Problém temné hmoty doslova hýbe současnou fyzikou. Atomární hmota tvoří pouhá 4 % hmoty ve vesmíru, plných 23 % tvoří částice temné hmoty. Pro nás neviditelné a neznámé částice procházející běžnou látkou, o jejichž existenci víme zprostředkovaně jen z gravitačního působení galaxií a kup galaxií. Nejžhavějšími kandidáty chladné temné hmoty jsou wimpsy a axiony. Dnes existuje řada experimentů pokoušející se nalézt oba druhy těchto částic.
|
Temná hmota – hmota ve vesmíru nebaryonové povahy, není složena z kvarků. Temná hmota udržuje pohromadě svítící objekty velkých rozměrů, které díky ní v periferních oblastech obíhají rychleji, než odpovídá známým gravitačním zákonům a množství pozorované hmoty. Tvoří 50 % hmoty galaxií a 23 % hmoty vesmíru. Prozatím je mnoho možností, co všechno by mohlo být temnou hmotou. Dosud ji však neumíme přímo detekovat. Termín zavedl v roce 1933 F. Zwicky poukázáním na neklesající rychlost oběhu hvězd ve vnějších oblastech galaxií – oběh zde musí způsobovat něco, co není vidět, odtud pojmenování "temná hmota". Axion – málo hmotný, slabě interagující boson se spinem 0 postulovaný kvantovou chromodynamikou. Souvisí s nepozorováním narušení CP symetrie v silné interakci. Je jedním z kandidátů na temnou hmotu. Měl by vznikat v období krátce po Velkém třesku. WIMP – Weakly Interacting Massive Particle, vážný kandidát na částice temné hmoty. Mělo by jít o reliktní superpartnery z období po Velkém třesku, kterým fyzikální zákony zabránily v následném rozpadu. Wimpsy jsou usilovně hledány v několika desítkách experimentů. LLNL – Lawrence Livermore National Laboratory, slavná laboratoř patřící Kalifornské univerzitě. Založena byla v roce 1952. Jedním ze základních cílů bylo zajištění jaderné bezpečnosti USA. Dnes se podílí na epxerimentech z mnoha vědních oborů. |
| Axiony |
Axiony úzce souvisí s narušením CP symetrie v přírodě. Jde o narušení symetrie fyzikálních dějů, pokud zaměníme fyzikální zařízení za jeho zrcadlový obraz (P symetrie) a všechny částice za antičástice (C symetrie). Narušení CP symetrie bylo pozorováno při rozpadu kaonů již v roce 1964 J. Croninem a V. Fitchem. Šlo o narušení CP symetrie při slabé interakci a od té doby bylo pozorováno mnohokrát. Teorie ovšem předpovídá, že by narušení CP symetrie mělo být pozorovatelné i při silné interakci. V tomto sektoru však nikdy potvrzeno nebylo. V roce 1977 navrhli Roberto Peccei a Helen Quinn ze Stanfordské univerzity nový druh fyzikální symetrie, která vysvětluje negativní výsledek pokusů s narušením CP symetrie v silné interakci. S touto symetrií je spojena existence částice, kterou dnes nazýváme axion.
Axion by měl mít nulový spin a interagovat kromě gravitační interakce jen slabou interakcí. Jeho hmotnost se odhaduje na přibližně 10−5 eV. Velké množství axionů (tzv. reliktních axionů) mělo vznikat těsně po Velkém třesku. Jejich zachycení by znamenalo otevření nového okna do minulosti našeho vesmíru. Axiony by ale měly vznikat i v nitru hvězd při rozptylu vysoce energetických fotonů na nabitých částicích (tzv. Primakovův jev). V Aldebaran Bulletinu 22/2006 jsme referovali o italské, experimentu PVLAS z počátku roku 2006 a připravovaném experimentu s laserem FLASH v DESY v Hamburgu. Další experiment se od roku 1999 připravuje v LLNL.
| Projekt ADMX |
Axionový experiment v LLNL započal v roce 1995 a nyní se dostává do své vrcholné fáze. Obdobně jako ostatní experimenty využívá faktu, že v silném magnetickém poli by se axiony měly konvertovat na fotony, v případě zařízení ADMX (Axion Dark Matter eXperiment) na mikrovlnné fotony. Experimentální zařízení se skládá ze supravodivého magnetu o indukci 8 T, který má hmotnost 6 tun. Magnet je navinutý na vnějšku mědí potaženého ocelového válce. V nitru tohoto válce je rezonanční dutina s dvěma ladícími tyčemi, kterými lze pohybovat krokovými motory a měnit sledovanou frekvenci. Slabý signál axionů konvertovaných na fotony poté prochází zesilovačem.
 |
| Schéma axionového detektoru. |
Magnet
Magnet je supravodivá cívka skládající se z 37 700 niobo-titanových závitů. Průměr jádra je 60 cm a délka magnetu 100 cm. Vlastní indukčnost magnetu je 534 H. Pole v ose magnetu dosahuje hodnoty 7,92 T, celková energie magnetického pole činí 15 MJ. Zatím největší uložené magnetické energie bylo dosaženo v Oxford Instruments před pěti lety (27 MJ).
