Detektory temné hmoty možná narazily na tajemnou částici

TLDR: Anomální pozorování může být zatím stejně tak dobře vysvětleno „šumem“ jako částicí axion. Nejde tedy stále o důkaz – jde ale o argument pro citlivější detektory. Oznámení tu.

Neviditelná, ale všudypřítomná

Vesmír má problém. Ať se totiž snažíme sebevíc, nesedí nám do našich tezí! To vlastně není nic moc nového – po tisíce let si lidé mysleli, že vesmír je starý jenom… po tisíce let. Teprve v 19. století geologie dokázala, že v případě Země to jsou stamiliony, a možná miliardy let! A teprve ve 20. století se ukázalo, že vesmír jako takový je ještě starší než naše planeta! Takže nelze říct, že by nás dějiny překvapovaly poprvé.

Přesto už skoro století tápeme ohledně takzvané temné hmoty. Pozorování rotace galaxií totiž již ve 30. letech 20. století naznačilo, že mimo pozorované hmoty musí být ve vesmíru ještě kotel nějaké jiné… nepozorované hmoty! Dostala neoriginální označení „temná“, a ačkoliv se od té doby objevila řada hypotéz, jak ji detekovat, naše současné detektory stále mlčí. Tedy, možná, že až doposud!

Jeden takový experiment lovící temnou hmotu nyní publikoval výsledky o potenciálním objevu. Jde o experiment XENON1T, který, jak název napovídá, využívá 3.3 tuny xenonu jako detekční médium. Sídlí hluboko pod zemí v italském Gran Sasso, aby se odstínil od co nejvíce parazitních detekcí jiných částic (a taky protože výzkumníci mají rádi dobré těstoviny).

Možná se teď někteří z vás škrábou po makovici. Ano, je to to samé Gran Sasso, kde byl před lety humbuk okolo „nadsvětelných neutrin„. Což, jak dnes již víme, se po nějaké době ukázalo být způsobené jedním špatně zastrčeným optickým kabelem. Způsobil i tentokrát humbus jenom rebelanský kabel, anebo jsme na stopě něčeho významnějšího než kontraktu pro elektrikáře?

Zdroj: elinorsalo/Public Domain

Hmota je tam někde venku

XENON1T byl navržen především pro detekci hypotetické varianty temné hmoty zvané WIMP (Weakly Interacting Massive Particle). Ty jsou jedním z potenciálních řešení temné hmoty stylem „možná, že existují částice, které se nachází v kosmu ve velkém množství, ale řídké konstituci, takže tvoří jakousi pavučinu hmoty, která ale prochází nám známou, baryonovou hmotou“. Teď si teda nejsem jistý, jestli jsem to vysvětlil dostatečně jednoduše – ale zkuste si WIMPs představit jako takové částicové duchy. Ha!

Hned na úvod meziodstavce prozradím, že WIMPy vědátoři v Itálii zatím nenašli – ale při analýzách zaznamenaných zásahů detektoru si všimli něčeho jiného. Jako u většiny detektorů (nejen) málo interagujících částic se do pravých signálů míchá spousta událostí pocházejících z jiných dějů. Zásadní jsou proto velmi pečlivě provedené a nasimulované odhady četnosti takovýchto událostí. A práve oproti předpokladům se v těchto jiných událostech projevuje jistý nadbytek!

Proto se do projektu zapojení vědátoři pustili do analýzy dat z jiného úhlu, protože tento exces může být signálem jiného potenciálního kandidáta na částici temné hmoty – axionu. Ty si můžeme také představit jako duší částice, ale s jednou potenciální výhodou. Teorie totiž předpovídají, že axiony by se mohly v určitém množství hromadit i v jednom objektu, kde bychom je mohli nepřímo pozorovat o fous snáze. Totiž ve Slunci!

Výsledky z Itálie přitom ukazují odchylku od pozadí na úrovni 3.5 sigma, což dáme pravděpodobnost zhruba 1:2000, že nejde jen o náhodnou statistickou odchylku. To vypadá na první pohled jako hodně, ale s ohledem na to, kolik různých experimentů a variant temné hmoty se zkoumá…  V částicové fyzice je nicméně žažitý spodní limit pro objev na úrovni 5 sigma, což je pravděpodobnost náhody téměř jedna ku dvěma milionům.

Navíc je zde (kromě experimentální chyby) ještě jedno možné vysvětlení, a to podceněný odhad množství detekcí rozpadu radioaktivního tritia (izotop vodíku). Ty jsou od zachycení axionu prakticky nerozpoznatelné. Při započtení tohoto vlivu poklesne signifikance anomálie na pouhé 2 sigma, tedy celkem trapnou 95% pravděpodobnost. Žádné terno, že?

Četli jste to jeho hlasem, co? Jde o starší meme k staršímu článku o jednom z alternativních vysvětlení původů temné hmoty… Zdroj: FOX/Comedy Central

Vím, že víc nevím

Stejně jako u většiny jiných částicových experimentů, se naštěstí jedno možné řešení nabízí – „Udělejme to prostě VĚTŠÍ!!!“ Je totiž jistě možné, že naše detektory temnou hmotu nedetekují, protože jsou šejdrem naše teorie. Ale také ji možná nedetekují, protože jsou prostě pořád málo citlivé. Že si občas na potvrzení musí vědci dlouho počkat a stavět větší a větší detektory, by mohly vyprávět třeba gravitační vlny. Již delší dobu se tak připravuje nástupce, XENONnT, který by detekční masu xenonu navýšil na 8.3 tuny, a tedy by rychleji data pročistil od všudypřítomných statistických fluktuací.

Nejde o první zajímavý výsledek z tohoto experimentu. Vloni se jako jiný vedlejší děj podařilo detekovat radioaktivní přeměnu Xenonu na Tellur-124. Tento děj má poločas rozpadu miliardkrát delší, než je stáří vesmíru a šlo tedy s přehledem o nejvzácnější pozorovaný radioaktivní rozpad.

>>Závěrem je třeba ještě zmínit skeptickou pointu pro škarohlídy – ano, je jistě možné, že temnou hmotu vyřeší nějaké budoucí teorie mnohem elegantněji i bez možnosti, že nám utíká drtivá většina vesmíru. Ale s ohledem na to, jako častokrát už věda diametrálně převrátila očekávání „selského rozumu“ (který je tu vlastně jenom 10 tisíc let od neolitu a prvních sedláků…), bych se fakt nedivil, kdyby byla skutečně… většina vesmíru úplně jinak, než by plébs čekala.

I alternativní teorie řešící temnou hmotu různými kacířskými nápady (třeba tím, že gravitace na velkých škálách funguje nějak jinak) mají své vlastní problémy, a prozatím nikdo nepřišel s nějakým geniálním nápadem, jak to celé skloubit zcela brilantní cestičkou. Jinými slovy, i potvrzení či vyvrácení klasických alternativních vysvětlení temné hmoty by potřebovala sama většinou jiné obří detektory. <<

Takové jsou už občas cestičky fyzikálního výzkumu – postavíte si perfektní detektor na WIMPy, a ony se vám mršky ne a ne ukázat, ale místo toho učiníte jen tak mimochodem jiné objevy!

[Tomáš Komárek, LL]

Astronomie byla vždy matkou věd – a totéž platí i o hledání temné hmoty!

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

Reklama