Temný sektor: Existuje část vesmíru, se svými vlastními zákonitostmi a pravidly?
Záhadná temná hmota nedává vědcům spát. Je přitom možné, že tvoří samostatnou temnou část našeho vesmíru, se svými vlastními zákonitostmi a pravidly.
Pátrání po temné hmotě se dlouho soustředilo na jednotlivé částice, jejichž objev by současně eliminoval významné problémy standardního modelu částicové fyziky. Mezi vědci teď ovšem sílí přesvědčení, že hledat takové částice bylo nejspíš chybou. Možná totiž existuje celý temný sektor, s vlastními částicemi a poli, jehož objev by sice potíže standardního modelu nevyřešil, ale vyjasnil by situaci s temnou hmotou.
Podle toho, co o kosmu víme, nás obklopuje nezměrné moře temné hmoty. Nadále se jedná o velmi záhadnou substanci, která tvaruje galaxie a největší vesmírné struktury. Zároveň je však natolik netečná, že skrz ni bez potíží procházejí fotony, tedy částice zprostředkující elektromagnetickou sílu. Také Mléčná dráha, potažmo Sluneční soustava, se zřejmě utápí v záplavě temné hmoty. Přesto nás zmíněná materie nepohltí, protože s běžnou látkou nijak významně neinteraguje – s jedinou výjimkou v podobě gravitace.
Přitažlivá možnost
Prakticky vše, co dnes o temné hmotě víme, pochází z měření její gravitační přitažlivosti. Potíž tkví v tom, že je gravitace v porovnání s ostatními známými fyzikálními silami neuvěřitelně slabá. Abychom se o temné hmotě dozvěděli něco bližšího, potřebujeme víc než jen její gravitaci. Jak ovšem ukázaly poslední dekády, najít podstatu tajemné materie nepředstavuje vůbec jednoduchý úkol.
Po většinu onoho intenzivního pátrání se fyzici snažili nalézt nějakou částici, která by dokázala záležitost s temnou hmotou vysvětlit. Co když však nejde pouze o jednu částici? Mohl by totiž existovat celý – v tuto chvíli samozřejmě zhola hypotetický – temný sektor neboli dark sector či hidden sector, jenž by zahrnoval dosud neznámá kvantová pole s příslušnými neznámými částicemi (viz Temná říše).
Temný sektor by mohl utvářet celou kosmologii, v níž by jeho pole a částice mezi sebou interagovaly, a přitom by existovaly souběžně se standardním modelem i se standardní kosmologií. Temný sektor a svět důvěrně známé fyziky by se však navzájem téměř vůbec neovlivňovaly, jedině prostřednictvím gravitace. Poté, co selhaly jednodušší teorie vysvětlující fenomén temné hmoty, získal uvedený koncept mezi fyziky na atraktivitě.
V temných údolích fyziky
Mezi specialisty na hledání temné hmoty v temném sektoru patří i Kathryn Zureková z Caltechu, jež se na její „lov“ vydala už v roce 2005. Odborníci se tehdy soustředili na využití slabé fyzikální síly, protože v mnoha případech předpokládali, že by mohla temná hmota s běžnou látkou interagovat nejen gravitačně, ale také právě skrz slabou sílu, která je navzdory svému jménu mnohem silnější než gravitace. Vznikaly proto nesmírně citlivé experimenty, často umístěné hluboko pod zemí, při nichž se vědci snažili částice temné hmoty detekovat.
Astrofyzici v té době rovněž narazili na zvláštní signály z centra Galaxie: Šlo o mikrovlnné fotony, jež mohly vznikat při interakcích částic temné hmoty prostřednictvím slabé síly. Začalo se jim říkat dark matter haze neboli opar temné hmoty. Zureková se však domnívala, že by se popsané signály daly vysvětlit i řadou procesů běžné fyziky, které se temné hmoty netýkají. Vsadila se proto s Danem Hooperem z University of Wisconsin–Madison, podle nějž se měla souvislost signálů z centra Mléčné dráhy s temnou hmotou potvrdit do pěti let. Zureková mu oponovala a poražený měl po dobu jednoho roku při každém svém vědeckém vystoupení uznat, že jeho kolega měl pravdu. Badatelku každopádně hřálo vědomí, že by se v případě prohry stala svědkem objevu temné hmoty. Jelikož se ovšem tajemnou látku stále odhalit nepodařilo, je jasné, jak sázka dopadla.
