Schéma supravodivého nanodrátového detektoru jednotlivých fotonů. Drátky použité v této studii byly vyrobeny ze silicidu wolframu. Kredit: S. Kelley/NIST

Navrhli 3 nové způsoby lovu temné hmoty

Supravodivé detektory, atomové hodiny u Slunce, změna fyzikálních konstant, temné fotony a částice s nábojem oproti elektronu setinovým. Přehlídka exotické fyziky.

Na americkém NISTu přišli hned se třemi nápady, jak detekovat temnou hmotu. První metoda je založena na použití supravodičů. Vědci zvolili nanodrátky ze silicidu wolframu; tato sloučenina je za extrémně nízkých teplot supravodivá. Systémy takových drátů fungují jako tzv. supravodivé nanodrátové jednofotonové detektory; jsou výjimečně citlivé i na extrémně malá množství energie, kterou jim předávají fotony. Pokud se detektor nachází těsně pod kritickou teplotou suravodivého přechodu, už jediný foton může předáním své energie způsobit zahřátí materiálu, což se projeví skokovým vznikem elektrického odporu. Celé zařízení je uspořádáno tak, že je-li průtok proudu nanodrátem zablokován, proud se šíří druhou cestou připojenou k elektrickému zesilovači. Zde vygeneruje krátké, ale měřitelné napětí – signál, že se část nanodrátu zahřála interakcí s fotonem. Podle autorů nové studie by přitom tuto energii mohly dodat nejen fotony, ale i částice temné hmoty.
Experiment se skládal z malého čtvercového pole nanodrátků, z nichž každý měl průměr 140 nanometrů a byly od sebe vzdáleny 200 nm. Vše bylo uzavřené v boxu nepropustném pro světlo. Případný signál by měl pocházet od (hypotetických) temných fotonů. (Poznámka: Celé je to ovšem ještě složitější, protože podle teoretického modelu by měl temný foton při srážce se zařízením „anihilovat“ za vzniku fotonu v infračervené části spektra; teprve ten by pak vyvolal odezvu detektoru. Působí to na laika poněkud divně, neměla by temná hmota být vyjma gravitace netečná? Nebo v tomto modelu na ni právě jako na neutrina působí i slabá síla?)
Experiment nezjistil žádný důkaz existence temných fotonů v rozmezí nízkých hmotností 0,7 až 0,8 elektronvoltů/c na 2 (eV/c na 2), což je méně než půlmiliontina hmotnosti elektronu. Pozorování ovšem probíhalo jen asi 180 hodin, experiment by měl pro přesvědčivější výsledky samozřejmě trvat déle a/nebo použít mnohem větší počet detektorů. Nicméně i tak se jedná o nejcitlivější dosud provedené hledání temných fotonů v tomto hmotnostním rozsahu.
(Poznámka: To, že se nic nenašlo, asi nikoho nepřekvapuje.)

Jeff Chiles et al, New Constraints on Dark Photon Dark Matter with Superconducting Nanowire Detectors in an Optical Haloscope, Physical Review Letters (2022). DOI: 10.1103/PhysRevLett.128.231802

Další studie navrhuje, že citlivými detektory elektricky nabitých částic temné hmoty by mohly být elektrony. Elektrony mají nejmenší hmotnost ze všech známých nabitých částic, a proto je snadno postrčí nebo přitáhne i ta nejmenší elektrická porucha, například částice s malým elektrickým nábojem procházející v jejich blízkosti. K detekci nabitých částic temné hmoty s náboji o velikosti pouhé setiny náboje elektronu by proto mělo stačit jen několik málo jednotlivých elektronů předtím zafixovaných v různých„pastech a ochlazených těsně nad absolutní nulu, aby jinak byly samy o sobě v klidu. (Poznámka: Samozřejmě z pohledu laika působí řada věcí dost překvapivě, už třeba existence takto zlomkových elektrických nábojů, byť hypopetická; také u temné hmoty se obvykle předpokládá, že interaguje pouze gravitačně.) Navíc by se past dala i nějak speciálně nakonfigurovat a z pohybu elektronu by pak šlo určit i to, z jakého směru částice temné hmoty přilétají.
Potíž je v tom, že celá technika je prozatím zavedena pro ionty zachycené v pastech (hlavně pro beryllium). S těmi se manipuluje a jejich pochyb se snímá pomocí fotonů ve viditelném spektru. Fotony potřebné k manipulaci a snímání pohybu jednotlivých elektronů mají naproti tomu energii v rozsahu mikrovln (méně hmotné částice, menší odpovídající energie fotonu); příslušná zařízení by tedy bylo třeba nejprve vyvinout a odladit.

