Nový model temné hmoty

Fázový přechod v raném vesmíru mění sílu interakce mezi temnou a normální hmotou. Temná hmota zůstává jednou z největších záhad moderní fyziky. Je jasné, že musí existovat, protože bez temné hmoty nelze vysvětlit například pohyb galaxií. Nikdy se ale nepodařilo v experimentu odhalit temnou hmotu. V současné době existuje mnoho návrhů na nové experimenty: zaměřují se na detekci temné hmoty přímo prostřednictvím jejího rozptylu ze složek atomových jader detekčního prostředí, tj. protonů a neutronů.

Tým výzkumníků – Robert McGehee a Aaron Pierce z University of Michigan a Gilly Elor z Johannes Gutenberg University (JGU) of Mainz v Německu – nyní navrhl nového kandidáta na temnou hmotu: HYPER (HighlY Interactive ParticlE Relics), neboli „vysoce interaktivní reliktní částice“. V modelu HYPER, určitou dobu po vytvoření temné hmoty v raném vesmíru, síla její interakce s normální hmotou náhle vzroste – což ji na jedné straně činí dnes potenciálně detekovatelnou a zároveň může vysvětlit hojnost temné hmoty.

Nová rozmanitost v sektoru temné hmoty

Vzhledem k tomu, že hledání částic těžké temné hmoty, neboli tzv. WIMPS, zatím nevedlo k úspěchu, hledá výzkumná komunita alternativní částice temné hmoty, zejména ty lehčí. Zároveň se obecně očekávají fázové přechody v temném sektoru – koneckonců jich je ve viditelném sektoru několik, říkají výzkumníci. Předchozí studie je však měly tendenci opomíjet.

„Neexistoval konzistentní model temné hmoty pro hmotnostní rozsah, ve který doufají některé plánované experimenty. Náš model HYPER však ilustruje, že fázový přechod může ve skutečnosti pomoci učinit temnou hmotu snadněji detekovatelnou,“ řekl Gilly Elor, postdoktorand v teoretické fyzice na JGU.

Výzva pro vhodný model: pokud temná hmota interaguje příliš silně s normální hmotou, její (přesně známé) množství vytvořené v raném vesmíru by bylo příliš malé, což by odporovalo astrofyzikálním pozorováním. Nicméně, pokud je produkována ve správném množství, interakce by byla naopak příliš slabá na detekci temné hmoty v současných experimentech.

„Naší ústřední myšlenkou, která je základem modelu HYPER, je, že interakce se jednou náhle změní – takže můžeme mít to nejlepší z obou světů: správné množství temné hmoty a silnou interakci, abychom ji mohli detekovat,“ řekl Robert McGehee.

A takto si to vědci představují: v částicové fyzice je interakce obvykle zprostředkována konkrétní částicí, takzvaným mediátorem – a stejně tak interakce temné hmoty s normální hmotou. Přes tento mediátor funguje jak tvorba temné hmoty, tak její detekce, přičemž síla interakce závisí na její hmotnosti: čím větší hmotnost, tím slabší interakce.

Mediátor musí být nejprve dostatečně těžký, aby se vytvořilo správné množství temné hmoty a později dostatečně lehký, aby byla temná hmota vůbec detekovatelná. Řešení: po vzniku temné hmoty došlo k fázovému přechodu, při kterém náhle klesla hmotnost mediátoru.

„Takže na jedné straně je množství temné hmoty udržováno konstantní a na druhé straně je interakce zesílena nebo posílena takovým způsobem, že temná hmota by měla být přímo detekovatelná,“ řekl Aaron Pierce.

Nový model pokrývá téměř celý rozsah parametrů plánovaných experimentů

„HYPER model temné hmoty je schopen pokrýt téměř celý rozsah, který nové experimenty zpřístupňují," řekl Gilly Elor. Konkrétně výzkumný tým nejprve považoval maximální průřez interakce zprostředkované mediátorem s protony a neutrony atomového jádra za konzistentní s astrofyzikálními pozorováními a určitými rozpady částicové fyziky. Dalším krokem bylo zvážit, zda existuje model pro temnou hmotu, který tuto interakci vykazuje.

„A tady jsme přišli s myšlenkou fázového přechodu,“ řekl Robert McGehee. „Potom jsme vypočítali množství temné hmoty, která existuje ve vesmíru, a poté jsme pomocí našich výpočtů simulovali fázový přechod.“

Je třeba vzít v úvahu velké množství omezení, jako je konstantní množství temné hmoty. „Tady musíme systematicky zvažovat a zahrnout velmi mnoho scénářů, například si položit otázku, zda je skutečně jisté, že náš prostředník náhle nevede ke vzniku nové temné hmoty, což samozřejmě nesmí být,“ řekl Gilly Elor. „Ale nakonec jsme byli přesvědčeni, že náš HYPER model funguje.“

Výzkum je publikován v časopise Physical Review Letters.

Zdroj: https://news.umich.edu/a-new-model-for-dark-matter/

autor: František Martinek