру Галактики, и построим график количества фотонов от их энергии, следует ожидать, что многие астрофизические процессы создадут множество фотонов с различными энергиями, которые сформируют плавный фон, но процессы, происходящие с ТМ, добавят кучку фотонов одинаковой энергии — всплеск, высящийся над фоном (см. рис. 4). Практически невозможно представить себе астрономический объект, какую-нибудь странную звезду, который был бы достаточно прост для создания такого всплеска — поэтому сигнал в виде узкого всплеска будет явным свидетельством процесса аннигиляции пар частиц ТМ.
Рис. 4
И это очень мощный способ поиска ТМ. Он не будет работать, Если частицы ТМ не будут античастицами для самих себя и не смогут аннигилировать. Он не сработает, если частицы ТМ не очень часто производят фотоны при аннигиляции. Но он может сработать. И уже есть попытки, самая интересная из которых — использование космического гамма-телескопа Fermi, эксперимента со спутником, работающим в космосе и измеряющим фотоны, идущие со всех концов неба, включая и те, что идут из центра Галактики.
Источник
