Jak najít temnou hmotu?

Pokud se astronomové rozhodnou něco zjistit o vzdáleném vesmíru, jsou odkázáni na to, co vidí. Jak ale pozorovat něco, co je z principu věci neviditelné? (délka blogu 5 min.)

Vědci připravili hned několik experimentů, kterými by se mohla dát pověstná temná hmota nalézt. Situace je ovšem složitá. 

Už samotná historie jejího objevu naznačuje, že je tento druh hmoty sice neviditelný, ale účastní se gravitační interakce. Okamžitě se nabízí další otázka - dala by se tato hmota objevit díky tomu, že se účastní také jiných interakcí? 

Skutečně se mělo ukázat, že tomu tak je. Teoretické odhady a experimenty naznačují, že je touto silou slabá interakce. 

Slabá interakce

... je jednou ze základních vesmírných sil. Je zodpovědná za tzv. beta rozpad atomových jader. Nazývá se slabá, protože další dvě známé interakce (silná a elektromagnetická) se vyznačují mnohem vyšší intenzitou. Je však naopak mnohem silnější než čtvrtá ze základních interakcí - gravitační. Slabá interakce má jen krátký dosah - působí jen uvnitř jádra atomu.  

Temná hmota by se tedy mohla skládat z hmotných částic, které reagují slabou interakcí - v angličtině se jim říká WIMP (Weakly Interacting Massive Particle).

Praktické experimenty

Poté, co byla část vědců přesvědčena, že temná hmota se skládá z WIMP, byly podniknuty různé pokusy o její nalezení. Jedním ze způsobů je přímé pozorování. WIMP by mohla být poměrně těžkou částicí s hmotností zhruba stonásobku atomu vodíku. Mohlo by se dařit pozorovat, jak tyto částice, byť jen zřídka, narážejí do jader běžné hmoty. 

WIMP by měly mít v naší galaxii poměrně vysokou rychlost - kolem 300 kilometrů za vteřinu. Srážka s nimi může vyvolat vznik přirozeného radioaktivního izotopu daného prvku. 

To je ale těžké pozorovat. Všude kolem nás se nachází spousta radioaktivních izotopů. I samotný uhlík, ze kterého se skládají naše těla, se může vyskytovat ve formě radioaktivního izotopu. 

Navíc k nám z vesmíru přicházejí vysoce energetické částice, které se projevují podobnými následky, jakými by se mohly projevovat WIMP. Experimenty se tedy musí provádět nejlépe hluboko v podzemí. Tím se sice nedá úplně odstranit celé přirozené pozadí, které experiment znesnadňuje - v hloubkách stovek metrů se ale dá snížit jeho hodnota. 

Experimenty hluboko pod zemí 

Vzorkem poslouží například sud s tekutým xenonem nebo krystal germania (existují různé postupy). Vědci se pak snaží pozorovat srážky částic WIMP s krystalem nebo s jádry xenonu. Tyto srážky ale nemusí mít přesné charakteristiky, mohou mít například různou energii, což celou věc komplikuje.

Citlivost těchto metod je velmi dobrá. Ale žádný skutečný signál se bohužel zatím nepodařilo odhalit. To znamená, že i když už se na některém z detektorů objevil určitý signál, nebyl zatím nikdy potvrzen jinými detektory - a nejspíš šlo o jiný jev než o srážku atomu s temnou hmotou. 

Anihilační experimenty

Druhým způsobem jak pozorovat temnou hmotu - je sledování její anihilace, to znamená pozorování srážek částic temné hmoty s jejími antičásticemi. Při těch by měly vznikat nějaké běžné částice, které by se mohly dát zaznamenat, podobně jako se při anihilaci běžné hmoty tvoří fotony, které můžeme následně doslova vidět. 

V tomto případě se musí pozorovat nějaká oblast, kde se nachází pokud možno velké množství temné hmoty. Tímto místem by mělo být centrum naší galaxie. 

I taková pozorování mají ale háček. Když pozorujeme střed galaxie, vidíme, že odsud skutečně vychází vysoce energetické záření. Existují tu ale bohužel také jiné zdroje takového záření - pulsary, apod. Vědci tedy musí nějak odlišit následky anihilace WIMP od běžných fyzikálních procesů, které probíhají například v extrémně hmotných objektech. 

Jinými slovy - signály, které přicházejí v úvahu, sice zaznamenáváme - nevíme ale přesně, jestli jsou jejich původem skutečně anihilující  WIMP. 

Vědci si slibovali pokrok od sledování satelitů Mléčné dráhy, trpasličích galaxií, které ji provázejí na její pouti vesmírem. Zatímco v průměru je ve vesmíru asi pětkrát více temné hmoty než běžné hmoty, v těchto oblastech by mohlo být temné hmoty klidně i 10 000 krát více. Pokud by se dalo zaznamenat tvrdé gama záření, které odsud pochází, mohlo by být považováno za výsledek anihilace WIMP. Bohužel se odsud na Zemi žádné takové záření zatím nedostalo nebo nejsou naše přístroje dostatečně citlivé. 

Urychlovače 

Třetí možností, jak hledat temnou hmotu, jsou experimenty v urychlovačích. 

Vědci očekávají, že se například na LHC (Large Hadron Collider) bude moci pozorovat vznik nových částic, které, pokud nebudou částicemi temné hmoty samotné, s ní budou nějak souviset. Bohužel ani tento projekt zatím nebyl úspěšný. 

Počítačové simulace

Další možností by bylo nepřímé pozorování WIMP - a to sledováním vzniku struktur z temné hmoty. Zatím ale ani tato metoda nepřinesla jednoznačné výsledky. Jedna z nadějných teorií se ukázala být chybou v programu simulace. 

Existují tedy čtyři způsoby, jak hledat temnou hmotu, ale žádnému z nich se ji zatím nepodařilo objevit. Situace zůstává napínavá. 

Zatím také nebyla objevena žádná “nová fyzika” - což ještě nemusí nic znamenat. Dnešní model částic nemusí být nutně definitivní a případná překvapení nejsou vyloučena.