9070 Temná hmota ve svém vlastním stínovém světě Kathryn Zurek

[ Ezoterika ] 2025-03-18

b> Maciej Frolow
Temná hmota by mohl být celý temný sektor vesmíru, s vlastními částicemi a silami...
Stáli jste někdy u moře a byli jste ohromeni jeho rozlehlostí, tím, jak rychle se může přivalit a pohltit? Důkazy naznačují, že jsme zavěšeni v kosmickém moři temné hmoty, záhadné látky, která tvaruje galaxie a velké struktury ve vesmíru, ale je průhledná pro fotony, nositele elektromagnetické síly. Náš galaktický domov, Mléčná dráha, je ponořen do temné hmoty, ale toto skryté těleso nás nepohltí, protože jeho síly se nemohou dotknout běžné hmoty, ze které jsme složeni. Vše, co víme o temné hmotě, pochází z měření její gravitační síly, ale gravitace je nejslabší z přírodních sil - tak slabá, že elektromagnetické síly, které vážou atomy a vytvářejí židli, na které můžeme sedět, stačí k tomu, aby vyrovnaly gravitační sílu celé Země. Stejně jako potřebujeme elektromagnetickou sílu, aby nám řekla o protonech, neutronech, elektronech a bohatství všech částic, které známe - souhrnně nazývané Standardní model částicové fyziky - potřebujeme více než gravitaci, abychom odhalili tajemství temné strany.

Výsledkem je, že poslední tři desetiletí hledání temné hmoty byla charakterizována nulovými výsledky. Po většinu této doby vědci hledali jedinou částici, která by vysvětlila temnou hmotu. Temná hmota však nemusí být jedna konkrétní částice - může to být celý skrytý sektor temných částic a sil... V tomto temném sektoru by částice interagovaly prostřednictvím svých vlastních nezávislých sil a dynamiky, čímž by vytvořily skrytý svět kosmologie, který by běžel paralelně s tím naším.

Mohly by existovat temné atomy - složené z temných protonů, temných neutronů a temných elektronů - držené pohromadě temnou verzí elektromagnetismu... Nositelé této síly, temné fotony, mohou mít (na rozdíl od našich fotonů) hmotnost, což umožňuje vznik obrovských tmavých atomových jader - takzvaných nugetů. A zcela odlišná dynamika temné hmoty v tomto temném sektoru by měla různý vliv na vývoj normální hmoty v průběhu času. Interakce nugetů v galaxiích by mohla pomoci vytvořit supermasivní černé díry v centrech galaxií, což by způsobilo, že by se zvětšily, než by jinak byly. Temná hmota nemusí být jedna konkrétní částice... Může to být celý skrytý sektor temných částic a sil.

Zatímco jiné jednodušší teorie temné hmoty nedokázaly najít experimentální potvrzení, koncept temného sektoru získal na síle. Moji kolegové a já jsme také vyvinuli nové plány pro experimenty, které mohou hledat tento typ temné hmoty. Tyto experimenty využívají techniky fyziky kondenzovaných látek, aby se pokusily odhalit sektor vesmíru, který jsme nikdy předtím nehledali. Když jsem v roce 2005 vstoupil do lovu temné hmoty, fyzici se zaměřili na hledání šeptandy temné hmoty od slabé síly. Navzdory svému názvu je tato slabá síla mnohem silnější než gravitace a vědci se domnívali, že temná hmota by mohla komunikovat s naším světem prostřednictvím této síly. Postavili mnoho nanejvýš citlivých pokusů, pohřbených v podzemí, kde je všude klid, aby se pokusili slyšet takové šelesty. Byla to vzrušující doba, protože astrofyzici také viděli nevysvětlitelná data přicházející z centra Mléčné dráhy, která by mohla být známkou temné hmoty produkující opar fotonů z nějakého druhu interakce se slabou silou.


Tyto myšlenky mi přišly zajímavé, ale nebyl jsem přesvědčen, že signál Mléčné dráhy pochází z temné hmoty. Zdálo se předčasné zaměřovat hledání temné hmoty na teorie související se slabou silou. Kromě toho mnoho procesů z běžné fyziky produkuje mikrovlnné fotony, které vycházely ze středu naší Galaxie. Na první konferenci o temné hmotě, které jsem se zúčastnil po postgraduálním studiu, jsem se vsadil s hlavním zastáncem myšlenky "mlhy temné hmoty", Danem Hooperem z University of Wisconsin-Madison. Hooper se domníval, že můžeme potvrdit, že tato pozorování byla způsobena temnou hmotou během příštích pěti let. Zaujal jsem skeptický postoj... V sázce je sázka: kdokoli prohraje, bude muset říci, že ten druhý měl pravdu v každé ze svých vědeckých přednášek po dobu jednoho roku. Byla to útěcha, že kdybych prohrál, mohl bych se stále vyhřívat v radosti z objevení temné hmoty. Tato sázka mě provázela dalších 13 let mé vědecké kariéry.

