Z čeho by mohla být temná hmota?
Vědci vědí, že temná hmota existuje a jak se chová – ale z čeho se skládá, po čtyřiceti letech intenzivního hledání stále neví. V současnosti jsou ve hře čtyři hlavní kandidáti: částice WIMP, axion, sterilní neutrino a primordiální černé díry. Každý z nich má své přednosti i svou Achillovu patu.
© / kredit: ESO · Zdroj · · CC BY 4.0 · Úpravy: výřez, zmenšení a kredit.
Proč je hledání tak těžké
Temná hmota neinteraguje se světlem a zdá se, že interaguje jen velmi slabě i s běžnou hmotou. To je zároveň její definice a prokletí: právě ta slabá interakce umožnila, aby temná hmota zůstala neviditelná, ale zároveň znemožňuje, abychom ji chytili v laboratoři. Představte si, že hledáte něco, co projde vaší rukou jako duch – a jediný důkaz máte v tom, že se hvězdy točí rychleji, než by měly. Fyzikové proto útočí ze dvou stran: detektory hluboko pod zemí čekají na srážku temné částice s atomem a urychlovače se ji snaží vyrobit. Zatím obojí vrátilo prázdné výsledky – a každý neúspěch možnosti zužuje.
WIMP: favorit, který se neukázal
Nejpopulárnější kandidát se jmenuje WIMP (slabě interagující masivní částice). Je elegantní z teoretického hlediska: předpovídá ho supersymetrie, rozšíření Standardního modelu, podle něhož má každá částice těžšího superpartnera. Nejjasnější WIMP-kandidáti byly neutralino. Detektory jako XENONnT, LUX-ZEPLIN nebo kryogenní moduly v experimentech CRESST hledají záblesk, který by WIMP způsobil v atomovém jádře. Citlivost detektorů se za posledních dvacet let zlepšila stonásobně – a WIMP se stále neukázal. Experimentátoři teď vstupují do éry neutrinového pozadí, kdy je signál temné hmoty zastíněn běžnými neutriny. WIMP není mrtvý, ale jeho životní prostor se rychle zmenšuje.
Axion: částice, která opravuje teorii
Druhý favorit je axion, extrémně lehká částice předpovězená už v roce 1977 k vyřešení záhady, proč neutron nemá měřitelný elektrický dipólový moment. Axiony vznikly v raném vesmíru s hustotou, která přesně odpovídá pozorovaným projevům temné hmoty. Metoda jejich detekce je specifická: vzhledem k tomu, že v silném magnetickém poli dochází k přeměně axionů na fotony, využívají experimenty typu ADMX mikrovlnné rezonanční dutiny umístěné v supravodivých magnetech. V současnosti zájem o axionové modely roste, a to především kvůli absenci pozitivních výsledků při detekci kandidátů WIMP. Teoretické modely navíc připouštějí, že intenzivním zdrojem axionů může být Slunce, což umožňuje jejich registraci pozemskými přístroji.
Přeměna axionu na foton: vlastní kvalitativní schéma. Nejde o naměřená data, fotografii ani výsledek numerické simulace.
© / kredit: Kosmologické novinky · Zdroj · · CC BY 4.0 · Úpravy: vlastní schéma.
Primordiální černé díry: temná hmota bez částic
Třetí možnost zní jako zlehčování, ale není: temnou hmotu by mohly tvořit černé díry – konkrétně primordiální černé díry vzniklé v prvních zlomcích sekundy po Velkém třesku. Ty by byly odlišné od hvězdných černých děr: mnohem menší a částečně by se vypařovaly. Část by jich přežila dodnes a jejich gravitační působení by přesně odpovídalo temné hmotě. Tato myšlenka zažila renesanci po detekci srážek černých děr gravitačními vlnami – ukázalo se, že vesmír černé díry produkuje ve větší míře, než se čekalo. Hledají se pomocí efektu mikročočkování v datech hvězdných přehlídek nebo jako krátké záblesky gama záření při Hawkingově vypařování.
Kde jsme a kam dál
Čtvrtým kandidátem jsou sterilní neutrina, těžší verze neutrin, které by temnou hmotu tvořily jen zčásti, v kombinaci s jinými kandidáty. Reálně je čím dál pravděpodobnější, že temná hmota nemá jedinou podobu. Příští dekáda přinese rozhodující experimenty: LHC bude hledat slabé stopy po supersymetrii, nová generace axionových experimentů dosáhne citlivosti teoretických predikcí a teleskopy Euclid a Vera Rubin Observatory zmapují rozložení temné hmoty s dosud nebývalou přesností. Anebo nastane ta nejzajímavější situace: dojde k objevu, který současné teoretické modely nepředvídaly. Historie fyziky potvrzuje, že pokud nějaký fenomén dlouho neúspěšně detekujeme, často sice zaznamenáváme reálný fyzikální projev, ale dáváme mu nesprávný teoretický rámec.
Proč je to zajímavé právě pro vás?
Temná hmota je jedna z mála velkých vědeckých otázek, u které i soukromá osoba může mít doma přístroj hledající odpověď: axionové detektory jsou kompaktní a mnohem levnější než urychlovače. Ale i bez laboratoře je v tom krása – vesmír, který vidíte, tvoří jen pět procent skutečnosti. Zbytek je otevřená otázka a právě vy žijete v době, kdy se na ni možná odpovídá.
Našli jste chybu nebo nepřesnost? Napište redakci. (redakce@kosmonovinky.cz)