11 лет в погоне за призраками Вселенной: учёные поймали след антиматерии

На Международной космической станции учёные впервые подробно исследовали космические антипротоны, понаблюдав за ними целый 11-летний цикл солнечной активности. Изучение этих редких форм материи поможет разобраться в устройстве гелиосферы – гигантской области пространства вокруг Солнца размером в 122 астрономические единицы (каждая такая единица равна среднему расстоянию от Земли до Солнца).

Этот космический пузырь в основном заполнен солнечной плазмой, но в нём летают и другие заряженные объекты. Часть из них, с меньшей энергией, вылетает из Солнца, другие, как электроны из магнитосферы Юпитера, прилетают со стороны планет. Но самые интересные – галактические космические лучи, которые проникают к нам из-за пределов Солнечной системы. В основном это протоны и электроны, а также их античастицы.

Их мощь просто колоссальна: от нескольких мега-электронвольт до экса-электронвольт. На верхней границе этого диапазона один протон несёт столько же кинетической энергии, сколько бейсбольный мяч после сильного броска питчера.

Учёные использовали Альфа-магнитный спектрометр (AMS), установленный на МКС. До сих пор мы могли измерить поток антипротонов лишь усреднённо за несколько лет. Теперь же удалось фиксировать их каждые 27 дней в течение всего солнечного цикла. При этом прибор одновременно следил и за другими составляющими космических лучей – протонами, электронами и позитронами.

Большинство галактических космических лучей рождается при взрывах сверхновых звёзд в Млечном Пути, хотя самые энергичные могут прилетать и из других галактик. Изучая их, физики узнают, что происходит в самых далёких уголках космоса. Особенно важны антипротоны определённых энергий – их необычно высокое количество могло бы указать на существование тёмной материи и её аннигиляцию.

Однако увидеть такие сигналы очень сложно: пока материя летит через гелиосферу, она постоянно сталкивается с разного рода препятствиями. Колебания гелиосферного магнитного поля сбивают протоны и электроны с пути, и те начинают двигаться хаотично, как при диффузии. К тому же само поле заставляет их дрейфовать в разных направлениях – куда именно, зависит от заряда.

Картину усложняет то, что сила магнитного поля меняется вместе с 11-летним циклом солнечной активности, а его полярность – с 22-летним циклом. При положительной полярности магнитное поле в северном полушарии гелиосферы смотрит от Солнца, а в южном – к нему. В такие периоды положительно заряженная материя дрейфует к Солнцу от полюсов гелиосферы и уходит от него вдоль особой области – гелиосферного токового слоя, который разделяет области разной полярности.

Когда полярность меняется, все направления дрейфа становятся противоположными. А отрицательно заряженные компоненты космических лучей – электроны и антипротоны – всегда движутся в обратную сторону по сравнению с протонами и позитронами при той же полярности магнитного поля.

Из-за всех этих явлений исходный поток галактических космических лучей, который мы могли бы видеть в межзвёздном пространстве, заметно слабеет. Физики наблюдают за изменениями с 1950-х годов: ловят вторичные нейтроны – продукты столкновения космических лучей с земной атмосферой.

Космического излучения прилетает больше всего в периоды спокойного Солнца и меньше всего – во время его активности. Особенно сильно это заметно для компонентов с низкой энергией. При этом периоды высокой интенсивности во время спокойного Солнца чередуются: после сильного всплеска идёт слабый, потом снова сильный – и так по кругу.

Данные AMS показали: антипротоны подчиняются тем же правилам, что и остальные космические лучи. Чем больше энергия материи, тем меньше на неё влияют дрейф и другие эффекты. Эти сведения помогут проверить существующие теории и точнее описать, как космическое вещество движется в гелиосфере.

Особенно ценно то, что теперь можно одновременно следить за веществом и антивеществом. Сравнивая протоны с антипротонами, учёные смогут лучше разобраться, как работают разные механизмы: хаотическое движение, которое преобладает при активном Солнце, и дрейф, который играет основную роль, когда наше светило ведет себя спокойно.

Когда физики лучше поймут, как солнечная активность влияет на космические лучи, они смогут отделить эти эффекты от других явлений, которые тоже меняют наблюдаемый спектр излучения. В итоге это поможет заметить тонкие проявления новых физических законов, в том числе связанных с тёмной материей.