Tým vědců z 12 vědeckých institucí hledající částici skryté hmoty. Setkání v dole Soudan v březnu 2003 / foto: CDMS

Už zhruba 70 let víme, že hmota, kterou ve vesmíru jsme schopni pozorovat, tvoří jen špičku kosmického ledovce – většina hmoty vesmíru je před našimi zraky skryta. Nevidíme ji, skrývá se, ale svou gravitací ovlivňuje chování celých galaxií. Normální kvarková hmota (z kvarků jsou složeny neutrony, protony, škvarky, my a také jiné, exotičtější částice) tvoří asi jen 15 % látky, kterou vesmír obsahuje.

Text navazuje na článek Našli fyzici z CDMS částici skryté hmoty? Sledujte přímý přenos ohlášení výsledků.

Nebo by obsahovat měl – v případě, že připustíme tu možnost, že žádná hmota nechybí, ale jen operujeme se špatnými rovnicemi dynamiky, pak skrytá hmota neexistuje a je potřeba rovnice „náležitě“ upravit (takže vlastně najít bulharskou konstantu). O to se pár lidí snažilo a snaží – taková MOND (modifikovaná Newtonova dynamika) i přes své fatální nedostatky je pro některé vědce stále živnou půdou, na které pěstují své spekulace. Vypadá sice mrtvě, ale tu a tam se objeví někdo, kdo do hlíny trochu vody nalije. Každopádně všechny dosavadní předpovědi, které byly na základě MOND učiněny, se v praxi potvrdit nepodařilo.

Většina fyziků je nicméně přesvědčena o existencí skryté hmoty – a to nejen proto, že ad hoc korekce rovnic a zákonů pro malá zrychlení a sférická kuřata ve vakuu jsou více než vyumělkovaná a trpí vlastními velkými problémy.

Kosmické smetí, ale krásné

Když do hry započteme i energii (přes Einsteinovu ekvivalenci hmoty a energie), pak obyčejná hmota tvoří pouhopouhá 4 % celkové hmoty vesmíru; skrytá hmota dalších 23 % a zbylých 73 % jde na účet skryté energii. Jestliže Zemi a sebe samotné často považujeme za kosmická smítka v porovnání se Sluncem či dokonce Mléčnou dráhou, pak ani galaxie a jejich kupy či nadkupy na tom ve srovnání se skrytou hmotou nejsou o moc lépe. Kdyby svítivá hmota v kosmu neexistovala, vesmír by sice lokálně trochu potemněl, ale těch pár galaktických lamp oproti 96 % zhmotnělé temnoty toho stejně moc nezmůže, a prostor by se rozpínal nerušeně dál, poháněn energií vakua.

O složení skryté hmoty se vedou debaty celá desetiletí, avšak fyzici už pokročili o velký krok vpřed: Už víme, jaké vlastnosti by částice skryté hmoty měly mít, a taky víme, že v experimentálních aparaturách nenajdeme ani hnědé trpaslíky ani jiná vesmírná tělesa, která podle dřívějších domněnek některých astrofyziků měla být kandidátem. Protože Země se Sluncem a celou soustavou je součástí normální galaxie, nikoli jakéhosi výjimečného systému v exilu, skrytá hmota musí být všude kolem nás, v podobě částic, nejen alibisticky někde na periferiích, kam se špatně dívá, ve formě potemnělých objektů (a že by jich muselo být).

Mezi kandidáty na částice skryté hmoty figurují kromě axionů (se kterými to v poslední době nevypadá růžově) i proslulá neutrina, byť ve standardním částicovém modelu byla dlouho nehmotná. Ukazuje se ale, že jakousi malou – nenulovou – klidovou hmotnost mají, což plyne i z jevu známého jako oscilace neutrin, kdy se jeden typ neutrina mění v jiný. Neutrina přesto nemohou tvořit celou skrytou hmotu, nýbrž jen její malou část („horká“ skrytá hmota). Fyzici se domnívají, že většinu (chladné) skryté hmoty tvoří exotické částice s velkými hmotnostmi – a pro hmotnosti mají i přesný odhad: deseti až desetitisící násobek hmotnosti protonu. ;-)

Do této skupiny kandidátů patří částice označované jako WIMP, z anglického sousloví Weakly Interacting Massive Particles (vyžrané slabě interagující částice). Jak plyne z jejich názvu, jsou poněkud masivní a s okolím interagují pouze a jen prostřednictvím gravitace a slabé jaderné síly. Jelikož na seznamu chybí elektromagnetismus, je to důvod, proč částice skupiny WIMP nelze „vidět“.

Skutečnost, že WIMP interagují „slabě“, omlouvá (nebo chcete-li: vysvětluje), proč je fyzici dosud nelapili. I kdyby WIMP měly tvořit podstatnou část látkového obsahu celého kosmu, jejich vliv na obyčejnou hmotu je velice nepatrný (nemluvíme o gravitačním působení, ten očividně nepatrný není). Částice WIMP totiž obyčejnou hmotou procházejí bez povšimnutí jak Krejčíř přes hranice.

