LEAD – Nevidíme ju, nedokážeme ju chytiť a napriek tomu by bez nej galaxie vyzerali úplne inak. Temná hmota patrí už desaťročia medzi najväčšie záhady fyziky. Teraz vedci hlboko pod zemou v americkej Južnej Dakote zaznamenali jediný zvláštny záblesk, ktorý zatiaľ nedokážu uspokojivo vysvetliť. Ak ho skutočne spôsobila častica temnej hmoty, mohlo ísť o prvý priamy kontakt ľudstva s látkou tvoriacou väčšinu hmoty vo vesmíre. Na oslavy je však ešte veľmi skoro.
Vieme, že tam je. Netušíme však, čo to je
Temná hmota má zvláštnu vlastnosť – vedci majú množstvo dôkazov o jej existencii, ale nikdy ju priamo nezachytili.
Nevyžaruje ani neodráža svetlo, takže ju nemožno pozorovať ďalekohľadom. Prezrádza ju predovšetkým gravitácia.
Pohyb hviezd v galaxiách či ohýbanie svetla okolo veľkých galaktických štruktúr ukazujú, že vo vesmíre musí byť podstatne viac hmoty, než dokážeme vidieť.
Podľa súčasných kozmologických modelov predstavuje temná hmota približne 85 percent všetkej hmoty vo vesmíre. Zvyšok tvorí nám známa hmota – hviezdy, planéty, plyn, prach aj naše vlastné telá.
Otázkou zostáva, z čoho je tá neviditeľná väčšina vlastne vytvorená.
Jeden z kandidátov sa volá WIMP
Medzi najznámejších kandidátov patria hypotetické častice označované skratkou WIMP – Weakly Interacting Massive Particle, teda slabo interagujúce masívne častice.
Ak existujú, mohli by byť všade okolo nás.
Obrovské množstvo by ich neustále prelietavalo Zemou aj našimi telami bez toho, aby sme čokoľvek pocítili. S bežnou hmotou by totiž reagovali iba mimoriadne zriedkavo.
Fyzici sa ich preto celé desaťročia snažia pristihnúť práve v tej výnimočnej chvíli, keď jedna z nich predsa len narazí do jadra obyčajného atómu. A možno sa to teraz podarilo.
Kilometer pod zemou čaká desať ton xenónu
Experiment LUX-ZEPLIN (LZ) sa nachádza v Sanford Underground Research Facility v americkej Južnej Dakote.
Nie náhodou je ukrytý takmer 1,5 kilometra pod zemským povrchom v bývalej zlatej bani.
Obrovská vrstva horniny nad laboratóriom slúži ako prirodzený štít proti kozmickému žiareniu, ktoré by mohlo v detektore vytvárať falošné signály. Samotné zariadenie chránia ešte ďalšie vrstvy vrátane vodnej nádrže a vonkajších detektorov.
V jeho srdci sa nachádza približne desať ton ultračistého kvapalného xenónu.
Princíp je jednoduchý aspoň na papieri. Ak by častica temnej hmoty narazila do jadra atómu xenónu, jadro by dostalo úder a odrazilo sa. Energia uvoľnená pri tejto udalosti by v xenóne vytvorila nepatrný záblesk ultrafialového svetla a elektrický signál, ktoré dokážu mimoriadne citlivé senzory zachytiť.
A potom prišiel zvláštny záblesk
Vedci teraz analyzovali 220 dní meraní zozbieraných od marca 2023 do apríla 2024.
Tentoraz sa zamerali na širšiu skupinu možných interakcií WIMPov, ktoré by mohli do jadra xenónu odovzdať viac energie než modely skúmané v predchádzajúcich analýzach. A v dátach našli niečo nezvyčajné. Jedinú časticovú udalosť.
Jadro xenónu získalo energiu približne 248 kiloelektrónvoltov. Signál sa pritom objavil práve v oblasti, kde je očakávaný počet udalostí spôsobených známymi zdrojmi pozadia mimoriadne nízky.
Vedci následne celé mesiace skúmali, čo mohlo záblesk spôsobiť.
Zatiaľ nenašli uspokojivú odpoveď. „Toto je prvý príklad v akomkoľvek experimente, na ktorom som pracoval, keď odľahlá udalosť vyzerá po všetkých stránkach ako platná,“ povedal fyzik z Berkeley Lab Aaron Manalaysay.
