Asi 80% veškeré hmoty ve vesmíru má podobu, která je pro současnou fyziku zcela neznámá. Říkáme tomu temná hmota, protože jak nejlépe umíme říct, je to… temná. Pokusy po celém světě se pokoušejí zachytit zbloudilou částici temné hmoty v naději, že jí porozumí, ale prozatím se ukázaly prázdné.
V poslední době tým teoretiků navrhl nový způsob, jak lovit temnou hmotu pomocí podivných „částic“ zvaných magnony, což je jméno, které jsem si nevymyslel. Tito malí vlnci mohli z úkrytu přilákat i prchavou, lehkou částici temné hmoty, říkají tito teoretici.
Hádanka temné hmoty
Známe nejrůznější věci o temné hmotě, s výraznou výjimkou toho, o co jde.
I když to nemůžeme přímo odhalit, vidíme důkaz temné hmoty, jakmile otevřeme naše dalekohledy do širšího vesmíru. První zjevení, už ve třicátých letech, přišlo pozorováním hvězdokup galaxií, některých z největších struktur ve vesmíru. Galaxie, které je obývaly, se jednoduše pohybovaly příliš rychle, než aby byly drženy pohromadě jako shluk. Je to proto, že kolektivní hmota galaxií dává gravitační lepidlo, které udržuje shluk pohromadě - čím větší je hmotnost, tím silnější je lepidlo. Dokonale silné lepidlo pojme pohromadě i nejrychleji se pohybující galaxie. Rychleji a klastr by se jednoduše roztrhl.
Ale tam byly shluky, existující, s galaxiemi bzučícími uvnitř nich mnohem rychleji, než by měly vzhledem k hmotnosti shluku. Něco mělo dostatek gravitační přilnavosti klastrů pohromadě, ale že něco nevyzařovalo ani nereagovalo se světlem.
Toto tajemství přetrvávalo nevyřešené po celá desetiletí a v sedmdesátých letech minulého století astronomka Věra Rubinová zvětšila ante velkou cestou pozorováním hvězd uvnitř galaxií. Ještě jednou se věci pohybovaly příliš rychle: Vzhledem k jejich pozorované hmotnosti by se galaxie v našem vesmíru měly roztočit před miliardami let. Něco je drželo pohromadě. Něco neviditelného.
Příběh se opakuje po celém vesmíru, v čase i prostoru. Od nejranějšího světla od Velkého třesku po největší struktury ve vesmíru je něco zábavného venku.
Hledání ve tmě
Takže temná hmota je tam moc - prostě nemůžeme najít žádnou jinou životaschopnou hypotézu, která by vysvětlila vlnu dat na podporu její existence. Ale co to je? Náš nejlepší odhad je, že temná hmota je nějaká nová, exotická částice, která fyzice dosud nezná. Na tomto obrázku zaplavuje každá galaxie temná hmota. Ve skutečnosti je viditelná část galaxie, jak je vidět skrz hvězdy a mraky plynu a prachu, jen malý maják postavený proti mnohem většímu, tmavšímu pobřeží. Každá galaxie sedí ve velkém „halou“ tvořeném zilliony na zillions částicích temné hmoty.
Tyto částice temné hmoty právě teď proudí vaším pokojem. Proudí skrz vás. Nekonečná dešťová sprcha o malých, neviditelných částicích temné hmoty. Ale jednoduše si jich nevšimnete. Nereagují se světlem ani s nabitými částicemi. Jste vyrobeni z nabitých částic a jste velmi přátelští se světlem; jste neviditelní vůči temné hmotě a temná hmota je pro vás neviditelná. Jediný způsob, jak „uvidíme“ temnou hmotu, je prostřednictvím gravitační síly; gravitace si všimne každé formy hmoty a energie ve vesmíru, temné nebo ne, takže v největších měřítcích pozorujeme vliv kombinované hmoty všech těchto nesčetných částic. Ale tady ve svém pokoji? Nic.
Doufáme, že existuje nějaký jiný způsob, jak temná hmota interaguje s námi normální hmotou. Je možné, že částice temné hmoty, ať už je to jakákoli sakra, také cítí slabou jadernou sílu - která je zodpovědná za radioaktivní rozpad - otevírající nové okno do této skryté říše. Představte si, že budujete obří detektor, jen velkou hmotu jakéhokoli prvku, který máte po ruce. Protékají to částice temné hmoty, téměř všechny z nich zcela neškodně. Ale někdy, s raritou v závislosti na konkrétním modelu temné hmoty, procházející částice interaguje s jedním z atomových jader prvků v detektoru prostřednictvím slabé jaderné síly, vyrazí ji z místa a vytvoří celou hmotnost detektoru toulec.
Zadejte magnet
Toto experimentální nastavení funguje pouze v případě, že částice temné hmoty je relativně těžká, což jí dává dostatek oomphu k vyřazení jádra v jedné z těchto vzácných interakcí. Zatím však žádný z detektorů temné hmoty na celém světě neviděl žádné stopy interakce, a to ani po letech a letech hledání. Jak experimenty ustupovaly, byly přípustné vlastnosti temné hmoty pomalu vyloučeny. To nemusí být nutně špatná věc; my prostě nevíme, z čeho je tmavá hmota vyrobena, takže čím více víme o tom, co to není, tím jasnější je obraz toho, co by to mohlo být.
Ale nedostatek výsledků může být trochu znepokojující. Nejtěžší kandidáti na temnou hmotu se vylučují, a pokud je záhadná částice příliš světlá, nikdy nebude v detektorech vidět, jak jsou právě připraveny. To znamená, pokud neexistuje jiný způsob, jak by temná hmota mohla mluvit s běžnou hmotou.
V nedávném článku publikovaném v předtiskovém online deníku arXiv fyzici podrobně popisují navrhované experimentální uspořádání, které by mohlo spatřit částici temné hmoty při změně rotace elektronů (pokud to ve skutečnosti může temná hmota udělat). V tomto nastavení je možné detekovat tmavou hmotu, i když je podezřelá částice velmi světlá. Může to udělat vytvořením takzvaných magnetů v materiálu.
Předstírejte, že máte kus materiálu při teplotě absolutně nulové. Všechny točení - jako malé malé tyčové magnety - všech elektronů v této záležitosti budou směřovat stejným směrem. Když pomalu zvyšujete teplotu, některé elektrony se začnou probouzet, kroutit se a náhodně namířit jejich otočení v opačném směru. Čím vyšší teplotu zvýšíte, tím více elektronů se převrátí - a každé z těchto převrácení snižuje magnetickou sílu jen o kousek. Každé z těchto převrácených zatočení také způsobuje malé zvlnění v energii materiálu a na tyto kroutí lze nahlížet jako na kvazičástice, nikoli na pravou částici, ale na něco, co můžete tímto způsobem matematicky popsat. Tyto kvazičástice jsou známé jako „magnony“, pravděpodobně proto, že jsou jako malé, roztomilé malé magnety.
Takže pokud začnete s opravdu chladným materiálem a dost částic tmavé hmoty udeří do materiálu a převrátí některá otočení kolem, budete pozorovat magnony. Díky citlivosti experimentu a povaze interakcí může toto nastavení detekovat lehkou částici temné hmoty.
To znamená, pokud existuje.
Paul M. Sutter je astrofyzik na Státní univerzita v Ohiu, hostitel Zeptejte se Spacemana a Vesmírné rádio, a autor Vaše místo ve vesmíru.
