Temná hmota může být zakleta do hexakvarků, mohli bychom ji snáze detekovat

TLDR verze: Nová hypotéza přichází s možností, že 23 % vesmíru, který popisujeme jako temnou hmotu, by mohlo mít formu Bose-Einsteinova kondenzátu v podobě hexakvarků. Takovou temnou hmotu bychom mohli v dohledné době možná snáze detekovat! Studie tu.

Astrofyzikální temno

Co si budeme, bez temné hmoty by byla astrofyzika posledního století dost nuda! Už už se 90 let nazpět pomalu zdálo, že jsme pochopili většinu univerza, rozbili atom a patentové úřady budou brzy moct zavřít své brány – ale pak se ukázalo, že nám známá hmota tvoří jenom 4 % vesmíru! To je zvrat jako od G.R.R. Martina!

Dodnes není jasné, co ona temná hmota vlastně je. Víme, že by ji měl být kotel za hranicemi galaxií, ale nejspíše by se měla nacházet i uvnitř nich. Tuší se to právě z toho, že na galaxii rotací pozorujeme takové rychlosti, jakoby by hranice galaxií měla být dalece za tou hmotou, kterou vidíme.

Pak je tu tedy ještě ta skutečnost, že i temná hmota tvoří jen 23 % vesmíru, protože na scénu se vtírá ještě temná energie tvořící přes 70%, ale o té zase jindy.

Astrofyzici každopádně dlouhé roky předpokládali, že by temná hmota mohla být ukuta do titěrných nebaryonových částic WIMPs, které sice s nám známou (baryonovou) hmotou interakují gravitačně, ale postrádají interakci v jiných silách. Spíše než částice temné hmoty bychom tyhle srandy mohli nazvat „hmotou duchů“. Jako duchové z průměrného hororu totiž občas na svět smrtelníků dosáhne, ale většinou nikoliv, i když je po našem boku přítomná pořád.

Problém je, že dosavadní metody detekce podobných částic zatím vyšly naprázdno. To může sice znamenat, že naše detektory jsou pořád málo citlivé – ale taky to může znamenat, že temná hmota tuhle podobu duších částic nemá! Zároveň přitom temnou hmotu pořád potřebujeme jako vysvětlení těch astronomických pozorování. Co teď s tímhle oříškem?

Když nemáte WIMPs, dejte tam hexakvarky!

V poslední době se roztrhl pytel s řadou hypotéz, které se snaží přijít na to, co jiného než WIMPs by temnou hmotu mohlo tvořit. A nápady jsou to stejně zajímavé, jako i ujeté! Objevila se třeba teze, že temná hmota by mohla být tvořena světlem! Pokud by fotony měly titěrnou klidovou hmotnost… skoro by to vycházelo! Jenže pak by bohužel zase temná hmota měla trochu jiné působení, než jaké pozorujeme.

Pak jsou tu teze snažící se spojit temnou hmotu a temnou energii do jediné veličiny, alternativní vysvětlení fungování gravitace ve velkých rozměrech anebo třeba moje oblíbená idea, že alternativní temná hmota mohla vzniknout tak trochu ještě před počátkem vesmíru! Pokud by totiž šlo o exotické částice, které se tu objevily těsně před inflací vesmíru z jeho minivelikost do obřích rozměrů, možná by došlo i na nafouknutí oněch částic. A, voila, temná hmota by byla tu!

Problém s těmito alternativami je většinou skutečnost, že je jenom velmi obtížné je detekovat. Pokud tedy nemůžeme detekovat duchařské WIMPs, jejich náhrada za jiné nedetekovatelné částice (na které by bylo opět potřeba postavit obří detektory za miliardy) je nám platná asi tak na dvě věci.

Co kdyby se však temná hmota dala vysvětlit něčím, co detekovat můžeme? Právě tady přichází čas na nejnovější vědátorskou práci. Podle té je novým kandidátem na temnou hmotu paradoxně částice, kterou již pár let známe. Jedná se o d*(2380) hexakvark, skládající se z – chvilka napětí šesti kvarků!