Jen Christiansenová
 Někdy nás naše předpoklady nakonec zavazují a brání nám najít řešení, která hledáme.

První myšlenky o povaze temné hmoty se zaměřovaly na řešení teoretických problémů standardního modelu, který popisuje nejen známé částice, ale i kvantové síly (elektromagnetismus, slabou sílu a silnou sílu). Dvě hádanky modelu jsou, proč je slabá síla o tolik silnější než gravitace (fyzikové to nazývají problém hierarchie) a proč silná síla - síla, která váže atomová jádra - si nevšimne rozdílu mezi zrcadlovými částicemi a antičásticemi (nazývaným silná konjugace-parita náboje nebo problém silného CP). Částicoví fyzici předpokládali, že přidání nových částic do standardního modelu by nám mohlo pomoci pochopit, proč se známé částice chovají tak, jak se chovají. Tyto nové částice by také mohly existovat ve správném množství pro vysvětlení temné hmoty.

Jako populární kandidáti se ukázaly dvě kategorie částic. Jedna skupina, nazývaná WIMP (pro slabě interagující masivní částice, abyste nepochybovali o tom, že tento obor má humor), se objevuje v řešeních problému hierarchie. Další sada navrhovaných částic, axiony (po pracím prostředku, jako metafora pro vyčištění problému), nabídla řešení silného problému CP.

Myslel jsem si však, že bychom měli zpochybnit předpoklad, že temná hmota také řeší problémy standardního modelu. Mé imaginární částice neinteragovaly prostřednictvím žádných sil standardního modelu - měly své vlastní nezávislé síly a dynamiku - takže nemohly vyřešit záhady tohoto modelu. Byly také mnohem méně hmotné než WIMPy a zabíraly skrytou dolinu energetické a hmotnostní škály částic. Tato myšlenka, kterou jsem navrhl kolem roku 2006, byla v rozporu s trendem ve fyzice vysokých energií, která se zaměřovala na budování obrovských experimentů, jako je Velký hadronový urychlovač v CERNu poblíž Ženevy, aby produkovaly stále hmotnější částice, jak si teoretici představovali. Naproti tomu částice skryté doliny zabíraly prostor s mnohem nižší energií a nemusely by být pozorovány v experimentech jednoduše proto, že jejich interakce s běžnými částicemi jsou mnohem slabší než slabá síla. Bez myšlenky, že by temná hmota měla vyřešit buď problém hierarchie nebo silný problém CP, se celá řada nových modelů stala teoreticky životaschopnými a konzistentními s pozorováními našeho vesmíru. Zaměřil jsem se na myšlenku, že skrytá dolina poskytuje přirozeného hostitele pro sektor temné hmoty.

Odlišná dynamika temné hmoty v temném sektoru ve srovnání s WIMP by měla odlišný vliv na vývoj normální hmoty v průběhu času. Jak jsme s kolegy studovali možné důsledky temného sektoru v příštích desetiletích, škála pozorovatelných důsledků v našem vesmíru rozkvetla. Obor teď vypadá úplně jinak. Teoriím temného sektoru na této cestě pomohly náhodné experimentální anomálie. Šťastné anomálie dorazily v roce 2008 z experimentů, které hledaly temnou hmotu WIMP. V té době již experimentátoři strávili dvě desetiletí budováním pozemských experimentů, které hledaly temnou hmotu z předpokládaného moře, které musí neustále procházet Zemí. V roce 2008 tři z nich zaznamenaly záhadný, nevysvětlitelný nárůst "událostí" při nízkých energiích. Událost v tomto případě znamená, že jediná částice temné hmoty mohla narazit do běžného atomového jádra v detektoru a dát mu kop energie. Experimenty zaznamenaly události, které by mohly být způsobeny částicemi temné hmoty vážícími několikanásobek hmotnosti neutronu. Excesy v těchto experimentech mě elektrizovaly, protože byly v souladu s teorií temné hmoty ve skryté dolině, kterou jsem navrhl o rok dříve. Tuto teorii jsem nazval "asymetrická temná hmota"...

