Поиски частиц темной материи
Курсовой проект - Физика
Другие курсовые по предмету Физика
щения 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.
2.1 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 ?-распада трития получены наилучшие на сегодня экспериментальные ограничения на массу электронного нейтрино, которые на уровне достоверности 95 % составляют mv < 2,05 эВ (эксперимент в г. Троицк) и mv < 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:
.
2.2 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 анн