Как увидеть распад тёмной материи в гравитоны: физики впервые рассчитали время жизни невидимых частиц

Тёмная материя занимает центральное место в современной астрофизике и космологии. Ученые знают о её существовании благодаря гравитационным эффектам: скорость вращения галактик, движение их скоплений и искривление света в космосе свидетельствуют о том, что во Вселенной присутствует огромное количество массы, которую мы не можем увидеть напрямую. На долю тёмной материи приходится около 84% всего вещества во Вселенной. При этом её физическая природа и состав до сих пор остаются неизвестными.

Большинство существующих гипотез предполагает, что тёмная материя состоит из пока не открытых элементарных частиц. Если эти частицы нестабильны, они должны со временем распадаться на более простые компоненты. Наземные и космические детекторы уже много лет пытаются зафиксировать следы такого распада.

В традиционных экспериментах физики ищут привычные частицы Стандартной модели: фотоны (частицы света), электроны, позитроны или нейтрино. Если распад происходил бы с их образованием, астрономы зафиксировали бы избыток соответствующего излучения в тех областях космоса, где тёмной материи больше всего — например, в центре нашей Галактики.

Однако существует фундаментально сложный физический сценарий: частицы тёмной материи могут распадаться исключительно на гравитоны — гипотетические частицы, которые переносят гравитационное взаимодействие.

В этом случае стандартные методы поиска оказываются бесполезными. Гравитоны взаимодействуют с обычным веществом крайне слабо. Они свободно проходят сквозь любые планеты, звезды и детекторы, не оставляя прямых следов. До последнего времени попытка зарегистрировать такой канал распада казалась невыполнимой задачей.

В исследовании, опубликованном в научном журнале Physical Review D, физики Дэвид Дански, Гордан Крняич и Елена Пинетти предложили физически обоснованное решение этой проблемы. Они доказали, что гравитоны от распада тёмной материи можно зафиксировать косвенным путем, используя природные процессы, происходящие в магнитных полях в межгалактическом пространстве.

Превращение гравитонов в свет: физический механизм

Чтобы понять, как зарегистрировать гравитоны, необходимо обратиться к физическому процессу, который в 1962 году описал физик Михаил Герценштейн. Этот процесс называется эффектом Герценштейна.

Его суть заключается в следующем: когда гравитон движется сквозь область, в которой присутствует внешнее магнитное поле, существует определенная вероятность того, что он трансформируется в фотон — то есть в частицу света. Происходит и обратный процесс: фотон при движении в магнитном поле может превратиться в гравитон.

Вероятность такого превращения напрямую зависит от трех физических параметров:

1. Напряженность магнитного поля: чем выше напряженность, тем выше вероятность превращения.
2. Энергия частицы: энергия определяет характеристическую длину, на которой происходят осцилляции.
3. Пространственная протяженность магнитного поля: расстояние, которое частица проходит сквозь область с полем.

Для частиц высоких энергий вероятность превращения за короткое время невероятно мала. Чтобы гравитон высоких энергий с ощутимой вероятностью трансформировался в фотон, он должен преодолеть огромное расстояние внутри магнитного поля. Это расстояние измеряется миллионами и миллиардами световых лет.

В лабораторных условиях на Земле провести такой эксперимент невозможно. Создать магнитное поле протяженностью в миллиарды световых лет человечество не способно. Более того, даже пространственных масштабов нашей Галактики недостаточно для того, чтобы гравитон успел превратиться в фотон. Однако в масштабах всей Вселенной существуют структуры, которые обеспечивают необходимые условия.

Межгалактические газовые нити как среда конверсии

Вещество во Вселенной распределено неравномерно. Галактики и их скопления объединяются в крупные структуры, между которыми протянулись гигантские нитевидные образования из плазмы и газа. В научной литературе эти структуры называют межгалактическими нитями или филаментами. Филаменты представляют собой протяженные каналы из разреженного газа, которые соединяют отдельные галактические скопления между собой.

Эти межгалактические нити занимают от 10% до 30% всего объема Вселенной. Их длина составляет миллионы световых лет, а толщина — от одного до трех мегапарсек (один мегапарсек равен примерно 3,26 миллиона световых лет).

Важное свойство межгалактических нитей заключается в том, что внутри них присутствуют магнитные поля. Хотя эти поля очень слабые (их напряженность составляет от 10 до 100 наногаусс, что в миллионы раз слабее магнитного поля Земли), они обладают важной характеристикой: их направление остается постоянным на расстояниях в миллионы световых лет. Это свойство в физике называется высокой длиной когерентности.

Когда частица тёмной материи распадается в ранней Вселенной и испускает гравитон высокой энергии, этот гравитон начинает движение сквозь космическое пространство. По пути к Земле он преодолевает миллиарды световых лет и пересекает тысячи межгалактических нитей.

Внутри каждой отдельной нити вероятность превращения гравитона в фотон остается очень низкой. Однако, поскольку гравитон проходит сквозь огромное количество таких нитей на протяжении миллиардов лет, вероятности превращения в каждом отдельном участке суммируются. В результате определенная часть гравитонов неизбежно трансформируется в фотоны высокой энергии — гамма-кванты.

Путь гамма-излучения до Земли и особенности сигнала

Фотоны, которые образовались из гравитонов внутри межгалактических нитей, не доходят до наблюдателей на Земле в своем первоначальном состоянии. Поскольку они обладают огромной энергией (от гигаэлектронвольт до петаэлектронвольт), во время движения сквозь космос они неизбежно сталкиваются с фоновым излучением Вселенной — реликтовым излучением и светом далеких галактик.

В результате этих столкновений происходит физический процесс рождения пар: высокоэнергетический фотон взаимодействует с фоновым фотоном, образуя пару частиц — электрон и позитрон.