Teorie byla založena na myšlence, že množství temné hmoty ve vesmíru je určeno tím, jak tato hmota interaguje s neutrony a elektrony. Můžeme vzít toto číslo, stanovené teorií, a zkombinovat ho s celkovou hmotností veškeré temné hmoty ve vesmíru (kterou známe z astronomických pozorování), abychom vypočítali hmotnost nejběžnějších částic temného sektoru. Ukazuje se, že teoretické částice by měly vážit asi tolik jako neutrony - přesně to, co experimenty pozorovaly. Příchod těchto anomálií učinil oblast temné hmoty skrytého sektoru velmi populární. Online úložiště nových fyzikálních článků explodovalo studiemi navrhujícími možná vysvětlení pro excesy s různými typy skrytých sektorů. Najednou se zdálo, že bych mohl prohrát svou sázku na to, že temná hmota zůstane skrytá. Ale pozorování a teorie se úplně neshodovaly a modely se staly více barokními a pokřivenými, aby odpovídaly experimentálním datům. V roce 2011 se moje víra, že anomálie mohou být důkazem temné hmoty, rozplynula.

Jen Christiansenová
 Ne všichni s tím souhlasili. Hooper, vždy optimista, si stále myslel, že anomálie by mohly být temnou hmotou, a tak zvýšil sázku a přihodil dvě špičkové láhve vína. Nakonec však další kontroly anomálií přesvědčily většinu fyziků, že většina pozorování musí mít obyčejné vysvětlení, jako je signál pozadí nebo efekty detektoru kontaminující data. Moje špičkové lahve vína od Hoopera dorazily během pandemie v roce 2020. Ale to nebyl konec příběhu. Dlouhodobý dopad těchto anomálií otevřel mysl vědců novým teoriím temné hmoty za hranicemi WIMPů a axionů. Tato změna byla podpořena skutečností, že desítky let experimentů určených k nalezení WIMPů a axionů dosud nic nepřinesly. Dokonce i Velký hadronový urychlovač, u kterého mnoho vědců očekávalo, že najde WIMPy a další nové částice, nenašel nic nového kromě posledního nepotvrzeného kousku standardního modelu, Higgsova bosonu.

Stále více fyziků si uvědomovalo, že potřebujeme rozšířit naše hledání. V roce 2014 jsem se přesunul z University of Michigan do Lawrence Berkeley National Laboratory, kde jsem obrátil svou pozornost od teorií temné hmoty k vymýšlení nových metod detekce temné hmoty. Práce v této oblasti mi radikálně rozšířila obzory ve fyzice. Zjistil jsem, že studium základních sil přírody nestačí k pochopení toho, jak může temná hmota interagovat s běžnou hmotou. Pro tak vzácnou a slabou komunikaci mezi částicemi se interakce mezi základními složkami hmoty (nukleony a elektrony v atomech) stávají prvořadými.

Jinými slovy, abychom pochopili, jak může částice temné hmoty ovlivnit typický atom, musíme vzít v úvahu malé interakce mezi atomy uspořádanými v krystalové mřížce uvnitř materiálu. Představte si cívky ve staromódní matraci: pokud se jedna část cívky zatlačí dolů, šíří vlny celou matrací. Protože mnoho materiálů funguje tímto způsobem, bylo logické, že pokud by temná hmota narušila jeden atom v mřížce "normální" hmoty, vyvolala by poruchu šíření. Tyto kolektivní poruchy, které zahrnují mnoho atomů, jsou kvantové povahy a nazývají se fonony nebo magnony. Pochopení fononů je doménou fyziky kondenzovaných látek a pevných látek, které se zaměřují na kolektivní účinky mnoha atomů v materiálu. Protože materiály mohou být tvořeny mnoha různými druhy atomů a molekul s různými vazbami mezi nimi, kolektivní poruchy nabývají mnoha forem a stávají se zoologickou zahradou možných interakcí. Za posledních 20 let jsme dosáhli dramatického otevření teoretických možností temné hmoty a způsobů, jak ji nalézt... ¨

