Получена астрофизическая оценка массы частиц тёмной материи

Сотрудники Университета Брауна (США) рассчитали по астрофизическим данным минимально возможную массу вимпов — слабовзаимодействующих массивных частиц, основных кандидатов на роль составляющих тёмной материи.

Выводы физиков основаны на результатах наблюдений космического гамма-телескопа «Ферми» и некоторых предположениях о свойствах вимпов — в частности, на допущении о том, что они относятся к майорановским фермионам. Частицы такого типа становятся античастицами для самих себя, а это открывает возможность аннигиляции их пар. Каналы аннигиляции вимпов содержат тяжёлые фермионы (скажем, тау-лептоны τ⁺τ^– или b-кварки bb) и калибровочные или хиггсовские бозоны (W⁺W^–, ZH), распады которых изучены довольно хорошо и сопровождаются испусканием гамма-квантов.

Испущенные фотоны и должен регистрировать «Ферми», каким-то образом отделяя полезные «аннигиляционные» события от фоновых. Для решения последней задачи лучше всего подходят карликовые сфероидальные галактики: их отличают высокая плотность тёмной материи, неактивное звездообразование и практически полное отсутствие газа.

Отобранные для исследования карликовые галактики (иллюстрация Koushiappas and Geringer-Sameth / Brown University).

Чтобы оценить параметры вимпов, американцы подготовили довольно большой массив данных, полученных космическим телескопом за три года при наблюдении семи спутников Млечного Пути. В список интересовавших авторов карликовых объектов вошли галактики в созвездиях Волопаса, Дракона, Печи, Скульптора, Секстанта, Малой Медведицы, а также галактика Segue 1. Все они находятся на сравнительно «свободных» участках неба, вдалеке от известных источников гамма-излучения.

Явных признаков аннигиляции частиц тёмной материи учёные, как и ожидалось, не обнаружили. На следующем этапе обработки отрицательный результат переформулировали в виде зависимости максимально возможного сечения аннигиляции, усреднённого по скорости, от массы вимпов. При уменьшении последней графики зависимости, построенной для каналов τ⁺τ^– и bb, опускались ниже минимального сечения в 3•10^–26 см³/с, определённого в прошлом году по данным спутника WMAP. Так как минимально допустимое значение, очевидно, не должно превышать максимальное, пересечение графика и прямой, соответствующей 3•10^–26 см³/с, отмечало нижний предел массы вимпа.

Зависимости максимального сечения аннигиляции от массы приведены на рисунке выше. Хорошо видно, что минимально допустимая масса вимпов оказалась равна 40 (19) ГэВ для канала bb (τ⁺τ^–). Поскольку данные о распределении тёмной материи в карликовых галактиках неточны, интервалы изменения указанных величин, обозначенные штриховкой, также очень широки: в случае bb нижний предел массы может сдвигаться к 240 ГэВ, а в канале τ⁺τ^– — к 80 ГэВ.

Отчёт, содержащий астрофизические оценки параметров вимпов, вскоре будет опубликован в Physical Review Letters. В том же номере журнала выйдет статья коллаборации «Ферми», которая провела аналогичную работу, использовав данные сразу по десяти карликовым сфероидальным галактикам. К уже упомянутым спутникам Млечного Пути были добавлены галактики в созвездиях Киля, Волос Вероники и Большой Медведицы.

Полученные специалистами «Ферми» графики в целом согласуются с рассмотренными выше. Минимальные массы вимпов, рассчитанные для каналов аннигиляции bb и τ⁺τ^–, здесь составляют 27 и 37 ГэВ.

Зависимость максимального сечения аннигиляции от массы вимпов по версии коллаборации «Ферми». Число представленных на рисунке каналов аннигиляции увеличено до четырёх. (Иллюстрация из журнала Physical Review Letters.)