Temná hmota je obrovská. Detektor tentokrát skoro ne
Většina hmoty ve vesmíru, která gravitačně ovlivňuje galaxie, nevydává světlo a zatím nevíme, z čeho se skládá. Temná hmota se prozrazuje gravitací. Vidíme, jak rychle obíhají hvězdy v galaxiích, jak se pohybují kupy galaxií nebo jak neviditelná hmota ohýbá světlo vzdálených objektů.
Když ale fyzikové chtějí zachytit samotnou částici temné hmoty, nastává problém. Nevědí totiž, jaká částice to je.
Velká část experimentů proto cílí na kandidáty s hmotnostmi přibližně v oblasti známých subatomárních částic nebo atomů. Staví obrovské, extrémně čisté detektory a čeká, zda vzácná interakce zanechá měřitelný signál.
Jenže temná hmota by teoreticky mohla být také mnohem těžší. A pokud hledáte velmi těžkého návštěvníka, můžete místo obrovského objemu použít něco, čemu stačí nepatrný náraz.
Zrnko, které nesmí nic rušit
Tým Rice University použil malý permanentní magnet přibližně velikosti zrnka písku. Nechal jej levitovat nad supravodičem ochlazeným těsně nad absolutní nulu.
To je podstatné. Magnet se ničeho mechanicky nedotýká, takže téměř zmizí obyčejné tření, které by jeho pohyb tlumilo nebo vytvářelo rušivý šum. Celý experiment je navržen tak, aby magnet mohl reagovat na mimořádně slabou sílu.
Poloha se měří s citlivostí odpovídající přibližně setině šířky atomu. Tady není důležitá absolutní velikost detektoru. Důležité je, že je nesmírně klidný.
Kdyby se kolem pohyboval hypotetický mimořádně těžký objekt temné hmoty a vhodným způsobem interagoval s běžnou hmotou, mohl by při průchodu předat magnetu nepatrnou hybnost. Výzkumníci by pak nehledali světelný záblesk ani elektrický impuls. Hledali by malé strčení.
Místo šumu čekali na jediné „ťuknutí“
Stejná aparatura už dříve sloužila k hledání velmi lehké temné hmoty. Takový kandidát by se mohl projevit jako dlouhodobější, pravidelně se měnící síla. U extrémně těžké částice je situace jiná. Pokud jsou takové objekty opravdu masivní, jejich počet v prostoru by byl odpovídajícím způsobem menší. Detektor proto nečeká na nepřetržitý signál, ale na vzácnou jednotlivou událost.
Něco proletí. Magnet dostane mikroskopický impuls. A pokud je aparatura dostatečně tichá, fyzikové ho uvidí. Tým sbíral data přibližně měsíc a zvláštní pozornost věnoval klidnějším nočním obdobím, kdy okolní vibrace a další rušení klesají. Žádný přesvědčivý úder temné hmoty nenašel.
Nic není někdy velmi užitečný výsledek
To může znít jako neúspěch. Ve fyzice částic je ale nulový výsledek často přesně tím, co potřebujete. Představme si, že určitý hypotetický typ částice má konkrétní hmotnost a určitou pravděpodobnost interakce s běžnou hmotou. Pokud by existoval v dostatečném množství, během měsíce by měl do detektoru podle modelu několikrát narazit.
Nic se nestalo. Takovou kombinaci vlastností pak lze vyloučit nebo výrazně omezit. Fyzikové tím postupně ukusují z obrovského prostoru možných vysvětlení. Nevědí ještě, kde temná hmota je, ale dokážou říkat, kde už s určitými vlastnostmi být nemůže.
Nový experiment prozkoumal rozsah zhruba devíti řádů hmotnosti a dostal se ke kandidátům přibližně desetmilionkrát těžším, než jaké předchozí experimenty s levitujícími částicemi tímto způsobem testovaly.
Temná hmota může být těžší, než jsme zvyklí si představovat
Když se řekne částice, intuitivně si představíme něco téměř nekonečně malého. „Částice temné hmoty“ je ale spíš označení kandidáta než záruka konkrétní velikosti či hmotnosti. Některé modely připouštějí objekty dramaticky těžší než protony či atomy, potenciálně až v makroskopičtějších hmotnostních oblastech. Takové kandidáty klasické experimenty nemusí hledat optimálně.
Právě tady má malý magnet výhodu. Sám má hmotnost v řádu miligramů, a je proto vhodnější k zachycení předané hybnosti od mnohem těžšího hypotetického návštěvníka než některé miniaturní kvantové senzory navržené pro jiné oblasti parametrů. Nejde tedy o konkurenci všem ostatním detektorům. Je to další druh sítě s jinak velkými oky.
Příště bude magnetů víc
Jedním z největších problémů experimentů citlivých na nepatrné síly je odlišit potenciální nový fyzikální signál od obyčejného světa. Budova vibruje. Zemí procházejí seismické vlny. Aparatura má vlastní šum. Přístroj může ovlivnit okolní elektromagnetické prostředí.
Tým proto plánuje magnet dále ochladit, prodloužit dobu měření a především použít několik levitujících magnetů současně. To je chytrý krok.
Pokud všechny magnety ve stejný okamžik poskočí podobným směrem, pravděpodobnější příčinou je vibrace aparatury. Pokud se jasný impuls objeví jen na jednom místě způsobem odpovídajícím průletu částice, situace začne být mnohem zajímavější.
Ani tak samozřejmě nebude jeden pohyb automaticky důkazem temné hmoty. Vyžadoval by další kontroly a nezávislé potvrzení. Ale experiment krásně ukazuje, jak zvláštně může vypadat hon na jednu z největších záhad kosmologie.
Nemusíte vždy postavit obří nádrž hluboko pod horou. Někdy stačí vzít objekt menší než zrnko rýže a udělat kolem něj takové ticho, aby si všiml téměř neexistujícího doteku.
MOHLO BY SE VÁM TAKÉ LÍBIT
Zdroje: Kód Enigma [1], Rice University – Levitated magnet opens new frontier in search for ultraheavy dark matter [2], Phys.org – Levitated magnet opens new frontier in search for ultraheavy dark matter [3]. img ai generated