Jednou z mých výzev bylo pochopit, jak může temná hmota interagovat s těmito kolektivními jevy. Abych toho dosáhl, potřeboval jsem užitečný model, který by popisoval všechny komplikované efekty pomocí pouhých několika parametrů. Zjistil jsem, že mohu předpovědět, jaká je pravděpodobnost interakce různých druhů temné hmoty s materiálem, pokud by síla, která řídí interakci, byla stejná jako síla zodpovědná za hojnost temné hmoty v našem vesmíru. Narazil jsem na několik praktických výzev. Ne všichni fyzici mluví stejným fyzikálním jazykem. Kromě toho má každý obor tendenci se při studiu fyzikálního systému zaměřovat pouze na několik otázek. Zajímaly mě velmi odlišné otázky než ty, které zajímají většinu praktikujících fyziků kondenzovaných látek. A jako fyzik temné hmoty, který poprvé spolupracoval s fyziky kondenzované hmoty na kolektivních excitacích, jsem musel překonávat bariéry. Jakmile jsem objevil, jak přeformulovat své chápání problému interakce temné hmoty do žargonu používaného fyziky kondenzované hmoty a atomovými fyziky, moji studenti, postdoktorandi a já jsme byli schopni postupovat mnohem rychleji. Časem se před námi otevřel nový svět kolektivních jevů.

Zjistili jsme, že fyzikové kondenzovaných látek a atomových, molekulárních a optických částic se bavili aplikací svého portfolia materiálů a detekčních mechanismů při hledání temné hmoty. Po několika letech hraní si s bohatou škálou nápadů jsme si uvědomili, že se musíme zaměřit pouze na několik z nich pro experimentální vývoj. Nakonec jsme vybrali dva materiály, které se zdály být slibnými cíli, a to jak pro jejich základní interakce s temnou hmotou, tak pro to, jak proveditelné bylo jejich použití v experimentech. Nyní aktivně navrhujeme experimenty s použitím těchto materiálů, které, jak doufáme, provedeme v následujících letech. První kategorií jsou polární materiály, jako je křemen a safír, které produkují silné fonony s kolektivní energií, která se dobře shoduje s temnou hmotou a které vypadají, že by dobře komunikovaly s temným fotonem. Druhým materiálem je supratekuté helium, které je bez mnoha defektů, které trápí pevné materiály s krystalovými mřížkami. Tato kapalina obsahuje lehká jádra, která mohou mít relativně dobrou šanci na interakci s temnou hmotou.
Pro další kroky vedou cestu naši experimentální partneři. Moji bývalí kolegové z Lawrence Berkeley Lab přišli se dvěma nejslibnějšími nápady.

Matt C. Pyle navrhl experiment nazvaný SPICE (Sub-eV Polar Interactions Cryogenic Experiment), který by pro detektor použil polární materiál, jako je safír. Další experimentátor, Daniel N. McKinsey, si představil projekt HeRaLD (Helium and Roton Liquid Detector), který by využíval supratekuté helium. Naše teoretická práce naznačuje, že malé vzorky cílových materiálů - jeden kilogram nebo méně - by mohly stačit k zahájení testování našich teorií. Ačkoli by tyto vzorky nevyžadovaly mnoho materiálu, musely by být bez vad a musely by být umístěny ve velmi tichém prostředí bez kontaminantů. Naštěstí díky dřívějším generacím experimentů s temnou hmotou, které hledaly WIMP, mají Pyle a McKinsey již zkušenosti s redukcí zdrojů šumu a radioaktivity prací hluboko pod zemí. Přestože jsou všechny teoretické nápady pro tyto experimenty na místě, bude trvat dlouho, než se uvedou do praxe. Oba projekty získaly kolo financování od Úřadu pro vědu ministerstva energetiky na další rozvoj konceptů.

Během posledních čtyř až pěti let jsme však objevili nové procesy na pozadí, které by mohly napodobovat signály, po kterých pátráme a které budeme muset najít způsoby, jak je zablokovat. Kvůli tomuto velkému pozadí nejsou detektory ještě dostatečně citlivé, aby objevily temnou hmotu. Může to trvat deset let nebo déle, stejně jako tomu bylo u dřívějších generací experimentů WIMP, než se naučíte, jak tyto detektory udělat tak tiché, aby mohly poslouchat šepot temné hmoty. Přesto to, čeho jsme v posledních 20 letech dosáhli, je dramatické otevření teoretických možností temné hmoty a způsobů, jak ji najít. Základní povaha temné hmoty, která prostupuje naším vesmírem, je stále nevyřešena. Když pracuji na tomto problému, rád přemýšlím o stavbě katedrál v minulých staletích, které byly stavěny po generace, přičemž každý kámen byl pečlivě položen na ten poslední. Doufáme, že nakonec, budováním našeho porozumění temné hmotě kousek po kousku, dosáhneme skutečného pochopení všech složek přírody.

Zdroj: https://www.bibliotecapleyades.net/ciencia4/fisica179.htm
Zpět