Temná hmota se stala tématem mnoha fyzikálních diskuzí už od roku 1933, kdy na její existenci upozornil švýcarsko-americký fyzik Fritz Zwickey. Dnes tuto látku, která by měla tvořit 27 % celkové hmoty a energie ve vesmíru, hledá několik desítek laboratoří po celém světě. Nejčastěji se diskutuje o experimentu DAMA/LIBRA, kde scintilační detektory měří jakýsi signál již od roku 1996. Signál se v průběhu roku mění a tato roční variace je dávána do souvislosti s pohybem Země kolem Slunce. Země by měla v různých obdobích interagovat různě s oblakem wimpů (nejvážnější kandidát na částice temné hmoty), které jsou gravitačně vázány na naší Galaxii. Nejasnosti kolem původu tohoto signálu jsou ale značné a další kolo výměny názorů se rozběhlo v průběhu roku 2014.
Na boku tunelu pod horou Gran Sasso se ukrývá největší
podzemní laboratoř na světě. Foto James Pimm.
|
NLGS – Národní laboratoř Gran Sasso, byla vybudována ve střední Itálii na bocích tunelu, který spojuje města Teramo a L'Aquilla. Nachází se 1 400 metrů pod horou Gran Sasso a tvoří ji tři haly, každá o délce 100 metrů a výšce necelých 30 metrů. Je zde umístěno přibližně 20 funkčních experimentů. Celková plocha laboratoří, které byly otevřeny v roce 1987, je 17 300 m2. Laboratoře patří pod Národní ústav jaderné fyziky INFN (Instituto Nazionale di Fizica Nucleare). V podzemí jsou především detektory neutrin různého původu, kosmického záření a temné hmoty. DAMA/LIBRA – experiment hledající částice temné hmoty (wimpy) v italské národní laboratoři pod horou Gran Sasso. Experiment poskytuje jakýsi signál již od roku 1996. Jde o scinitilační NaI detektor. V první fázi (1996 až 2002) byl detektor provozován s 87 kilogramy scintilační látky pod názvem DAMA (DArk MAtter). Od roku 1998 byla v signálu rozpoznána relativně slabá roční variace. Ta by mohla být způsobena tím, jak Země v průběhu roku letí střídavě ve směru toku wimpů a proti toku wimpů vázaných gravitačně s Galaxií. Od roku 2003 pracuje detektor pod názvem Libra s 233 kg scintilační látky NaI/Th a v získávaném signálu jsou roční variace velmi výrazné. Temná hmota – hmota ve Vesmíru nebaryonové povahy, která není složena z kvarků. Temná hmota udržuje pohromadě svítící objekty velkých rozměrů, které díky ní v periferních oblastech obíhají rychleji, než odpovídá gravitačnímu zákonu aplikovanému na viditelnou hmotu. Podle posledních odhadů na základě pozorování existuje ve vesmíru 5 % baryonové hmoty, 27 % temné hmoty a 68 % temné energie. Existuje několik hypotetických částic, které jsou vhodnými kandidáty na částice temné hmoty, dosud však nebyly objeveny. Termín „temná hmota“ zavedl v roce 1933 Fritz Zwicky, když zjistil, že se členové Kupy galaxií ve Vlasech Bereniky pohybují v průměru rychleji, než by odpovídalo gravitačním účinkům viditelné látky. |
Vesmírné mimikry
Signál z detektoru DAMA/LIBRA byl diskutován už mnohokrát. Po přestavbě detektoru, která proběhla v letech 2002 až 2003 (množství NaI scintilátoru se zvýšilo z 87 na 233 kilogramů) byla roční variace již dobře patrná. Hlavním problémem ale je, že z mnoha dalších detektorů zaznamenají v posledních několika letech obdobný signál jen detektor CRESST, který je také umístěn pod horou Gran Sasso, a dva americké experimenty (CoGeNT a CDMS II) v dole Soudan. Značná část fyziků argumentuje tím, že signál nemusí pocházet z částic temné hmoty, ale může jít o signál pozadí, tedy ze stínění experimentu a okolních hornin. Argumenty tohoto druhu byly zformulovány více vědci, například izraelsko-americkým částicovým fyzikem Kfirem Blumem, který upozorňuje na to, že obdobnou roční variaci může dát tok mionů, který je v průběhu roku silně ovlivněn měnící se teplotou stratosféry. Miony se rozptylují v okolních horninách a ve stínících vrstvách detektoru a vytvářejí neutrony, které může detektor snadno zachytit. Takový model sice dá správnou roční variaci signálu, ale odlišnou fázi. Experimenty na DAMA/LIBRA mají maximum signálu na konci května, tok mionů z kosmického záření ovlivněný stratosférou dává maximum 21. června, což miony jako jediný zdroj signálu vylučuje.
