Student World

Slibnou strategií ohledně studia temné hmoty je použít stejný princip jako s nukleosyntézou atomových jader. Jenom musíme začít při daleko vyšších energiích a do prvotní směsi přidat další ingredienci: novou částici, jež nakonec utvoří temnou hmotu. Víme, že temná hmota je temná, takže ona částice by měla být elektricky neutrální. (Nabité částice interagují elektromagneticky, a proto vysílají fotony, jež můžeme zaznamenat.) A víme také, že temná hmota stále ještě existuje, takže částice by měla být stabilní. Určitě my měla mít typickou dobu života delší, než je stáří vesmíru. Dokonce víme ještě další fakt: temná hmota navzájem neinteraguje nijak silně. Kdyby tomu tak bylo, soustředila by se v centrech galaxií, tedy nikoli v rozsáhlém oblaku tvořícím galaktické halo, jak pozorujeme. Temná hmota proto nemůže reagovat na silnou jadernou interakci. Ze všech známých přírodních sil temná hmota určitě interaguje gravitačně a možná i prostředním slabé jaderné síly.

Představme si specifický druh nové částice, „slabě interagující hmotnou částici“, anglicky „Weakly Interacting Massive Particle“, tedy ve zkratce WIMP. (Kosmologové jsou nesmírně drzí a neustále vymýšlejí nová jména.) Pojmem „slabě interagující“ zde nemyslíme jenom to, že „moc neinteragují“, ale že jsou to částice, které pociťují slabou jadernou sílu částicové fyziky. Pro jednoduchost předpokládejme, že WIMPy mají hmotnost srovnatelnou s hmotnostmi dalších částic souvisejících se slabými interakcemi, tedy W a Z nebo Higgse. Řekněme kolem 100 GeV, anebo alespoň v rozmezí 10 až 1000 GeV. Specifické detaily budou důležité pro přesný výpočet interakce, ale zmíněné základní vlastnosti již dostačují k  rámcové úvaze a hrubému odhadu.

Je opravdu pozoruhodné, že odhadnuté množství takovýchto WIMPů velmi dobře souhlasí se skutečným množstvím temné hmoty. Shoda je téměř dokonalá. Existuje samozřejmě jistá neurčitost daná tím, že možná existují i další zatím neznámé částice a že neznáme přesně proces anihilace WIMPů, nicméně hrubý odhad funguje výtečně. Reliktní zastoupení stabilních částic s interakcemi slabého typu vcelku snadno poskytuje výborné vysvětlení temné hmoty v hrubých rysech.

Tato pozoruhodná shoda se nazývá „WIMP zázrak“. Díky ní řada částicových fyziků pevně věří, že tajemství temné hmoty tkví v existenci nového druhu částic, jež mají hmotnost srovnatelnou s bosony W/Z/Higgsem. Uvedené částice se samozřejmě velmi rychle rozpadají, takže WIMPy by s jakýchsi důvodů musely být mnohem stabilnější, což ale není těžké teoreticky zařídit. Existují i další akceptovatelné teorie původu temné hmoty. Například by mohlo jít o částici „axion“, kterou vymysleli Steven Weinberg a Frank Wilczek. To by měl být mnohem lehčí bratranec Higgsova bosonu. Modely WIMP jsou dnes ale zdaleka nejpopulárnější.

Hypotéza, že temnou hmotu tvoří WIMP, otevírá velmi nadějné experimentální možnosti, neboť Higgs by s ním interagoval. Ve většině životaschopných modelů WIMP původu temné hmoty by nejsilnější vazbou mezi temnou a obyčejnou hmotou měla být výměna Higgsova bosonu. Higgsův boson by tedy mohl fungovat jako brána mezi naším světem a převážnou částí vesmíru.

Higgsův portál

Uvedený rys, totiž interakce prostřednictvím Higgsova bosonu, je ve většině teorií jdoucích za rámec standardního modelu obvyklý. Podle těchto teorií by měla existovat spousta nových částic v takzvaném „skrytém sektoru“, které prakticky vůbec neinteragují s částicemi, jež jsme až dosud objevili. Higgs by s nimi měl mít daleko užší vazby než všechny fermiony a kalibrační bosony, měl by s nimi mnohem intenzívněji intereagovat. V tomto smyslu tedy je objev Higgse završením jednoho gigantického projektu, jímž je standardní model elementárních částic, ale současně zahájením dalšího, ještě ambicióznějšího: objevit skryté světy ležící za tímto modelem. Frank Wilczek se svým spolupracovníkem Brianem Pattem nazvali tuto fascinující možnost „Higgsův portál“ mezi standardním modelem a skrytými sektory hmoty.

Při diskuzi metod detekce Higgsova bosonu v deváté kapitole jsem upozornil na to, že Higgs se rozpadá na dva fotony prostřednictvím uzavřených smyček virtuálních částic. Přesná četnost takovýchto rozpadů samozřejmě závisí na počtu všech druhů elementárních částic, jež se mohou v příslušných smyčkách vyskytnout. Musí jít o částice vázané jak na Higgsův boson, tak na fotony. Ve standardním modelu je tato četnost jednoznačně určena hmotností Higgse. Změříme-li tedy četnost rozpadů uvedeným kanálem a zjistíme-li přitom, že proces probíhá rychleji, než bychom čekali, bude to silný argument pro existenci nových a zatím neznámých druhů částic, přestože je přímo nedokážeme spatřit. Data nasbíraná LHC v letech 2011 a 2012 naznačila o něco četnější produkci dvou fotonů vůči předpovědi standardního modelu, rozdíl však zatím nebyl průkazný. Jev bude rozhodně pečlivě studován během dalších měření.

