Sciencemag.cz
Doporučujeme
Temná hmota stále uniká. Dosud neúspěšné pokusy o její detekci se týkaly vždy pouze určitého typu částic (WIMP, axiony, sneutrina, neutralina apod.) a výsledky stanovovaly rozmezí, v němž se nic objevit nepodařilo. To platí i pro nově navrženou metodu, která se soustředí na případné těžké částice.
Vědci z National Institute of Standards and Technology (NIST) přišli se zajímavým experimentem, který by zjistil přítomnost temné hmoty bez ohledu na další vlastnosti/povahu příslušných částic, čistě na základě jejich gravitačního působení. Posloužit by k tomu měla miliarda kyvadélek o rozměrech v řádu milimetru. Výhodou takového uspořádání má být, že by uměl zachytit relativně velké částice kolem miliardy miliard hmotností protonu (řádově jako zrníčko soli). Na studii se dále podíleli lidé z University of Maryland a Fermi National Accelerator Laboratory. Autoři návrhu uvádějí, že při realizaci experimentu, tak, jak je navržen, by se mělo pokrýt rozmezí hmotnosti částic temné hmoty od desetitisícin po jednotky miligramů. Příslušný interval mimochodem pokrývá i Planckovu hmotnost (cca 0,02 miligramů)
Dosavadní experimenty vycházely spíše z jiných předpokládaných interakcí temné a běžné hmoty, které měly vést ke vzniku určitých částic, měly při interakci s detektorem vyvolat záření nebo pohyby elektrického náboje. Výhodou nové studie má naproti tomu být, že nepotřebuje k detekci žádné další vlastnosti temné hmoty, stačí pouze její hmotnost/gravitační působení. (Poznámka: To, že částice typu WIMP se hledaly jinak, má ovšem také svůj důvod, protože jejich předpokládaná hmotnost byla pro detekci na základě gravitace příliš malá.)
Milimetrové senzory pro lov temné hmoty by měly být ochlazeny těsně nad absolutní nulu (minimalizace tepelného šumu) a chráněny před kosmickým zářením i zdroji radioaktivity. Procházející částice temné hmoty by měla způsobit mechanické vychýlení velkého množství kyvadélek. Podobný princip byl již použit pro detekci gravitačních vln, kdy se v reakci na ně docházelo k pohybu zavěšených zrcadel (ovšem v řádu atomárních délek), která se chovala jako kyvadla.
Jiné možné uspořádání počítá v roli kyvadel s kuličkami levitujícími pomocí magnetického pole nebo laseru. Na počátku měření by se příslušný zdroj vždy vypnul, částice by pak padaly volným pádem a příslušné odchylky by odpovídaly právě gravitačnímu působení částic temné hmoty.
K rozlišení částice temné hmoty od náhodného šumu by měla stačit asi miliarda senzorů na metr krychlový. Běžné subatomární částice by se měly o detektor zastavit a být pohlceny, odrazit zpět apod. Náhodný šum by tak vyvolával pohyby různých senzorů v náhodném směru. Naopak částice temné hmoty (poznámka: předpokládáme, že by procházela volně, „nepřilepila se“, pouze by kyvadla rozhoupala) by měla vyvolat interakci se všemi senzory v řadě za sebou. Koordinovaný pohyb detektorů by navíc umožnil zjistit i směr, kterým částice temné hmoty do soustavy vlétla.
Nakonec by podobné systémy, ovšem v o několik řádů menším měřítku, mohly sloužit i pro detekci jiných špatně zachytitelných částic – neutrin či nízkoenergetických fotonů, uvažuje se také o nových detektorech seismických vln fungujících na stejném principu.
Paper: Daniel Carney, Sohitri Ghosh, Gordan Krnjaic, Jacob M. Taylor. Gravitational Direct Detection of Dark Matter. Physical Review D. Published online Oct. 13, 2020. DOI: 10.1103/PhysRevD.102.072003
Zdroj: National Institute of Standards and Technology/Phys.org