Затем эти новые частицы сталкиваются с другими фотонами низкой энергии и передают им часть своей кинетической энергии (процесс обратного комптоновского рассеяния). Этот цикл повторяется многократно и носит название электромагнитного каскада.

В ходе электромагнитного каскада первоначальный высокоэнергетический фотон порождает целый поток вторичных фотонов с меньшей энергией. К тому моменту, когда это излучение достигает Земли, оно превращается в непрерывный спектр гамма-лучей средних и низких энергий.

В астрофизике это излучение формирует так называемый изотропный внегалактический гамма-фон. Это равномерное фоновое свечение космоса в гамма-диапазоне, которое приходит со всех сторон небесной сферы с одинаковой интенсивностью.

Сигнал от распада тёмной материи в гравитоны обладает двумя критически важными свойствами, которые позволяют отличить его от других астрофизических процессов:

• Отсутствие сигнала из Центра Галактики: при обычном распаде тёмной материи самый сильный поток излучения фиксируется из центра нашей Галактики, так как именно там сосредоточена наибольшая масса тёмной материи. Но при распаде в гравитоны центр Галактики не дает никакого видимого сигнала. Размеры нашей Галактики слишком малы, и гравитон не успевает превратиться в фотон за время пролета сквозь неё.
• Изотропность потока: излучение формируется только при длительном движении гравитонов сквозь межгалактические нити на космологических расстояниях. Поэтому рождающийся поток гамма-лучей распределен по небу абсолютно равномерно.

Если астрономы регистрируют избыток гамма-излучения, который поступает со всех точек неба с одинаковой интенсивностью, но полностью отсутствует в центре Млечного Пути, это служит прямым физическим указанием на распад тёмной материи с образованием гравитонов.

Первые расчеты и полученные результаты

Авторы исследования использовали имеющиеся астрономические данные для проверки своей теории. Они взяли результаты измерений изотропного внегалактического гамма-фона, полученные космическим гамма-телескопом Fermi-LAT, который работает на околоземной орбите.

Физики рассчитали, какое количество гамма-квантов должно было образоваться во Вселенной, если бы тёмная материя распадалась на гравитоны с той или иной скоростью. Поскольку телескоп Fermi-LAT показывает четко измеренную интенсивность фонового гамма-излучения, реальный поток фотонов от превращения гравитонов не может превышать эти наблюдаемые значения.

На основе этого сравнения ученые впервые в истории вывели экспериментальные ограничения на время жизни тёмной материи для данного канала распада. Расчеты проводились для широкого диапазона масс частиц тёмной материи — от 0,1 гигаэлектронвольта до 100 миллионов гигаэлектронвольт.

Результаты расчетов показали: если частицы тёмной материи имеют массу порядка 2 тераэлектронвольт и распадаются на гравитоны, то минимальное время их жизни должно составлять не менее 10 в 19-й степени секунд (десять квинтиллионов секунд).

Чтобы оценить эту величину, её можно сравнить с возрастом Вселенной, который составляет примерно 4 на 10 в 17-й степени секунд (около 13,8 миллиарда лет). Таким образом, минимальное время жизни тёмной материи в этом сценарии превышает возраст Вселенной более чем в 20 раз. Если бы частицы тёмной материи распадались быстрее, телескоп Fermi-LAT зафиксировал бы значительно более интенсивный гамма-фон, чем тот, который наблюдается в действительности.

Источники неопределенности и будущие наблюдения

Точность полученных ограничений на данный момент ограничена неполнотой данных о физических свойствах самих межгалактических нитей. Ученым известно о наличии магнитных полей внутри нитей, однако их точная средняя напряженность остается предметом уточнения.

В своих базовых расчетах физики использовали среднее значение напряженности в 100 наногаусс. Если будущие наблюдения покажут, что реальные магнитные поля в нитях сильнее, вероятность превращения гравитонов в фотоны возрастет. Это позволит сделать выведенные ограничения на время жизни тёмной материи еще более строгими.

В ближайшие годы точность расчетов существенно повысится благодаря вводу в эксплуатацию новых астрономических инструментов:

1. Уточнение параметров магнитных полей: радиоинтерферометры нового поколения, такие как Square Kilometre Array (SKA) и ngVLA, а также космические рентгеновские обсерватории Athena и XRISM смогут точно измерить напряженность и структуру магнитных полей внутри межгалактических нитей. Это снимет главную теоретическую неопределенность в модели.
2. Повышение чувствительности гамма-телескопов: планируемый к запуску космический гамма-телескоп APT (Advanced Particle-astrophysics Telescope) будет обладать чувствительностью к гамма-излучению, превышающей показатели Fermi-LAT примерно в десять раз. APT сможет распознать и исключить из наблюдений множество слабых точечных источников излучения (например, далекие активные ядра галактик). Это позволит выделить чистый изотропный гамма-фон и либо обнаружить в нем следы превращения гравитонов, либо увеличить точность ограничений на время жизни тёмной материи еще на порядок.

Значение работы для фундаментальной физики

До публикации этой работы считалось, что распад тёмной материи на гравитоны находится за пределами возможностей косвенных методов наблюдения. Ученые не имели никаких экспериментальных ограничений для этого сценария и могли строить только теоретические предположения.

Разработанный метод показал, что даже крайне слабые процессы, связанные с гравитационным взаимодействием на уровне элементарных частиц, оставляют физические следы при движении сквозь масштабы всей Вселенной. Объединение теоретических моделей физики частиц с астрономическими наблюдениями за межгалактической средой позволило перевести гипотезу о распаде тёмной материи в гравитоны в категорию экспериментально проверяемых научных гипотез.

Источник: Physical Review D