Темная материя

Министерство образования  Республики Беларусь

Учреждение образования 

«Брестский государственный  университет им. А.С.Пушкина»

Физический факультет

Кафедра общей физики

 

 

 

 

 

Темная материя

 

 

 

 

Выполнил:

студент 3 курса

физического факультета, специальность

Физика. Информатика.

Рокало Владимир Викторович

 

 

Научный руководитель: доктор физико-математических наук, профессор

Ревинский Антон Федорович

 

 

 

 

 

 

 

Брест 2012г.

 

Содержание:

1. Свидетельства существования темной материи;
2. Кандидаты на роль частиц темной материи;
1. Нейтрино;
2. Слабовзаимодействующие массивные частицы (вимпы);
3. Сверхслабовзаимодействующие массивные частицы (свимпы);
4. Экзотические барионные кандидаты на роль частиц темной материи;
5. Магнитные монополи;
6. Зеркальные частицы;
3. Поиск частиц темной материи в экспериментах;
4. Прямая регистрация вимпов;
1. Детекторы, регистрирующие заряд;
2. Сцинтилляционные детекторы, регистрирующие свет;
3. Криогенные детекторы, регистрирующие тепло;
4. Детекторы на основе перегретых жидкостей и сверхпроводящих гранул, регистрирующие тепло;
5. Комбинированные детекторы, регистрирующие световой и тепловой сигналы;
6. Комбинированные детекторы, регистрирующие ионизационный и тепловой сигналы;
7. Комбинированные детекторы, регистрирующие световой и ионизационный сигналы;
5. Регистрация сильновзаимодействующей темной материи;
6. Новые перспективные методы регистрации частиц темной материи;
7. Заключение;
8. Список литературы.

 

Введение

Обнаружение существования  темной материи (ТМ) (т.е. материи, не излучающей свет и не наблюдаемой телескопами) имеет фундаментальное значение для космологии, астрофизики и  физики элементарных частиц Недавние астрофизические и космологические  измерения показали, что обычная  материя составляет менее 5 % энергетического  содержания Вселенной, тогда как  природа оставшихся 95 % остается неизвестной. Сложившаяся ситуация представляет собой очередной пример из истории  развития науки, когда исследователи  оказываются перед фактом, заключающимся  в том, что известный мир, о  котором мы, казалось бы, знаем все  или почти все, в действительности составляет лишь малую часть пока еще непознанной Вселенной. Сейчас в различных странах мира проводится множество экспериментов по поиску частиц ТМ (рис. 1) [1] . Однако пока ни в одном из них эти частицы не удалось зарегистрировать. Поиск частиц ТМ и детальное изучение их свойств требует объединения усилий специалистов, работающих в областях как ускорительной, так и неускорительной физики и астрофизики, а также использования различных дополняющих друг друга методов исследования.

Прямая регистрация частиц ТМ, приходящих из гало Галактики, дала бы наиболее определенное доказательство того, что эти частицы ответственны за скрытую массу во Вселенной. Изучение новых частиц в ускорительных экспериментах позволило бы наиболее всесторонне изучить свойства этих частиц. Наконец, непрямое детектирование астрофизических сигналов от возможной аннигиляции частиц ТМ могло бы дать также

 

 Рис. 1. Географическое расположение установок по поиску TM

 

важные сведения, например, о распределении ТМ. Вместе с тем очевидно, что во многих случаях сигналы от непрямых измерений трудно отделить от сигналов, обусловленных астрофизическими источниками. В целом, для детального изучения частиц ТМ требуется разработка и изготовление сложных детекторов, применение материалов, свободных от радиоактивных примесей, и создание подземных лабораторий, обеспечивающих защиту от фона, вызванного космическими лучами.

 

1. Свидетельства существования темной материи

Впервые предположение о существовании  ТМ было высказано в 1933 г. астрономом Ф. Цвики на основе результатов исследований галактических кластеров. Цвики, высказал предположение, что для удержания галактик в составе кластера силами гравитации необходимо большое количество невидимой материи. С этих пор на основе широкого круга самосогласованных астрофизических и космологических данных было получено множество разнообразных и неоспоримых свидетельств существования ТМ на различных масштабах Вселенной.