Zároveň priznal, že tím si stále láme hlavu nad tým, či nemohli prehliadnuť nejaký mimoriadne vzácny zdroj pozadia.
Ak to bol WIMP, musel byť poriadne ťažký
Ak záblesk naozaj vyvolala častica temnej hmoty, vedci už dokážu povedať niečo aj o jej možných vlastnostiach.
WIMP by musel mať hmotnosť najmenej približne 200 GeV/c², teda viac než 200-násobok hmotnosti protónu.
Zaujímavé je aj to, že by nešlo o najjednoduchší typ interakcie WIMPu s obyčajnou hmotou, ktorý fyzici hľadajú celé desaťročia.
Signál by skôr ukazoval na komplikovanejší spôsob interakcie, ktorý sa stal dostupným práve vďaka rozšíreniu energetického rozsahu novej analýzy.
Ak by sa takýto výsledok potvrdil, fyzikom by neposkytol iba dôkaz existencie častice temnej hmoty. Začal by im zároveň napovedať, aká táto častica vlastne je a ako reaguje s bežnou hmotou.
Pravdepodobnosť náhody je približne jedna ku 200
A teraz prichádza najdôležitejšie upozornenie.
Vedci neoznámili objav temnej hmoty.
Štatistická významnosť výsledku dosahuje po započítaní takzvaného look-elsewhere efektu 2,6 sigma. Zjednodušene to znamená, že pravdepodobnosť, že pozorovanie možno vysvetliť známymi zdrojmi pozadia, je približne 0,5 percenta – asi jedna ku 200.
Znie to presvedčivo, ale fyzika elementárnych častíc používa na vyhlásenie objavu mimoriadne prísne kritérium. Potrebných je 5 sigma. Jedna zvláštna udalosť teda nestačí.
„Nechceme predbiehať,“ upozornil hovorca experimentu LZ a profesor Brownovej univerzity Rick Gaitskell.
„Netvrdíme, že sme videli temnú hmotu. Videli sme však niečo zaujímavé, o čo sa chceme podeliť s vedeckou komunitou.“
Práve jediná udalosť však vedcov vzrušuje
Na prvý pohľad môže pôsobiť zvláštne, že fyzikov tak nadchol jeden jediný bod v obrovskom množstve dát.
Pri hľadaní temnej hmoty je však práve to podstatou experimentu.
Ak WIMPy existujú, s normálnou hmotou majú interagovať tak zriedkavo, že aj niekoľko presvedčivých udalostí by mohlo predstavovať prvú stopu ich existencie.
„Náš detektor a jeho pozadie poznáme tak dobre, že aj jediná výnimočná udalosť, akú sme našli, je dôležitá,“ vysvetlil hlavný autor analýzy Sam Eriksen z Bristolskej univerzity.
Profesor Chamkaur Ghag z University College London dodáva, že signál sa objavil presne tam, kde by vedci dúfali, že sa temná hmota ukáže, a prežil niekoľko mesiacov dôkladného preverovania.
Odpoveď môže dať ďalších niekoľko zábleskov
Experiment pokračuje a práve ďalšie merania rozhodnú, či fyzici zachytili prvú stopu jednej z najväčších záhad vesmíru alebo iba mimoriadne presvedčivú náhodu.
Ak sa v dátach začnú objavovať ďalšie udalosti s rovnakými vlastnosťami, štatistická významnosť bude rásť.
Ak neprídu, dnešné nadšenie môže postupne vyprchať.
LZ už medzičasom zhromaždil najväčší súbor dát z priameho hľadania temnej hmoty na svete a experiment má pokračovať smerom k celkovej expozícii 1 000 dní merania.
Fyzici tak zatiaľ nemôžu povedať, že temnú hmotu našli.
Po takmer storočí hľadania však majú v detektore jeden osamelý záblesk, ktorý odmieta jednoducho zmiznúť medzi vysvetlenými udalosťami.
A ak sa k nemu v budúcnosti pridajú ďalšie, mohlo by ísť o prvé priame pozorovanie hmoty, ktorá tvorí väčšinu materiálneho vesmíru.
