Intenzivní celosvětové pátrání po temné hmotě, chybějící hmotě ve vesmíru, zatím nevedlo k nalezení hojnosti temných, masivních hvězd nebo spousty nových podivných slabě interagujících částic, ale nový kandidát pomalu získává příznivce a podporu pozorování.

Nazývají se SIMP – silně interagující hmotné částice – a před třemi lety je navrhli teoretický fyzik Kalifornské univerzity v Berkeley Hitoshi Murayama, profesor fyziky a ředitel Kavliho institutu pro fyziku a matematiku vesmíru (Kavli IPMU) v Japonsku, a bývalá postdoktorandka z Berkeley Yonit Hochberg, která nyní působí na Hebrejské univerzitě v Izraeli.

Murayama říká, že nedávná pozorování blízké galaktické kupy by mohla být důkazem existence SIMPů, a předpokládá, že budoucí experimenty částicové fyziky jeden z nich objeví.

Murayama hovořil o svých nejnovějších teoretických představách o SIMPech a o tom, jak srážející se galaxie tuto teorii podporují, v pozvané přednášce v prosinci. 4 na 29. texaském sympoziu o relativistické astrofyzice v Kapském Městě v Jihoafrické republice.

Astronomové spočítali, že temná hmota je sice neviditelná, ale tvoří asi 85 procent hmoty vesmíru. Nejpevnějším důkazem její existence je pohyb hvězd uvnitř galaxií: Bez neviditelné kapky temné hmoty by se galaxie rozletěly. V některých galaxiích jsou viditelné hvězdy tak vzácné, že temná hmota tvoří 99,9 procenta hmotnosti galaxie.

Teoretici se nejprve domnívali, že tato neviditelná hmota je jen normální hmota příliš slabá na to, abychom ji viděli: selhávající hvězdy zvané hnědí trpaslíci, vyhořelé hvězdy nebo černé díry. Přesto takzvané masivní kompaktní halo objekty – MACHO – unikaly objevu a počátkem letošního roku průzkum galaxie v Andromedě provedený teleskopem Subaru v podstatě vyloučil jakoukoli významnou neobjevenou populaci černých děr. Vědci pátrali po černých dírách, které zbyly z velmi raného vesmíru, tzv. primordiálních černých dírách, hledáním náhlých zjasnění, která vznikají při jejich přechodu před hvězdami v pozadí a působí jako slabá čočka. Našli přesně jednu – příliš málo na to, aby se významně podílela na hmotnosti galaxie.

„Tato studie v podstatě vyloučila možnost existence MACHO; řekl bych, že je v podstatě vyloučena,“ řekl Murayama.

WIMP – slabě interagující hmotné částice – nedopadly o nic lépe, přestože byly středem pozornosti vědců po několik desetiletí. Měly by být relativně velké – asi 100krát těžší než proton – a interagovat mezi sebou tak zřídka, že se označují jako „slabě“ interagující. Předpokládalo se, že častěji interagují s normální hmotou prostřednictvím gravitace, čímž pomáhají přitahovat normální hmotu do shluků, které se rozrůstají do galaxií a nakonec dávají vzniknout hvězdám.

SIMPy interagují samy se sebou, ale ne s ostatními

SIMPy, stejně jako WIMPy a MACHO, by teoreticky měly vznikat ve velkém množství na počátku historie vesmíru a od té doby vychladnout na průměrnou kosmickou teplotu. Na rozdíl od WIMPů však SIMPy teoreticky silně interagují samy se sebou prostřednictvím gravitace, ale velmi slabě s normální hmotou. Jednou z možností, kterou navrhl Murayama, je, že SIMP je novou kombinací kvarků, které jsou základními složkami částic, jako je proton a neutron, nazývaných baryony. Zatímco protony a neutrony se skládají ze tří kvarků, SIMP by se podobal spíše pionu, protože by obsahoval pouze dva: kvark a antikvark.

SIMP by byl menší než WIMP, s velikostí nebo průřezem jako atomové jádro, což znamená, že by jich bylo více než WIMPů. Větší počet by znamenal, že navzdory jejich slabé interakci s normální hmotou – především rozptylem od ní, na rozdíl od slučování s normální hmotou nebo rozpadu na ni – by stále zanechávaly otisk na normální hmotě, řekl Murayama.

Takový otisk vidí ve čtyřech srážejících se galaxiích v rámci kupy Abell 3827, kde se překvapivě zdá, že temná hmota zaostává za viditelnou hmotou. Podle něj to lze vysvětlit interakcemi mezi temnou hmotou v jednotlivých galaxiích, které zpomalují slučování temné hmoty, ale ne slučování normální hmoty, v podstatě hvězd.

