Поиск нейтрино от аннигиляции слабовзаимодействующих частиц
Существование темной материи во Вселенной
обсуждается достаточно давно в связи с проблемой образования
галактик и объяснения ряда других астрофизических явлений
(галактические ротационные кривые, динамическая масса скоплений
галактик) (Долгов и др., 1988). Теория нуклеосинтеза в ранней
Вселенной (Olive et al., 2000) на основе экспериментальных данных об
отношении плотности легких элементов (D, He, Li) к плотности
водорода позволяет предсказать полную плотность барионов в
современную эпоху. Существенное уточнение доли небарионной темной
материи достигнуто в последнее время из анализа данных экспериментов
Boomerang (Lange, 2001) и MAXIMA (Balbi et al., 2000), изучающих
угловое распределение температуры реликтового излучения, и из
изучения зависимости светимости сверхновых первого рода от красного
смещения (Perlmutter et al., 1999). Полная плотность материи равна
критической плотности (ρcr = 3H/8πG, H – постоянная
Хаббла, G – гравитационная постоянная) с точностью порядка 20% в
хорошем согласии с теорией инфляционной Вселенной. Барионы вносят
порядка 0.02/h2 в полную плотность
(h ≈ 0.6÷0.7, параметр h входит в оценку плотности из-за
неопределенности в измерении постоянной Хаббла), примерно 25 - 30%
плотности составляет небарионная темная материя, 60 - 65% - полной
плотности приходится на энергию вакуума (космологический член).
Теория предоставляет большой выбор кандидатов на роль
небарионной темной материи: аксионы, суперсимметричные частицы,
космионы, магнитные монополи, странглеты и множество других (см.
таблицу 9.1 книги Клабдора-Клайнгротхауса и Шмидта, 1997). Понятие
WIMP (слабовзаимодействующие массивные частицы) используется для
обозначения частиц с массой большей нескольких ГэВ, которые
принимают участие только в слабом взаимодействии. Методы поиска WIMP
делятся на прямые (при этом пытаются зарегистрировать ядро отдачи
при взаимодействии WIMP с веществом детектора) и косвенные,
основанные на регистрации продуктов взаимной аннигиляции WIMP,
захваченных Землей или Солнцем. Задача нейтринных телескопов при
этом состоит в обнаружении избыточного на фоне атмосферных нейтрино
потока нейтрино из центральных областей Земли или от Солнца. Одним
из наиболее популярных кандидатов на роль WIMP является легчайшая
суперсимметричная частица (LSP). В минимальном суперсимметричном
расширении Стандартной модели (MSSM) роль LSP играет нейтралино –
собственное состояние с минимальной массой линейной комбинации
фотино, зино и двух хиггсино (Mohapatra, 1986):
Масса нейтралино и коэффициенты ai
определяются четырьмя параметрами: массой легчайшего s-скаляра
Хиггса h0, двумя нефизическими массовыми параметрами M2 и μ
и tanβ, равным отношению вакуумных ожиданий Хиггсовских бозонов v2/v1.
Зная эти параметры, можно выполнить полный расчет скорости захвата
нейтралино Землей или Солнцем и скорости аннигиляции, предполагая
локальную плотность нейтралино в солнечной системе равную ожидаемой
плотности темной материи (~0.3 ГэВ/см3),
рассчитать поток и энергетические спектры нейтрино и далее
рассчитать ожидаемый поток мюонов от нейтрино (Bottino et al.,
1995). Ожидаемый поток мюонов простирается в зависимости от
параметров модели от 10-13 см-2 сек-1
до 10-17 см-2 сек-1. Существующие
пределы на поток мюонов от нейтрино из центра Земли или от Солнца
находятся на уровне 10-14 см-2 сек-1
и позволяют ограничить допустимую область параметров модели. Ввод в
строй нейтринного детектора объемом 1 км3 позволит понизить этот
предел до уровня 10-16 см-2 сек-1
или зарегистрировать избыточный сигнал.
Заключение
Последние десять лет
были очень плодотворны для нейтринной астрофизики. При исследовании
атмосферных нейтрино сделано фундаментальное открытие – осцилляции
нейтрино. Решена проблема солнечных нейтрино, причем решение
оказалось связано с осцилляциями нейтрино в веществе – эффект
Михеева, Смирнова, Волфенстейна. С учетом осцилляций нейтрино
результаты всех экспериментов оказались в прекрасном согласии с
потоками нейтрино, предсказанными Стандартной Солнечной моделью.
Вошли в строй и дали первые физические результаты масштабные
нейтринные телескопы в естественных средах - НТ200 на Байкале и
АМАНДА на Южном полюсе.
Ближайшие десять лет будут не менее интересны. Количественное
исследование осцилляций нейтрино будет проводится в экспериментах с
"дальними" нейтрино от ускорителей. Для этих экспериментов создаются
новые уникальные детекторы. Продолжится исследование солнечных
нейтрино на существующих и вновь создаваемых установках.
Существенный прогресс ожидается в области высоких энергий. Войдут в
эксплуатацию нейтринные телескопы объемом 1 км3, и
вероятно будут выделены первые космические нейтрино.
Автор приносит глубокую благодарность Г.В.Домогацкому,
Ж-А.М,Джилкибаеву и К.Шпирингу за доброжелательную критику и
полезные замечания, Н.В.Сокольской и Е.Е.Коростелевой за большую
помощь в подготовке текста статьи.