Rezonanční dutina
Rezonanční dutinu tvoří metr dlouhý válec kruhového průřezu o průměru 50 cm. Je vyroben z oceli a oplátován mědí. Uvnitř jsou dvě pohyblivé ladící tyče. Elektrické pole v dutině je sledováno sondou spojenou s ultranízkošumovou elektronikou. Axiony se hledají pomalým skenováním dutiny napříč frekvenčním rozsahem měněným ladícími tyčemi. Kovové ladící tyče zvýší rezonanční frekvenci dutiny, pokud jsou posunuty směrem k centru dutiny. Naopak dielektrické tyče posunuté do centra dutiny frekvenci sníží.
 |
| Pohled shora na rezonanční dutinu, jejíž průměr je 50 cm a výška 1 m. Vnitřek dutiny je potažen mědí a obsahuje dvě ladicí tyče. |
 |
| Osazování horní části detektoru. |
Přijímač
Ultranízkošumový přijímač je jádrem celého experimentu. Napěťový signál z mikrovlnné dutiny je přiveden rezonátor, který ho převede na magnetický tok detekovatelný SQUID elektronikou. Extrémně tiché zesilovače byly vyrobeny v NRAO v polovině 90. let. Přijímač konvertuje mikrovlnný signál v šířce pásma 50 kHz kolem rezonanční frekvence dutiny nejprve na signál s centrální frekvencí 35 kHz. Elektronika poté nalezne spektrum signálu. Sledované 50 kHz pásmo v okolí rezonanční frekvence je rozděleno na 400 kanálů o šířce 125 Hz na každé straně. Pořízeno je 10 000 takových spekter pro každou rezonanční frekvenci, zprůměrováno a uloženo na harddisk spolu s dalšími experimentálními daty. Očekává se, že vlastní axionový signál by měl vytvořit pík ve spektru široký přes 6 kanálů. Dominantním signálem je samozřejmě tepelný šum rezonanční dutiny a přijímací elektroniky.
 |
| SQUID (Superconducting QUantum Interference Device) elektronika. |
Zařízení konstruované v LLNL je v tuto chvíli nejcitlivějším zařízením na světě pro detekci axionů. Nejoptimističtější předpovědi hovoří o možnosti detekovat až stovku axionů za sekundu. Pozitivní detekce axionů by znamenala velký pokrok v pochopení temné hmoty a přispěla významnou měrou k porozumění stavby vesmíru jako celku.
CP invariance – levopravá symetrie kombinovaná se symetrií částice – antičástice. Označení CP pochází z anglických slov „charge“ a „parity“. Narušení CP symetrie v přírodě prokázali J. V. Cronin a V. Fitch v roce 1964 v experimentech s rozpadem kaonů.
Slabá interakce – interakce s konečným dosahem, působí na kvarky a leptony. Intermediálními částicemi jsou vektorové bosony W+, W- a Z0 se spinem rovným jedné. Hmotnosti částic jsou v rozmezí (80÷90) GeV. Typickým slabým procesem je beta rozpad neutronu.
Silná interakce – interakce krátkého dosahu, přibližně 10-15 m. Silná interakce je výběrová, působí jen na kvarky. Polními částicemi silné interakce jsou gluony (z anglického "glue" = lepit, lepidlo). Gluony spojují kvarky do větších celků, tzv. hadronů. Nejznámější je proton a neutron složený ze tří kvarků. Silná interakce je odpovědná za soudržnost atomového jádra.
PVLAS – Polarization of Vacuum with LASer, italský experiment v laboratoři v Legnaru, který prokázal v roce 2006 stočení roviny polarizovaného světla (4×10-12 rad/m) generovaného laserem (1063 nm) ve vakuu v silném magnetickém poli (5 T). Stočení je pravděpodobně způsobeno přeměnou části fotonů na pseudoskalární částice podobné axionům.
FLASH – Free-electron LASer in Hamburg, experiment připravovaný v německém DESY (Hamburg). Fotony emitované z laditelného laseru na volných elektronech budou v silném magnetickém poli konvertovány na axiony, které po průchodu neprůhlednou deskou budou opětovně převedeny na fotony.
DESY – Deutsches Elektronen SYnchrotron, německé výzkumné centrum částicové fyziky s laboratořemi v Hamburku a Zeuthenu, které bylo založeno v roce 1959. K nejvýznamnějším zařízením patří urychlovač PETRA a laser na volných elektronech FEL.