V roce 2014 navrhl John Davis z Durhamské univerzity ve Velké Británii (nyní pracuje na Pařížské univerzitě), že by signál z detektoru DAMA/LIBRA mohl být kombinací jak mionového signálu navrhovaného Blumem, tak signálu ze slunečních neutrin, která mohou opět vytvořit v okolí přístroje detekovatelné neutrony. Neutrinový signál by měl mít maximum kolem 4. ledna, kdy je Slunce nejblíže Zemi a kombinace obou signálů (mionového i neutrinového) dává stejný fázový průběh, jako je měřen na DAMA/LIBRA. Je tedy problém původu signálu měřeného detektorem DAMA/LIBRA definitivně vyřešen?
Rozhodně ne, na počátku roku 2015 provedli Vitaly Kudryavtsev a Joel Klinger na anglické Univerzitě v Sheffieldu podrobné numerické simulace, ve kterých vzali v úvahu interakci mionů i neutrin v horninách tvořících masiv Gran Sasso. Zahrnuli detailně profil hory a samozřejmě i stínění detektoru. Signál vznikajících neutronů se sice tvarem podobá záznamu z detektoru, ale je o několik řádů slabší, a tedy pod hranicí detekce ve stávajícím scintilátoru.
| DAMA/LIBRA. V horní části je uspořádání experimentu před rekonstrukcí (nalevo) a po ní (napravo). Jednotlivé bloky mají na obou stranách fotonásobiče zachytávající záblesky scintilátoru. Naměřená data jsou v dolní části. Výrazná roční variace je dobře patrná v datech získaných od roku 2003 (po rekonstrukci). Zdroj: NLGS. |
Závěr
Situace tedy i nadále zůstává nejasná. Experimenty DAMA/LIBRA, CRESST a CoGeNT detekují jakýsi signál, jehož původ je nejasný. Pokud by tyto signály nebyly způsobeny procesy v okolí detektorů (a nemusí jít jen o neutrony vznikající interakcí vesmírných mionů a neutrin), vychází hmotnost hledaných wimpů pod hranicí 10 GeV. Wimpy by měly být samy sobě antičásticemi a jejich anihilace by měla dávat rentgenový signál zachytitelný takovými detektory, jako je například Fermi. Jenže Fermi žádný obdobný signál nedetekuje. Jistou nadějí byl nadbytek pozitronů zaznamenaný na Mezinárodní kosmické stanici detektorem AMS 2 (viz AB 14/2013), který by mohl souviset s anihilací wimpů. Jenže data ze sondy Planck zveřejněná 6. února 2015 takovou interpretaci vylučují, a tak se zdá, že nadbytečné pozitrony pocházejí z okolí blízkých pulzarů. Jak je vidět, otázek a nejasností je celá řada a na finální řešení si budeme muset ještě nějakou dobu počkat. Neustále tedy platí, že temnou hmotu dobře pozorujeme z jejích gravitačních projevů, ale přímá detekce se zatím nedaří.
| Výsledky amerických experimentů CoGeNT a CDMS-II (umístěných v dole Soudan) za předpokladu, že jde o signál wimpů. Modrá elipsa pokrývá oblast se statistickou významností 68 %, fialová 90 %. Je patrné, že hmotnost wimpu vychází slabě pod 10 GeV. Zdroj: Fermilab. |
Odkazy
- DAMA/LIBRA web page
- Kfir Blum: DAMA vs. the annually modulated muon background; arXiv:1110.0857, 4 Oct 2011
- Jonathan H. Davis: Fitting the Annual Modulation in DAMA with Neutrons from Muons and Neutrinos; Phys. Rev. Lett. 113, 081302, 21 Aug 2014
- J. Klinger, V. A. Kudryavtsev: Muon-induced neutrons do not explain the DAMA data; arXiv:1503.07225, 24 Mar 2015
- Tushna Commissariat: Dark matter and muons are ruled out as DAMA signal source; Physics World, 9 Apr 2015
- Dan Bauer: Dark-matter search results from CDMS II silicon detectors; Fermilab Today; 15 Apr 2013
- Petr Kulhánek: Temná hmota v roce 2011; AB 49/2011
- Michal Marčišovský: Prvé výsledky AMS-02; AB 14/2013
- Marie Kratochvílová: Od roztržitého chemika k detektorům temné hmoty; AB 6/2014
- Gran Sasso National Laboratory factsheet, 2010
- Aldebaran: Expedice do Gran Sasso; 2010