Dají o sobě vědět pouze tehdy, když narazí na jádro atomu. A protože atom jako takový je po hříchu hodně prázdný objekt (byť je do jádra soustředěna takřka celá hmotnost atomu, jeho velikost činí zhruba 1/100 000 velikosti celého atomu), kolize WIMP s jádry jsou velice vzácné. I tehdy, pokud se opravdu topíme s celou Zemí v moři částic WIMP, dochází k jejich srážkám s atomovými jádry (prostřelují i naše těla) jen maximálně párkrát za den. Šťastný ten, koho trefí.

Vzhůru do podzemí

A tak fyzici z projektu CDMS (Cryogenic Dark Matter Search) postavili detektory z krystalů germania a křemíku, umístili je hluboko pod povrch země, aby se jim do cesty nepletly jiné potulné částice z kosmických paprsků, a při teplotě několika milikelvinů (méně než -273°C) čekají dlouhé chvíle jako rybáři, co se jim do germaniových sítí chytí. Z teorie plyne, že částice WIMP by se v detektorech měla objevit maximální jednou za den (když jsme hodně optimističtí), spíše jde o pár kousků za rok – přesto, jak víme, WIMP v ohromném množství přes detektory i fyziky procházejí neustále, ovšem trefit se zrovna do atomového jádra v detektoru chce velké štěstí.

Když motyka vystřelí

Detektory CDMS jsou sice umístěny hluboko pod povrchem země (přesněji v dole Soudan v americkém státě Minnesota), přesto nejde zabránit tomu, aby se do nich necpaly jiné částice než WIMP.

Když pak nějaká cihlička hmoty nabourá do jádra germania, s jádrem to škubne a to rozkmitá celý krystal germania. Měřící přístroje pak analyzují vzniklé charakteristiky pocházející ze srážky a pomocí křemíku se rozhoduje, zda lapená částice byla obyčejným protonem, neutronem nebo čímkoliv známějším a nežádoucím, nebo zda je podezřelá a odpovídá spíše tomu, co se hledá. Křemík hraje důležitou roli proto, že jeho jádro je menší než jádro germania – to znamená, že statisticky vzato bude případnými částicemi WIMP obtěžován méně.

Když se však do detektorů připlete třeba neutron, tak díky tomu, že pociťuje silnou jadernou sílu, budou jeho kolize s oběma jádry (germania i křemíku) zhruba stejně časté. Částicím WIMP, které interagují pouze slabě, je však silná jaderná síla zcela ukradena, takže když data ukážou častější srážky „nějakých“ částic s jádry germania než s jádry křemíku, fyzici propuknou v mohutný jásot, že našli částice z rodiny WIMP.

Je to suprová symetrie

Bavíme se o čemsi, co je pojmenované WIMP, přitom jsme si vůbec neřekli, o co jde. Že je to označení pro jakousi skupinu tučných částic, které slabě interagují, je sice pěkné, ale zatím jsme si nepověděli nic konkrétnějšího. Víme ještě něco o takových částicích? Nebo se mermomocí snažíme vymyslet cosi, aby se nám lépe spalo? Zkrátka, máme něco hmatatelnějšího, co spadá do třídy WIMP, nebo musíme vařit z vody?

Máme, naštěstí máme. A to částice, které jsme zatím sice neviděli (jaké překvapení), ale které by mohly, nebo spíše měly, existovat.

Fyzika je skrz naskrz prošpikována symetriemi – ty hrají ústřední roli ve všech fundamentálnějších zákonech světa, symetrie hrají ústřední roli v našem vesmíru. Fyzici odhalili rozličné typy symetrií, kterých se vesmír drží nebo kterých se kdysi držel a jež byly spontánně narušeny, což mělo za následek rozmanité následky (třeba i to, že jsme tady).

Na špici pomyslné hierarchie symetrií stojí jedna, která byla objevena docela nedávno. Supersymetrie. Ta kromě jiného představuje alfu a omegu teorie superstrun, slavné a ambiciozní teorie, mohutného teoretického rámce, který v sobě snoubí dlouho nesmiřitelné teorie „velkého“ – Einsteinovu obecnou teorii relativity – a „malého“ – kvantovou mechaniku.

Na rozdíl od jiných pokusů o urovnání sporů mezi oběma teoriemi, superstrunová/M-teorie navíc podává až děsivý obraz nového světa, reality s mnoha dimenzemi a taky v řeči strun a n-rozměrných bran splétá dohromady všechny částice a síly vesmíru v konzistentní celek (články na toto téma zde.)

