Sciencemag.cz
Doporučujeme
Axiony jsou, jak známo, hypotetické částice, představující jednoho z kandidátů na (rovněž spíše hypotetickou) temnou hmotu. Podle závěrů nově provedené superpočítačové simulace vzniku axionů krátce po velkém třesku před 13,6 miliardami let hledali fyzikové dosud axion na špatném místě – takže není divu, že nic nenašli.
Benjamin Safdi z Kalifornské univerzitě v Berkeley, Malte Buschmann z Princetonské univerzity a jejich kolegové z MITu a Lawrence Berkeley National Laboratory provedli nové simulace na superpočítačích v Berkeley Lab. Hmotnost axionu podle nové studie má být více než dvakrát větší, než se teoretici i experimentátoři dosud nejčastěji domnívali: mezi 40 a 180 mikroelektronvolty, tedy asi jedna desetimiliardtina hmotnosti elektronu. Podle B. Safdiho existují náznaky, že se hmotnost blíží 65 μeV. Od doby, kdy fyzikové před 40 lety začali axion hledat, se odhady jeho hmotnosti pohybovaly v širokém rozmezí od několika μeV do 500 μeV.
Pokud by nové odhady hmotnosti byly správné, znamenalo by to, že nejběžnější typ experimentu snažící se o detekci těchto částic – mikrovlnná rezonanční komora obsahující silné magnetické pole, v níž se vědci snaží zachytit přeměnu axionu na slabou elektromagnetickou vlnu – je nebude schopen detekovat, ať už se pokus modifikuje jakkoliv. Strana komory by totiž pro detekci vysokofrekvenční vlny axionu s vyšší hmotností musela být menší než několik cm. Objem by pak ale zároveň byl příliš malý na to, aby zachytil dostatečné množství axionů, tedy aby signál byl vůbec silnější než šum.
Naproti tomu jeden z novějších typů experimentů, plazmový haloskop, který hledá excitace axionu v metamateriálu (plazmatu v pevném stavu) by měl být na axiony s hmotností mezi 40 a 180 μeV citlivý a potenciálně by je detekovat mohl.
Dosavadní pátrání po temné hmotě se zaměřovalo na především masivní kompaktní objekty v halo naší galaxie (MACHO), slabě interagující hmotné částice (WIMP) nebo dokonce i na černé díry různého typu a původu. Výsledek nulový.
V případě axionů by se mělo jednat o částice vzniklé krátce po velkém třesku; ačkoliv nejde přímo o WIMP, v řadě vlastností se obě částice (skupiny částic) mají sobě podobat v tom smyslu, že slabě interagují i s normální hmotou (PH: míněno, že nejen gravitačně). Axion byl původně navržen ne kvůli „chybějící“ hmotě v astrofyzice, ale kvůli tomu, aby vysvětlil chování spinu neutronu v elektrickém poli (axion měl potlačovat precesi).
B. Safdi a jeho kolegové použili simulační techniku zvanou adaptivní zjemňování sítě. Během simulací byla malá část rozpínajícího se vesmíru reprezentována trojrozměrnou mřížkou, nad kterou se řeší rovnice. Při adaptivním zpřesňování sítě je mřížka podrobnější v oblastech zájmu a méně podrobná v částech vesmíru, kde se z tohoto hlediska nic moc neděje. Tím se výpočetní výkon soustředí na nejdůležitější části simulace. Tato technika umožnila v simulaci zobrazit tisíckrát více detailů kolem oblastí, kde vznikají axiony, což zase umožnilo přesněji určit celkový počet vzniklých axionů a vzhledem k celkové hmotnosti temné hmoty ve vesmíru i hmotnost axionů. Při simulaci bylo použito 69 632 fyzických výpočetních jader superpočítače Cori s téměř 100 terabajty paměti RAM. Šlo o jednu z vůbec největších simulací temné hmoty a z fyzikálního problému se při tom podle autorů studie de facto stala záležitost spadající do informatiky (computer science). Provedená simulace ukázala, že po inflační fázi se v raném vesmíru vytvářejí malé víry, které se podobají strunám a odhazují axiony jako vzpínající se kůň jezdce. Axiony odhozené/vyvržené od strun se nakonec stanou temnou hmotou.
Autoři studie chtějí provést ještě rozsáhlejší simulace s vyšším rozlišením a doufají, že by tak mohli zúžit rozmezí hmotností axionu pod 10 % (typu 65 +-2). Ověřit, respektive vyloučit existenci axionu v takto úzkém rozsahu by pak mělo být experimentálně mnohem jednodušší.
Dark matter from axion strings with adaptive mesh refinement, Nature Communications (2022). DOI: 10.1038/s41467-022-28669-y
Zdroj: University of California – Berkeley / Phys.org
Poznámka PH: Samozřejmě jako obvykle u článků tohoto typu může laik nad řadou tvrzení prostě jen pokývat hlavou…