Наиболее убедительное и  прямое свидетельство существования  ТМ на галактической шкале получено из наблюдения ротационных кривых галактик — графиков круговых скоростей звезд  и газа как функций их расстояния от галактического центра. Звезды и  газ вращаются вокруг центра галактики. Так, например, наша Солнечная система  вращается вокруг центра Галактики  со скоростью около 220 км с^-1. Согласно закону Кеплера полная масса M(r) внутри области радиусом r и скорость вращения v(r) на расстоянии r от центра Галактики связаны соотношением [1]:

,

где:

,

p(r) — распределение плотности вещества.

Рис.1.

Если мы выходим из области оптически наблюдаемого галактического диска, то скорость вращения отдельных удаленных звезд должна уменьшаться с возрастанием r как v(r) ~ r^-1/2. Однако наблюдения не подтверждают такой зависимости. Вместо этого наблюдаются "плоские" ротационные кривые, v(r)const, подобные показанной на рис.1 [2].

Во внешней области галактик, где уже нет звезд, имеется  холодный нейтральный водород, скорость вращения которого также может быть измерена. Такое измерение осуществимо для галактик, которые наблюдаются "сбоку", т.е. вдоль их плоскости. При этом с помощью радиотелескопов проводятся наблюдения эмиссии на длине волны 21 см, соответствующей сверхтонкому расщеплению, которое обусловлено взаимодействием спинов протона и электрона. Вращение галактики приводит к доплеровскому сдвигу линии 21 см, величина которого позволяет оценить скорость вращения газа во внешней области галактики. Как и в случае звезд, оказывается, что скорости вращения газа остаются постоянными далеко за пределами видимой галактики.

Измерения, проведенные с несколькими  сотнями спиральных галактик, показывают, что все эти галактики "погружены" в массивное гало ТМ. Реальные размеры гало до последнего времени определить не удавалось. В последние годы анализ результатов опытов показал, что диаметр темного гало галактик может превосходить видимый диаметр более чем на порядок.

Многочисленные астрономические наблюдения последних лет достаточно определенно указывают на то, что преобладающей составляющей современной Вселенной является экзотическая темная энергия (ТЭ) с практически однородным распределением плотности и отрицательным давлением.

 

2. Кандидаты на роль частиц темной материи

Таким образом, в современной космологии возникла довольно парадоксальная ситуация: количество ТМ известно с высокой  точностью, тогда как ее природа  остается полностью неизвестной. Определение  природы ТМ является одной из наиболее важных проблем современной космологии. Присутствие ТМ во Вселенной наблюдается  исключительно по ее гравитационному  влиянию на поведение астрофизических  систем, находящихся на различных космологических масштабах — от масштабов галактик до космологического горизонта. Хотя для объяснения аномального гравитационного поведения астрофизических объектов предложены альтернативные модели модифицированной гравитации, наиболее естественным объяснением этого парадокса является присутствие во Вселенной пока ненаблюдаемых массивных частиц. В разделах 2.1-2.6 мы рассмотрим наиболее популярных кандидатов на роль частиц ТМ.

1. Нейтрино

После того, как в экспериментах  с солнечными атмосферными и ускорительными нейтрино были обнаружены осцилляции, свидетельствующие о наличии  ненулевых масс нейтрино, стало бесспорным, что нейтрино должны вносить вклад  в ТМ.

Нейтрино — это единственная частица ТМ, которая регистрируется в эксперименте.

Космологический фон реликтовых нейтрино предсказывается космологией Большого взрыва. Нейтрино выходят из термодинамического равновесия, являясь релятивистскими, и поэтому составляют "горячую" ТМ. После реликтовых фотонов такие нейтрино, будучи стабильными, могут представлять собой наиболее распространенные частицы во Вселенной.

В экспериментах по исследованию формы энергетического спектра  электронов в процессе β-распада трития получены наилучшие на сегодня экспериментальные ограничения на массу электронного нейтрино, которые на уровне достоверности 95 % составляют m_v < 2,05 эВ (эксперимент в г. Троицк ) и m_v < 2,3 эВ (эксперимент в г. Майнц ) [1].

Из экспериментально установленного предела нейтринной массы следует  ограничение на полную реликтовую плотность  нейтрино из которого очевидно, что нейтрино не может быть преобладающей компонентой ТМ.