Svazují nás předpoklady
Podle Zurekové se někdy stává, že nás svazují určité vlastní předpoklady a brání nám dosáhnout kýženého řešení. Fyzici totiž dlouho hledali takovou temnou hmotu, jež by současně vyřešila teoretické problémy standardního modelu částicové fyziky. Týká se to především potíží s hierarchií, záhady enormního rozdílu mezi slabou silou a gravitací i tzv. silného CP problému, který souvisí s narušením CP-symetrie čili složené symetrie konjugace náboje (C) a parity (P).
Částicoví fyzici očekávali, že přidání nových částic temné hmoty do standardního modelu zmíněné nesrovnalosti objasní a současně odhalí podstatu neznámé materie. Hypotetických kandidátů na takové částice se postupně objevila celá řada a největší pozornost si získaly dvě skupiny: Slabě interagující masivní částice WIMPs neboli weakly interacting massive particles by mohly vyřešit potíže s hierarchií, zatímco nesmírně lehké axiony teoreticky nabízely „lék“ na silný CP problém.
Cesta mimo standardní model
Zureková a další si ovšem kladli otázku, proč by vlastně měla temná hmota problémy standardního modelu řešit. Představovali si částice jiného typu, které neinteragují prostřednictvím žádné známé síly: Měly by vlastní síly a dynamiku, takže by nemohly nijak přispět k eliminaci potíží standardního modelu. A zároveň by měly mnohem nižší hmotnost, než jakou fyzici předpokládali u WIMPů. S uvedenou myšlenkou šla Zureková proti trendu fyziky vysokých energií, jenž se soustředil na budování masivních experimentů včetně monumentálního srážeče částic Large Hadron Collider, se kterým lze pátrat po stále hmotnějších částicích.
A skutečně – upuštění od předpokladu, že by částice temné hmoty měly současně vyřešit potíže s hierarchií či silný CP problém standardního modelu, zpřístupnilo široké spektrum nových modelů, jež by byly teoreticky životaschopné a současně by korespondovaly s reálným pozorováním vesmíru. Současně vyšlo najevo, že by temná hmota temného sektoru měla v porovnání s WIMPy odlišnou dynamiku, což by se projevilo na vývoji běžné látky v průběhu historie kosmu.
Šťastné náhody
Jak teoretický výzkum temného sektoru pokračoval, Zurekové a jejím spolupracovníkům se připletly do cesty šťastné náhody. Měly podobu anomálií, jež se objevily v roce 2008 v experimentech zaměřených na hledání WIMPů: Tři z uvedených pokusů totiž detekovaly nevysvětlitelný nárůst počtu událostí v oblasti nízkých energií, přičemž každou z nich mohla způsobit srážka částice temné hmoty s jádrem atomu běžné látky. Konkrétně mělo jít o částice s hmotností odpovídající několika málo neutronům.
Shodou okolností byla právě taková hmotnost v souladu s teorií asymetrické temné hmoty, kterou tehdy Zureková navrhla: Stavěla na představě, že množství temné hmoty souvisí s jejími interakcemi s běžnými neutrony a elektrony. Z teorie plynulo, že by částice temné hmoty mohly mít zhruba podobnou hmotnost jako elektrony.
Zmíněné anomálie z roku 2008 pak značně přispěly k popularitě temného sektoru a objevila se řada teoretických studií, které se snažily popsané „odchylky“ vysvětlit různými typy temného sektoru. Dané teorie se však stále víc rozcházely s pozorováním, a ani uvedenému směru hledání temné hmoty se tedy nevyhnulo zklamání z neúspěchu.
Pátrání v krystalové mřížce
Zureková postupně zjistila, že výzkum základních fyzikálních sil k pochopení interakcí temné hmoty s běžnou látkou zřejmě nepostačí. Dospěla k závěru, že bude nutné zahrnout nepatrné vzájemné působení mezi atomy, například těmi uspořádanými v krystalové mřížce. Interakce některého z nich s temnou hmotou by se pak mohla šířit materiálem v podobě kolektivních kvazičástic, jako jsou fonony či magnony. Materiály se přitom skládají z mnoha různých atomů a molekul, které pojí rozličné vazby. Kvazičástice tak mohou nabývat spousty různých forem a ve hře se může nacházet pestrá paleta potenciálních vzájemných vlivů.