Není to ale tak jednoduché, nejde o částici samotnou. Podle vědců z New Yorské univerzity by temnou hmotou mohl být Bose-Einsteinův kondenzát těchto hexakvarků. Takový kondenzát je občas považován za pátý stav hmoty (čtvrtým je plazma) a jde o částice vychlazené těsně k absolutní nule, kdy hmotou prolétají jen jednotky kvant tepelné energie (která se za vyšších teplot projevuje mechanickými vibracemi všech částic) a jinak jsou v klidu.

Práce je zatím čistě teoretická, ale i tak se musela vypořádat s několika překážkami.

Příslovečné ale…

Kondenzát musí být jednak stabilní, ale také musí být po ruce plauzibilní mechanismus jeho vzniku ve značném množství. A značným množstvím… zde myslíme samozřejmě několikanásoběk ostatní hmoty ve vesmíru. A ta stabilita pak musí být v řádu mnoha miliard let

V newyorských modelech je tedy zatím také mnoho neznámých, ale za určitých parametrů interakcí hexakvarků mezi sebou lze vytyčené podmínky splnit! Ukazuje se, že by mohly být stabilní v chumlech minimálně tisíců až milionů pohromadě. Poskládány by byly nejspíše jako dlouhé řetízky, s horním limitem někde v jednotkách gramů. Produkce takových chuchvalců pak prý měla nastat relativně krátce po Velkém třesku při přerodu kvark-gluonového plazmatu na hadrony.

Ok, Ok, tak smysluplnou hypotézu bychom měli vybudovanou, ale jak ji teď ovšem snadno ověřit?

Teď přijde další plot twist: momentálně nemáme k dispozici nikde na světě experimentální infrastrukturu, která by byla schopná prověřit interakce hexakvarků v potřebných množstvích. Můžeme se ale stále obrátit na astrofyziky!

Stejně jako WIMPs by i hexakvarková temná hmota mohla být přítomná nejenom vně galaxií, ale u uvnitř nich. Včetně sluneční soustavy. Mohli bychom tak možná projevy podobných chuchvalců detekovat pěkně z pohodlí naší planety. Jednou z možností je snaha najít specifické absorpční spektrální čáry, které by neodpovídaly známým jádrům atomů. Nicméně pokud by se naše chumly tvořily spíše větší, těžší, jejich rozpoznání touto metodou může být těžké až nemožné.

Druhá a zajímavější varianta je přímé pozorování jejich rozpadu, třeba iniciovaného kolizí s kosmickým zářením. Tím by naopak vznikly emisní čáry na energii odpovídající rozpadu řetězce. A také při nárazu do atmosféry nebo povrchu Měsíce by mohly být detekovatelné, kde na rozdíl od běžného kosmického záření by jejich produkty nebyly tolik „směrové“, a tedy detekovatelné naopak nad atmosférou/povrchem Měsíce.

Image result for dark matter simulation
OK, zcela vážně – vlákna nebaryonové hmoty by podle simulací mohly vypadat takto, ač samože ne ve viditelném světle. V místech, kde se spojují, jsou pak planety, hvězdy galaxie…

Kdy se dočkáme?

To nejlepší na konec je skutečnost, že nějaké takové již pozorovány byly a vysvětlení pro ně nemáme! To neznamená, že jde o tuto temnou hmotu – může jít o úplně jiné, leč přízemnější neznámé jevy. Až další měření s lepším vybavením s dobrou směrovou citlivostí nám tak řeknou, zda jsou s touto nezvyklou variantou kandidáta na temnou hmotu kompatibilní.

I nejnovější hypotéza tedy vypadá zajímavé, ale neobejde se bez čekání na lepší aparatury, které ji budou muset ověřit. Zdá se tak, že temná hmota nepřestane fascinovat naši mysl ještě nějaký čas!

[Tomáš Komárek, Ladislav Loukota]

Černými dírami sice temnou hmotu nelze vysvětlit, ale když už jsme v astrofyzikálním kousku tématu…

Vědátor vzniká v dílně spolku studentů a popularizátorů vědy UP Crowd za podpory MUDRstart, který tvoří přípravné testy pro studenty vysokých škol. Krom různých autorů projekt jako šéfredaktor vede Ladislav Loukota – jeho kontaktní mail je vedatororg@seznam.cz

Diskuze