Rysem supersymetrie je, že ke každé „normální“ částici existuje supersymetrický protějšek lišící se spinem, vlastní „točivostí“ (o jednu polovinu) – spin v klasické fyzice nemá přesnou analogii, vysvětlit ho jinak než přísně fyzikálně a matematicky nejde; prostě si řekněte, že částice se od svého supersymetrického protějšku liší v jedné zásadní charakteristické veličině (ostatní kvantová čísla jsou pro částice a supersymetrické protějšky stejná).

V teoriích s narušenou supersymetrií se superpartneři od svých protějšků liší i hmotností, nicméně důležité je, že ke každému fermionu (skupině částic „normální“ látky, do které patří kvarky, elektrony, …) existuje supersymetrický boson a naopak (bosony jsou druhá statistická skupina, která se už neřídí Pauliho vylučovacím principem; do ní patří poslíčci silových polí – intermediální bosony – přenášející interakce, tj. foton, kalibrační bosony W, Z, Higgsovy bosony, graviton, …).

Supersymetrické částice fyzikům vrtají v hlavách docela dlouho (nejen v hlavách a nejen fyzikům) právě v souvislosti se skrytou hmotou a WIMP.

Hledá se: super neutrální dáma při těle, nesmí být labilní

Ze záplavy možných i nemožných superčástic můžeme rovnou vyloučit ty, které jsou elektricky nabité – kdyby skrytá hmota byla tvořena z částic elektricky nabitých, asi si domyslíte sami, co by to znamenalo; vlasy by nám nestávaly jen hrůzou.

Mít vesmír, v němž drtivá část látky je nabitá, by sice bylo zajímavé, ale u nás to opravdu vyloučit můžeme – navíc jak bylo řečeno, částice třídy WIMP neinteragují elektromagneticky.

Mezi superčásticemi musíme vybírat tedy takové částice, které jsou neutrální, stabilní a dostatečně hmotné, abychom vysvětlili i to, proč se nám je dosud nepodařilo připravit v útrobách našich částicových urychlovačů. Ale zas ne hmotné moc.

Kdyby superčástice kandidující na post skryté hmoty byla moc hmotná, brzy by se rozpadla a kandidátem by být nemohla – masivní částice se vesměs rozpadávají rychleji než ty méně hmotné. Je to podobné jako u lidí – obézní jedinci mají ve srovnání s méně hmotnými lidmi kratší střední dobu života; dříve se rozpadávají.

Fyzici našli jednoho vhodného kandidáta pro částici z třídy WIMP – superčástice zvané neutralina. Jejich název může mást, ale nejedná se přímo o supersymetrické partnery neutrin – těm se říká sneutrina (kdo nepíšete e-maily apod. s diakritikou: supersymetrické protějšky kvarků jsou skvarky). Neutralina mají vztah k neutrinům poměrně úzký (fenomenologicky dozajista), ale souvisí s poslíčky elektroslabé interakce (sjednocené interakce splétající slabou jadernou sílu s elektromagnetickou) a Higgsovými bosony (na čase, aby higgsy LHC odhalil).

Neutralina jsou dost hmotná, aby poskytla pevný základ pro skrytou hmotu, přesto jsou to nejlehčí supersymetrické částice. A hlavně jsou stabilní. Jejich vlastnosti z nich dělají nejžhavějšího kandidáta na chladnou skrytou hmotu.

Chyťte ho!

Neutralina vznikala při samotném okamžiku stvoření našeho kosmu, po boku neutrin a dalších cihliček hmoty. A i když nás oba typy částic neustále bombardují, procházejí vším kolem nás – dlouho, dlouho nám unikaly.

Když v roce 1931 slavný fyzik Wolfgang Pauli předpověděl existenci neutrin, do deníku si zapsal: „Dnes jsem učinil něco, co by žádný fyzik učinit neměl – nevysvětlitelné jsem se pokusil objasnit nepozorovatelným.“ Fyzikům trvalo dalších 25 let, než existenci prchavých neutrin experimentálně potvrdili.

Uvážíme-li, že první životaschopná supersymetrická teorie (nadstavba standardního částicového modelu) spatřila světlo světa v 80. letech 20. století (H. Georgi a S. Dimopoulos; deset dvacet let před nimi to byli i jiní fyzici v rámci jiných záměrů, jejich práce byly ale buď ignorovány, nebo trpěly nedostatky), je akorát tak správná doba na to, aby se teoretické supersymetrické modely dočkaly podpory experimentů – jednak to bude velké oživení a zadostiučinění pro superstrunovou teorii, která na ní visí jak úředník na evropských směrnicích, jednak konečně můžeme odpovědět na otázku, co tvoří největší část vesmíru.

Na některé otázky nám může odpovědět už za pár dní tým z projektu CDMS, tedy hlavně jejich data. A když ne, pak je potřeba kout železo v LHC, až bude pořádně žhavé.