„Jedním ze způsobů, jak pochopit, proč temná hmota zaostává za svítící hmotou, je, že částice temné hmoty mají ve skutečnosti konečnou velikost, rozptylují se proti sobě, takže když se chtějí pohybovat směrem ke zbytku systému, jsou tlačeny zpět,“ řekl Murayama. „To by vysvětlovalo toto pozorování. Právě takovou věc předpovídá moje teorie temné hmoty, která je vázaným stavem nového druhu kvarků.“

SIMPy také překonávají hlavní nedostatek teorie WIMPů: schopnost vysvětlit rozložení temné hmoty v malých galaxiích.

„Dlouho existovala tato záhada: Když se podíváte na trpasličí galaxie, které jsou velmi malé a mají poměrně málo hvězd, skutečně v nich dominuje temná hmota. A pokud projdete numerické simulace toho, jak se temná hmota shlukuje, vždy předpovídají, že dochází k obrovské koncentraci směrem ke středu. Je to jakýsi vrchol,“ řekl Murayama. „Ale zdá se, že pozorování naznačují, že koncentrace je plošší: jádro namísto cuspu. Problém jádro/kusp je považován za jeden z hlavních problémů temné hmoty, která neinteraguje jinak než gravitací. Pokud má však temná hmota konečnou velikost, podobně jako SIMP, částice se mohou ‚cvaknout‘ a rozptýlit, a to by ve skutečnosti zploštilo profil hmoty směrem ke středu. To je další ‚důkaz‘ pro tento druh teoretické představy.“

Probíhající hledání WIMPů a axionů

Plánují se pozemní experimenty na hledání SIMPů, většinou na urychlovačích, jako je Velký hadronový urychlovač v CERNu v Ženevě, kde fyzikové stále hledají neznámé částice, které odpovídají novým předpovědím. Další experiment na plánovaném Mezinárodním lineárním urychlovači v Japonsku by také mohl být využit k hledání SIMPů.

Jak Murayama a jeho kolegové zpřesňují teorii SIMPů a hledají způsoby jejich nalezení, pokračuje hledání WIMPů. Experiment s temnou hmotou LUX (Large Underground Xenon) v podzemním dole v Jižní Dakotě stanovil přísné limity pro to, jak může WIMP vypadat, a modernizovaný experiment nazvaný LZ tyto limity ještě posune. Daniel McKinsey, profesor fyziky na Kalifornské univerzitě v Berkeley, je jedním ze spoluřešitelů tohoto experimentu a úzce spolupracuje s Lawrence Berkeley National Laboratory, kde Murayama působí jako vedoucí vědecký pracovník fakulty.

Fyzikové také hledají další kandidáty na temnou hmotu, kteří nejsou WIMPy. Pracovníci Kalifornské univerzity v Berkeley se podílejí na dvou experimentech hledajících hypotetickou částici zvanou axion, která by mohla splňovat požadavky na temnou hmotu. Experiment CASPEr (Cosmic Axion Spin-Precession Experiment), který vedou Dmitrij Budker, emeritní profesor fyziky, který nyní působí na univerzitě v Mohuči v Německu, a teoretik Surjeet Rajendran, profesor fyziky na UC Berkeley, plánuje hledat poruchy jaderného spinu způsobené axionovým polem. Karl van Bibber, profesor jaderného inženýrství, hraje klíčovou roli v projektu Axion Dark Matter eXperiment – High Frequency (ADMX-HF), který se snaží detekovat axiony uvnitř mikrovlnné dutiny v silném magnetickém poli při jejich přeměně na fotony.

„Samozřejmě bychom se neměli vzdávat hledání WIMPů,“ řekl Murayama, „ale experimentální limity začínají být opravdu, opravdu důležité. Jakmile se dostanete na úroveň měření, kde budeme v blízké budoucnosti, dokonce i neutrina skončí jako pozadí experimentu, což je nepředstavitelné.“

Neutrina interagují s normální hmotou tak vzácně, že jich každou sekundu proletí naším tělem odhadem 100 bilionů, aniž bychom si toho všimli, což činí jejich detekci extrémně obtížnou.

„Shoda komunity je taková, že nevíme, jak daleko musíme jít, ale musíme se dostat alespoň na tuto úroveň,“ dodal. „Ale protože rozhodně neexistují žádné známky toho, že by se WIMPy objevily, lidé v těchto dnech začínají uvažovat šířeji. Zastavme se a znovu se nad tím zamysleme.“

.