Podle WIMP scénáře by temná hmota měla být všude kolem nás, i v místnosti, kde právě teď sedíte. Předpokládáme, že v libovolném objemu velikosti šálku kávy se nachází jedna částice temné hmoty. Částice se ale poměrně rychle pohybují, typicky rychlostí stovek kilometrů za sekundu. Vaším tělem tak každou sekundou prochází miliardy WIMPů. Nemůžete si jich ale vůbec všimnout, protože nesmírně slabě interagují. Prostě vámi proletí doslova jako duch. Jejich interakce je slabá, ale nikoli nulová. Výměnou Higgsova bosonu se WIMP může střetnout s jedním z kvarků v protonech a neutronech vašeho těla. Katherine Freeseová a Christopher Savage spočítali, že v rozumných modelech můžeme očekávat asi deset interakcí částic temné hmoty s atomy lidského těla za rok. Efekt každé jednotlivé srážky je naprosto zanedbatelný, takže se rozhodně nemusíte bát, že dostanete z temné hmoty žaludeční nevolnost.

Uvedený druh interakce však můžeme použít k experimentálnímu pátrání po temné hmotě v laboratoři. Stejně jako v případě LHC je zásadním problémem rozlišit signál od šumu pozadí. Temná hmota zdaleka není jediná věc, která se může srazit s atomovým jádrem: radioaktivní záření a kosmické paprsky tak činí neustále. Fyzici proto se svými zařízeními sestupují do hlubokých dolů a speciálních bunkrů, kde jsou jejich zařízení co možná nejlépe stíněna od všemožných rušivých vlivů. U citlivých detektorů pak trpělivě čekají na slabý signál průchodu částice temné hmoty, jež právě narazila do jádra atomu. Oblíbené jsou dva typy detektorů: kryogenní (detektor registruje tepelnou energii uvolněnou při srážce temné hmoty s jádrem v krystalu ochlazeném na velmi nízkou teplotu) a se vzácnými plyny v kapalném skupenství (detektor měří světelný scintilační záblesk, když částice temné hmoty interaguje s kapalným xenonem anebo argonem.)

Strategie podzemních měření, jejichž cílem je pátrání po interakcích všudypřítomné temné hmoty, je známa pod přízviskem „přímé měření“. Jde o jednu z hlavních priorit soudobé experimentální fyziky. Poměrně značný počet experimentů již vyloučil některé hypotetické modely temné hmoty. Přesná znalost klidové hmotnosti Higgsova bosonu nám nyní pomůže lépe propojit teoretické předpovědi vlastností WIMPů s možnými pozorovatelnými jevy. Citlivost detektorů je již velmi vysoká a neustále se zlepšuje. Nemělo by nás proto překvapit, kdyby se temnou hmotu podařilo přímým způsobem detekovat už do pěti let. Ale neměli bychom být ani překvapení, kdyby se to nepodařilo. Příroda skrývá spoustu tajemství…

Existuje-li technika zvaná „přímé měření“, přirozeně máme k dispozici také jinou techniku „nepřímých měření“. Spočívá v tom, že čekáme, až se někde v naší Galaxii anebo hlouběji ve vesmíru srazí temná hmota navzájem a dojde k anihilaci. Při tomto procesu by došlo k produkci gama záření (fotonů s mimořádně vysokou energií), které můžou zaznamenat satelity. Fermiho gama teleskop NASA dnes skenuje celou oblohu v tomto spektrálním oboru a vytváří katalog událostí, při nichž došlo k zábleskům gama. Ale opět je tu zásadní problém odlišit signál od šumu. Astronomové se ze všech sil snaží pochopit, jaký charakteristický signál by odpovídal anihilaci temné hmoty, a doufají, že se jim ho podaří odlišit od spousty jiných signálů z běžných astrofyzikálních zdrojů. Je také možné, že temná hmota by mohla anihilovat v Higgsův boson (namísto v jiné částice prostřednictvím Higgsova bosonu), což je scénář, který se z docela pochopitelných důvodů nazývá „Higgs ve vesmíru“.

A také si dokážeme představit, že temnou hmotu vyrobíme tady doma, v urychlovači LHC. Jestliže se Higgs váže na temnou hmotu a nejsou-li částice temné hmoty příliš těžké, pak by se Higgs mohl rozpadat přímo na WIMPy. WIMPy samozřejmě nemůžeme přímo detekovat, protože interagují velmi málo. Všechny by z detektoru prostě uletěly pryč, stejně jako to činí neutrina. Můžeme ale sečíst celkový počet pozorovaných rozpadů Higgsova bosonu a srovnat ho s tím, co očekáváme. Bude-li naměřená hodnota menší, může to znamenat, že občas se Higgs rozpadne na neviditelné částice. Přijít na to jaké, ale bude určitě trvat dlouhou dobu.
(dokončení textu)

Tento text je úryvkem z knihy:
Sean Carroll : Částice na konci vesmíru
Kterak nás honba za Higgsovým bosonem dovedla až na práh nového světa
Argo a Dokořán 2014
O knize na stránkách vydavatele

autor