PAMELA ( полезная нагрузка для исследования антиматерии и легких ядер астрофизики ) была исследовательским модулем космических лучей , прикрепленным к околоземному спутнику. PAMELA была запущена 15 июня 2006 года и была первым спутниковым экспериментом, посвященным обнаружению космических лучей , с особым акцентом на их компоненте антиматерии в виде позитронов и антипротонов . Другие цели включали долгосрочный мониторинг солнечной модуляции космических лучей, измерения энергичных частиц от Солнца , высокоэнергетических частиц в магнитосфере Земли и электронов Юпитера . Также надеялись, что он может обнаружить доказательства аннигиляции темной материи . [1] Операции PAMELA были прекращены в 2016 году, [2] как и операции спутника-хозяина Resurs-DK1 . Эксперимент был признан экспериментом ЦЕРНа (RE2B). [3] [4]
PAMELA была крупнейшим устройством, созданным на тот момент коллаборацией Wizard, в которую входят Россия, Италия, Германия и Швеция, и которая была задействована во многих экспериментах с космическими лучами на основе спутников и воздушных шаров, таких как Fermi-GLAST . Первоначально планировалось, что 470-килограммовый прибор стоимостью 32 миллиона долларов США (24,8 миллиона евро ЕС, 16,8 миллиона фунтов стерлингов Великобритании) будет работать три года. Однако этот прочный модуль оставался работоспособным и вносил значительный научный вклад до 2016 года.
PAMELA установлена на обращенной вверх стороне российского спутника «Ресурс-ДК1» . [1] Он был запущен ракетой-носителем «Союз» с космодрома Байконур 15 июня 2006 года. PAMELA была выведена на полярную эллиптическую орбиту высотой от 350 до 610 км с наклонением 70°.
Аппарат имеет высоту 1,3 м, общую массу 470 кг и потребляемую мощность 335 Вт. Прибор построен на основе спектрометра с постоянным магнитом и кремниевым микрополосковым трекером, который обеспечивает информацию о жесткости и dE/dx. В его нижней части находится кремний-вольфрамовый калориметр для визуализации, нейтронный детектор и сцинтиллятор хвоста ливня для проведения дискриминации лептонов/адронов. Время пролета (ToF), изготовленное из трех слоев пластиковых сцинтилляторов, используется для измерения скорости и заряда частицы. Система антисчетчиков, изготовленная из сцинтилляторов, окружающих аппарат, используется для отклонения ложных триггеров и частиц альбедо во время офлайн-анализа. [5]
Предварительные данные (опубликованные в августе 2008 г., ICHEP Philadelphia) указывают на избыток позитронов в диапазоне 10–60 ГэВ. Это считается возможным признаком аннигиляции темной материи : [6] [7] гипотетические WIMP, сталкивающиеся и аннигилирующие друг с другом, образуя гамма-лучи, частицы материи и антиматерии. Другим объяснением, рассматриваемым для вышеупомянутого признака, является рождение пар электрон-позитрон на пульсарах с последующим ускорением в непосредственной близости от пульсара.
Данные за первые два года были опубликованы в октябре 2008 года в трех публикациях. [8] [9] Избыток позитронов был подтвержден и, как было обнаружено, сохранялся до 90 ГэВ. Удивительно, но избытка антипротонов обнаружено не было. Это не согласуется с предсказаниями большинства моделей источников темной материи, в которых избытки позитронов и антипротонов коррелируют.
Статья, опубликованная 15 июля 2011 года, подтвердила более раннее предположение о том, что пояс Ван Аллена может удерживать значительный поток антипротонов, образующихся при взаимодействии верхней атмосферы Земли с космическими лучами . [10] Энергия антипротонов была измерена в диапазоне 60–750 МэВ. Космические лучи сталкиваются с атомами в верхней атмосфере, создавая антинейтроны , которые в свою очередь распадаются, производя антипротоны. Они были обнаружены в части пояса Ван Аллена, наиболее близкой к Земле. [11] Когда антипротон взаимодействует с обычной частицей, оба аннигилируют. Данные PAMELA показали, что эти события аннигиляции происходили в тысячу раз чаще, чем можно было бы ожидать при отсутствии антиматерии . Данные, содержащие доказательства антиматерии, были собраны в период с июля 2006 года по декабрь 2008 года. [12] [13]
Измерения потоков бора и углерода были опубликованы в июле 2014 года [14] , что важно для объяснения тенденций в доле позитронов космических лучей. [15]
Сводный документ о деятельности PAMELA был опубликован в 2017 году. [2]
В диапазоне от 1 до 100 ГэВ PAMELA подвергается воздействию в сто раз большего количества электронов, чем антипротонов. При 1 ГэВ протонов в тысячу раз больше, чем позитронов, а при 100 ГэВ — в десять тысяч раз больше. Поэтому для правильного определения распространенности антиматерии критически важно, чтобы PAMELA могла отбрасывать фон материи. Сотрудничество PAMELA заявило в статье «Характеристики разделения электронов и адронов электромагнитного калориметра PAMELA», что менее одного протона из 100 000 способны пройти отбор калориметра и быть ошибочно идентифицированными как позитрон, когда энергия меньше 200 ГэВ.
Соотношение материи и антиматерии в космических лучах с энергией менее 10 ГэВ, достигающих PAMELA из-за пределов Солнечной системы, зависит от солнечной активности и, в частности, от точки 11-летнего солнечного цикла . Команда PAMELA использовала этот эффект для объяснения расхождения между своими результатами по низким энергиям и результатами, полученными CAPRICE , HEAT и AMS-01 , которые были собраны в течение той половины цикла, когда солнечное магнитное поле имело противоположную полярность.
Эти результаты согласуются с серией измерений позитронов/электронов, полученных AESOP , которая охватывает обе полярности. Кроме того, эксперимент PAMELA противоречит более раннему заявлению эксперимента HEAT об аномальных позитронах в диапазоне от 6 ГэВ до 10 ГэВ.