Zureková považovala za důležité pochopit možné interakce mezi temnou hmotou a zmíněnými kvazičásticemi. Nešlo o zcela snadný úkol, protože fyzici temné hmoty hovoří poněkud odlišným jazykem než fyzici kondenzovaného stavu. Jakmile ovšem nalezli společnou řeč, otevřel se před nimi ohromný svět fenoménů spojených s kvazičásticemi.
Dva možné směry
Nejprve se odborníci zabývali mnoha z nich, ale časem dospěli ke dvěma typům materiálů, které se zdály být slibné jak díky možnému výskytu interakcí s částicemi temné hmoty, tak díky praktickému využití v experimentech. Aktuálně proto připravují pokusy, jež by se mohly rozběhnout v příštích letech.
První kategorii vhodnou pro zmíněný typ hledání temné hmoty představují tzv. polární materiály jako křemen či safír. Mohou v nich vznikat silné fonony o kolektivní energii, jež odpovídá temné hmotě z temného sektoru, a mohly by vhodně interagovat s temnými fotony – pokud existují. Druhou takovou kategorii reprezentuje supratekuté helium, kterému se vyhýbá řada problémů spojených s pevnými materiály, v nichž se nacházejí krystalové mřížky. Rovněž přitom obsahuje lehká atomová jádra, u nichž existuje relativně velká šance na interakce s temnou hmotou.
Nové pokusy pod zemí
Teoretické výpočty naznačují, že by v obou případech mělo stačit jen malé množství cílového materiálu. Háček spočívá v tom, že musí mít prakticky ideální strukturu bez sebemenších defektů a nacházet se ve zcela klidném prostředí bez kontaminantů. V daném směru bude možné využít zkušenosti z podzemních experimentů, které v minulosti neúspěšně pátraly po WIMPech.
Mezi nejslibnější projekty patří SPICE neboli Sub-eV Polar Interactions Cryogenic Experiment, navržený fyzikem Mattem Pylem, v němž by jako detektor posloužil polární materiál typu safír. Pyleův kolega Daniel McKinsey zas představil projekt HeRALD alias Helium Roton Apparatus for Light Dark matter, založený na supratekutém heliu. Oba experimenty již mají vybudované teoretické zázemí a fyzici na jejich přípravu získali počáteční financování vědeckého oddělení amerického ministerstva energetiky. Současně se však ukázalo, že existují procesy schopné vytvořit velmi podobné signály, aniž by šlo o temnou hmotu. Proto bude nutné citlivost experimentů zvýšit, což by mohlo trvat dlouhé dekády, a možná i déle.
Pátrání po temné hmotě očividně znamená běh na dlouhou trať. Fyzici již uskutečnili bezpočet experimentů, prověřili spoustu hypotéz, ale tajemná látka dál tvrdošíjně vzdoruje. Kathryn Zurekové to připomíná stavbu dávných katedrál: Některé z nich vyrůstaly po dlouhé generace a jejich stavitelé museli navazovat na práci svých předchůdců, až nakonec dospěli ke špici nejvyšší věže. Doufejme, že na vrcholu katedrály výzkumu temné hmoty jednou najdeme vysvětlení této fundamentální, a přesto stále záhadné složky vesmíru.
Temná říše
V temném sektoru by mohly existovat temné atomy, sestávající z temných protonů, neutronů a elektronů. Působila by na ně temná verze elektromagnetické síly, kterou by zprostředkovávaly temné fotony. Na rozdíl od známých fotonů by mohly mít určitou nenulovou hmotnost, takže by mohla vznikat obrovská temná atomová jádra. Jejich interakce by pak mohla přispět ke vzniku supermasivních černých děr, které dnes pozorujeme v centrech galaxií. Dalo by se tím vysvětlit, proč sledujeme tak velké supermasivní černé díry už ve velmi raném vesmíru.