Несмотря на свой малый  вклад в плотность ТМ, нейтрино играет важную роль в космологии, поскольку, имея большую длину взаимодействия, ограничивает развитие малых структур, образовавшихся во Вселенной.

Стерильные нейтрино.

Стерильные нейтрино были предложены в качестве кандидатов на роль частиц ТМ более 15 лет назад [1]. Стерильные нейтрино не участвуют в слабых взаимодействиях, но, обладая массой, могут смешиваться с обычными нейтрино. В качестве возможного указания на существование одного или нескольких невзаимодействующих (нерегистрируемых) стерильных нейтрино, в которые в результате осцилляций могут превратиться в обычных нейтрино. В экспериментах на е⁺е^- - коллайдере LEP (Large Electron-Positron collider) было показано, что существуют только три поколения легких нейтрино.

Первое поколение включает в себя: электрон, электронное нейтрино, d-кварк и u-кварк.

Второе поколение включает в себя: мюон, мюонное нейтрино, s-кварк и c-кварк.

Третье поколение включает в себя: тау-лептон, тау-нейтрино, b-кварк и t-кварк [4].

Если в природе существует более  трех массивных нейтрино, то это  должно рассматриваться как проявление физики за пределами Стандартной модели (СМ).

Стерильные нейтрино должны распадаться на обычные нейтрино СМ c излучением фотонов, энергия которых соответствует примерно половине массы распадающегося нейтрино. Время жизни стерильных нейтрино может быть больше возраста Вселенной, и поэтому стерильные состояния являются практически стабильными.

Экспериментально было получено [1] ограничение на массу стерильного нейтрино:

.

 

2. Слабовзаимодействующие массивные частицы (вимпы)

Одной из наиболее популярных категорий  кандидатов на роль частиц ТМ являются вимпы (название "вимпы" образовано от англ. аббревиатуры WIMPs — Weakly Interacting Massive Particles), которые по предположению были рождены в первые мгновения после Большого взрыва. Термином "вимп" принято называть класс частиц, характеризуемых, прежде всего, такими значениями массы и сечения аннигиляции, которые позволяют им выйти из равновесия в ранней Вселенной с плотностью, характерной для ТМ. Вимпы особенно привлекательны как кандидаты в ТМ ввиду ряда очевидных достоинств. Во-первых, появление вимпов в теоретической физике частиц мотивировано проблемой нарушения электрослабой симметрии. Во-вторых, согласно стандартным космологическим предположениям, их тепловая реликтовая распространенность естественным образом совпадает с той, которая требуется для ТМ. Наконец, требование достаточно эффективной аннигиляции вимпов (для обеспечения соответствующей реликтовой плотности) означает, что взаимодействие вимпов с материей является достаточно сильным для того, чтобы они могли быть обнаружены в прямых экспериментах.

 

3. Сверхслабовзаимодействующие массивные частицы

Сверхслабовзаимодействующие массивные частицы (супервимпы (SuperWIMPs), или свимпы) - новый класс небарионной холодной ТМ

Как и вимпы, свимпы могут быть введены на теоретической основе, включающей в себя суперсимметрию и модели квантовой гравитации с дополнительными размерностями.

Основное отличие свимпов от вимпов заключается в том, что свимпы взаимодействуют с обычной материей сверхслабо, так что не могут быть зарегистрированы ни в каких прямых экспериментах, которые предлагались до сих пор. Единственное наблюдаемое следствие существования свимпов могло бы быть связано с распадами обычных вимпов в свимпы, которые сопровождаются испусканием фотонов и возникновением каскадов. Сигналом о существовании свимпов могло бы стать наличие пика в спектре диффузных -квантов с энергиями ~ 10 кэВ -10 МэВ [1].

В качестве претендентов на роль свимпов рассматриваются гравитино в суперсимметричных теориях и KK-гравитоны в теориях с дополнительными размерностями, а также аксионы и аксино. Пожалуй, наиболее популярным свимпом является аксион, который много лет назад был введен в физику частиц для решения проблемы СР-инвариантности. Сверхслабое взаимодействие аксионов с материей должно свидетельствовать о том, что аксионы не находились в тепловом равновесии в ранней Вселенной.