Prelom storočia: Vedci zrejme po prvý raz zachytili temnú hmotu

Fyzici a astronómovia možno stoja pred vyriešením najväčšej záhady modernej vedy. Podzemný detektor LUX-ZEPLIN, umiestnený v hĺbke 1,6 kilometra pod povrchom v Južnej Dakote, zachytil anomálny signál, ktorý podľa vedcov nezodpovedá žiadnemu známemu typu bežného šumu pozadia.

Tento ojedinelý záznam naznačuje vôbec prvú priamu interakciu hypotetickej častice zvanej WIMP (slaboperspektívna masívna častica) s atómom bežnej hmoty. Ak sa výsledky potvrdia, pôjde o obrovský míľnik v pochopení toho, z čoho sa skladá prevažná časť nášho vesmíru.

Vesmír nám totiž dlhodobo ukazuje, že naše chápanie reality je len zlomkom skutočnosti, čo dokazujú aj nedávne zistenia, kedy astronómovia zachytili čiernu dieru pri šokujúcom procese a prepísali časť doterajších teórií.

Najväčšia hádanka modernej kozmológie

O temnej hmote vieme už desaťročia, no paradoxne sme ju doteraz nikdy priamo nevideli ani nezachytili. Tvorí približne 85 % všetkej hmoty vo vesmíre, no nevydáva, neodráža ani neabsorbuje žiadne elektromagnetické žiarenie. Svetlo ňou jednoducho prechádza bez akejkoľvek prekážky.

O jej existencii vieme výhradne vďaka gravitačnému pôsobeniu na galaxie a hviezdokopy. Bez prítomnosti tejto neviditeľnej zložky by sa rotujúce galaxie jednoducho roztrhali a hviezdy na ich okrajoch by vyleteli do medzigalaktického priestoru. Gravitačné výpočty jasne ukazujú, že tam niečo masívne musí byť.

Fakt, že temná hmota neinteraguje so svetlom, zároveň znamená, že nemôže pozostávať z bežných protónov, neutrónov a elektrónov. Nejde o žiadne prvky periodickej tabuľky, z ktorých sú zložené hviezdy, planéty, naše technológie alebo ľudské telá. Hľadanie si preto vyžaduje úplne nové fyzikálne koncepty.

Čo presne zachytil detektor LUX-ZEPLIN

Experiment LUX-ZEPLIN predstavuje technologický vrchol v oblasti detekcie nepolapiteľných častíc. Základom zariadenia je gigantická titánová nádrž naplnená 10 tonami ultračistého kvapalného xenónu. Zariadenie leží hlboko pod zemou v laboratóriu SURF, aby ho hrubá vrstva horniny izolovala od kozmického žiarenia a bežného rádiového šumu.

Pri prechode vzácnej častice cez túto kvapalinu môže dôjsť k zrážke s jadrom xenónu, čo vyvolá nepatrný záblesk svetla a uvoľnenie voľných elektrónov. Citlivé fotonásobiče potom dokážu túto miniatúrnu reakciu presne zmerať a analyzovať jej energiu.

Tím vedený Samom Eriksenom z University of Bristol analyzoval najnovšie dáta a narazil na udalosť, ktorú nedokáže vysvetliť žiadny známy proces bežnej fyziky. Podľa Eriksena strávili vedci mesiace preverovaním všetkých možných zdrojov chýb, no signál zostáva nevysvetlený bežnými vplyvmi okolia.

Prekvapivé vlastnosti neznámej častice

Ak bola táto zaznamenaná udalosť skutočne spôsobená časticou WIMP, fyzici z nej dokážu vyčítať zásadné informácie o povahe temnej hmoty. Prvotné kalkulácie ukazujú, že táto častica by mala mať hmotnosť približne 200-krát vyššiu ako protón, čo z nej robí mimoriadne ťažkého kandidáta.

Zároveň sa zdá, že spôsob, akým táto častica interagovala s atómom xenónu, je o niečo komplikovanejší, než predpokladali najjednoduchšie doterajšie teoretické modely. Tento detail môže fyzikom otvoriť dvere k úplne novým matematickým formuláciám nad rámec Štandardného modelu.

Hoci Štandardný model časticovej fyziky excelentne popisuje elektromagnetickú, slabú aj silnú jadrovú silu, temnú hmotu doň nevieme napasovať. Zaznamenaný signál by tak mohol slúžiť ako prvý most k rozšíreniu fundamentálnej fyziky o novú dimenziu častíc.

Prečo vedci zostávajú opatrní

Vedecká komunita pristupuje k výsledkom s veľkou dávkou rešpektu a zdržanlivosti. Jedna jediná zaznamenaná udalosť totiž zatiaľ nespĺňa prísne štatistické kritériá potrebné na oficiálne vyhlásenie definitívneho objavu novej častice vo fyzike.

Stále existuje približne 0,5 % pravdepodobnosť, že udalosť bola len extrémne zriedkavou fluktuáciou známeho pozadia alebo nezachytenou anomáliou meracieho systému. Vo fyzike vysokých energií sa pritom vyžaduje takzvaná úroveň spoľahlivosti 5 sigma, kde je šanca na náhodu menšia ako jedna k miliónu.

Detektor LUX-ZEPLIN však pokračuje v nepretržitom zbere dát a vytvára najväčší dátový súbor v histórii výskumu temnej hmoty. Keďže interakcie WIMP častíc sú extrémne zriedkavé, na potvrdenie prelomového objavu by vedcom stačilo zachytiť už len niekoľko ďalších podobných prípadov.

Čo prinesú ďalšie mesiace pozorovania

Výsledky výskumu boli oficiálne odprezentované na medzinárodnej konferencii TeV Particle Astrophysics a odoslané na recenzné konanie do prestížneho časopisu Physical Review Letters. Celá vedecká komunita teraz čaká na nezávislé posúdenie a ďalšie dáta.

Ak sa podarí v nasledujúcich mesiacoch zaznamenať druhý alebo tretí identický signál, pôjde bezpochyby o objav hodný Nobelovej ceny. Po storočí teoretizovania by sme konečne mali v rukách hmatateľný dôkaz o substancii, ktorá tvorí kostru nášho vesmíru.

Nasledujúce merania v podzemných laboratóriách rozhodnú, či sme práve otvorili novú éru časticovej astrofyziky, alebo išlo len o ďalší fascinujúci štatistický rébus, ktorý si vyžiada ešte citlivejšie detektory budúcej generácie.

Čítajte viac z kategórie: Vesmír a veda