Sciencemag.cz
Doporučujeme
Američtí fyzici navrhli detektor, který by mohl pomoci objasnit záhadu temné hmoty. Dokáže totiž zaregistrovat i částice s velmi nízkou hmotností, na které současné experimenty nejsou dostatečně citlivé.
Základem detektoru je nádrž se supratekutým heliem 4. Zařízení bude využívat ionizaci polem (field ionization, polní ionizace) ke sledování jednotlivých heliových iontů katapultovaných ze supratekutého povrchu při dopadu slabě interagujících částic (WIMP – weakly interacting massive particles).
O existenci temné hmoty hovořil už v roce 1933 švýcarský astronom Fritz Zwicky. Znovu se jí však astrofyzici začali věnovat až v sedmdesátých letech minulého století. Zwicky léta pozoroval pohyb galaxií v jedné blízké hvězdokupě a zjistil, že jejich rychlosti vůči sobě navzájem jsou v rozporu s rychlostmi, jaké by galaxie měly mít, kdyby jejich pohyb ovlivňovala pouze viditelná hmota, kterou známe. Celková hmotnost kupy by v takovém případě musela být asi desetkrát větší než hmotnost viditelná.
Podle posledních výpočtů je temné hmoty (která nevysílá elektromagnetické záření, proto je „temná“) ve vesmíru asi 23 %, zatímco té naší, svítící, pouhá 4 %. Nedávné pozorování gravitačních vln koncepci temné hmoty ještě posílilo na úkor jiných navrhovaných modelů gravitace. Jenže navzdory úsilí řady laboratoří nebyly dosud částice temné hmoty přímo pozorovány. Řada fyziků však stále na místo kandidáta na temnou hmotu preferuje právě slabě interagující masivní (těžké) částice (WIMP).
Metody zkoumání temné hmoty se zatím soustřeďovaly na částice s velkou hmotností a nejsou příliš citlivé na částice, které by byly lehčí než 10 GeV/c2 (deset hmotností protonu). Některé nové teorie však hovoří právě o částicích WIMP s hmotností pod tímto prahem. Američtí fyzici z Brownovy univerzity proto teď vymysleli model detektoru, který limit hmotnosti zkoumaných částic posunuje o tři až čtyři řády níž.
Vědci zvolili jako hmotu detektoru helium 4, protože zachycuje více energie na jednu kolizi než těžší cíle, a navíc nízká vnitřní radioaktivita minimalizuje možnost zachycení falešného signálu. Když částice interaguje s cílovou částicí, zpětný ráz heliových atomů by měl vybudit fonony a rotony, což jsou kvazičásticové excitace, které se mohou v supratekutém heliu šířit bez rozptylu. Když tyto excitace dosáhnou povrchu, heliové ionty se prostřednictvím kvantového vypařování dostanou ven.
Podobnou techniku vyvinula stejná skupina už před několika lety pro detektor neutrin HERON. V tomto experimentu jsou vypařené heliové atomy zachycovány na křemíkové destičce kalorimetru zavěšeného nad supratekutinou a způsobují měřitelné zvýšení teploty. Tento způsob je vhodný, když se do supratekutiny dostává velké množství energie, což má za následek vytváření velkého množství rotonů a atomů. Jenže tato metoda se nedá použít pro detekci malého množství atomů, které se vypaří působením částic temné hmoty o hmotnosti například jen 1 MeV.
Jedinečnost nové metody spočívá v citlivosti zařízení na jednotlivé atomy. Znamená to, že minimální detekovatelná předávaná kinetická energie, tedy energie dodaná heliovému jádru kolizí s částicí temné hmoty, je rovna vazební energii heliového atomu s kapalinou. Zatím neexistuje velkoplošný kalorimetr, který by byl citlivý na tak malé hodnoty energie, a proto musejí být heliové atomy, které jsou vypuzované malou rychlostí, nejdříve podstatně urychleny.
Trik, který vymyslel tým z Brownovy univerzity, spočívá v tom, že vypařené atomy procházejí polem kladně nabitých ostrých kovových hrotů. Silná lokální elektrická pole atomy helia ionizují a výsledné kladné ionty jsou urychlovány směrem ke katodě tak, že jejich energie leží v oblasti, která je už současnými kalorimetry detekovatelná.
Přidání ionizace polem (field ionization) otevírá možnost detekování energie přidané do helia, která je 10 000krát menší než v předcházejících pokusech. To by umožnilo detekovat částice temné hmoty v oblasti hmotností daleko nižších než dosud. Fyzici předpokládají, že galaxií neustále pronikají „WIMPs“ jednoho typu a že lokální galaktická „úniková“ rychlost představuje maximum, které je pro částice možné, a očekávají, že citlivost na jednotlivý atom posune detekovatelnou hmotnost částice na 0,6 MeV/c2, tedy na méně než tisícinu hmotnosti protonu. Ještě vyšší citlivosti by pak mohly dosáhnout modifikované detektory, které by používaly místo helia pevný krystalický materiál kombinovaný například s tenkými vrstvami cesia.
Původní materiál byl uveřejněn v Physical Review Letters.
autor: Jana Štrajblová
Převzato z Matfyz.cz