Daniel Carney et al, Trapped Electrons and Ions as Particle Detectors, Physical Review Letters (2021). DOI: 10.1103/PhysRevLett.127.061804

A do třetice, hledání temné hmoty mimo Zemi. Vědci tvrdí, že ultralehké částice temné hmoty by mohla zachytit nová generace atomových hodin instalovaných na sondě, která by se dostala co nejblíž Slunci (mělo by stačit blíže, než je oběžná dráha Merkuru).
Nápad vychází z toho, že hypotetický typ temné hmoty, vázaný na halo obklopující Slunce, by způsoboval nepatrné změny základních přírodních konstant, včetně hmotnosti elektronu a konstanty jemné struktury. (Poznámka: Z pohledu laika je toto opět ne zrovna srozumitelné; průvodní tisková zpráva to nejspíš myslí jako zjednodušení, fyzikální konstanty jako takové by se asi neměnily, jen by to tak vypadalo. Nicméně i tak, konstanta jemné struktury odpovídá relativní velikosti náboje elektronu, proč by zde tedy měla temná hmota výsledky nějak zkreslovat?)
Každopádně, změny těchto konstant by změnily frekvenci vibrací atomových hodin – tedy rychlost, s jakou „tikají“. Pro experiment by se vybraly takové takové (různé, 2 či více) atomové hodiny, které by měly odlišnou citlivost na změny základních konstant způsobené ultralehkou temnou hmotou. Měřením poměru různě se měnících frekvencí jednotlivých hodin by se pak dala odhalit přítomnost temné hmoty i míra jejího vlivu („množství/hustota“ apod.).

Yu-Dai Tsai et al, Direct detection of ultralight dark matter bound to the Sun with space quantum sensors, Nature Astronomy (2022). DOI: 10.1038/s41550-022-01833-6

Zdroj: National Institute of Standards and Technology / Phys.org

Supravodivost grafenu lze zapínat elektrickým pulzem

Fyzikové z MITu zkoumali grafen v podobě oblíbené dvojvrstvy s pootočením o magický úhel 1,1°. …

2 comments

  1. K vašim poznámkám.

    Pokud hledají temné fotony, pravděpodobně předpokládají existenci celého „temného sektoru“, který podle nejdivočejších teorií může být zcela analogický našemu světu, tedy může obsahovat tmavé hvězdy, tmavé planety a možná se tam někde prochází tmavý Pavel Houser, jen ten tmavý sektor s naším interaguje jen prostřednicím gravitace. Jak ale může anihilací tmavého fotonu vzniknout normální foton nevím, podle mě to je možné jen přes gravitony a to by asi byl proces s velmi malým účinným průřezem.

    A co se týká konstanty jemné struktury, její hodnota se mění kvantovými korekcemi podle energie procesu, ve kterém vystupuje (viz třeba pěkná přednáška https://youtu.be/MkwX0O0k-Ak). Existence temné hmoty může tyto kvantové korekce ovlivnit.

  2. ted jsem nekde jinde cetl, ze temne fotony se maji (v nejake teorii/modelu) na normalni premenovat podobne, jako mezi sebou osciluji ruzne typy neutrin. no nevim, soucasne tam predpokladali nenulovou klidovou hmotnost temnych fotonu. tak mi prijde, ze nazev zvoleny pro tuto hypotetickou castici je spis nestastny, matouci…

Napsat komentář

Vaše e-mailová adresa nebude zveřejněna. Vyžadované informace jsou označeny *

Používáme soubory cookies pro přizpůsobení obsahu webu a sledování návštěvnosti. Data o používání webu sdílíme s našimi partnery pro cílení reklamy a analýzu návštěvnosti. Více informací

The cookie settings on this website are set to "allow cookies" to give you the best browsing experience possible. If you continue to use this website without changing your cookie settings or you click "Accept" below then you are consenting to this.

Close