Temná hmota v roce 2011

O temné hmotě se diskutuje ve vědeckém světě i v médiích již mnoho desítek let. Vždyť koho by netrápilo, že podstatnou část vesmíru nevidíme. Z dynamiky hvězd v galaxiích a i z pohybu galaxií samotných se zdá, že viditelná látka tvoří jen malou část těchto objektů. Až šestinásobek viditelné látky ve vesmíru by měl existovat v podobě temné hmoty – látky částicové povahy, která interaguje s okolím jen gravitační a snad slabou interakcí . Gravitační interakce umožňuje její mapování [1]. Dnes víme, že temná hmota vytváří ve vesmíru složité vláknité struktury, které fungují jako základní předivo vesmíru. Do hmotnějších uzlíků temné hmoty je stahována běžná atomární látka, která v nich tvoří pozorovatelné struktury. Částice temné hmoty se snaží polapit několik desítek sofistikovaných detektorů po celém světě. Zpravidla jsou umístěny hluboko v podzemí, kde je odstíněn nežádoucí signál sekundárních spršek kosmického záření . Většina těchto detektorů se pokouší hledat wimpy , nejnadějnější kandidáty na částice temné hmoty.

Složení vesmíru.

DAMA/Libra

Do loňského roku byl jediným úspěšným zařízením při hledání částic temné hmoty detektor DAMA v italské národní laboratoři pod horou Gran Sasso, který poskytoval jakýsi signál již od roku 1996. kdy byl uveden do provozu. Jde o scinitilační detektor, jehož základem jsou krystaly NaI, které by při slabé interakci atomových jader aktivní látky s wimpy měly dát záblesk zachytitelný fotonásobičem . Okolí detektoru vypadá jako hranatá cibule. Prvním obalem je měď , pak následuje olovo , další vrstva je z polyetylénu a vosku, následuje atmosféra z velni čistého dusíku , která zamezuje kontaminaci radonem , poslední vrstvu tvoří metr tlustý betonový kontejner. V první fázi (1996 až 2002) byl detektor provozován s 87 kilogramy scintilační látky. Od roku 1998 byla v signálu rozpoznána relativně slabá roční variace. Ta by mohla být způsobena tím, jak Země při svém oběhu kolem Slunce letí v určité části roku ve směru toku wimpů interagujících gravitačně s Galaxií a v jiné fázi roku ve směru proti toku wimpů. Od roku 2003 pracuje detektor pod názvem Libra s 233 kg scintilační látky NaI/Th a v získávaném signálu jsou roční variace velmi výrazné. Nicméně, jak se říká, jeden experiment není žádný experiment a nelze ho považovat za důkaz existence jevu. Signál by mohl být způsoben jinými částicemi a roční variace jinými jevy, třeba pravidelně tajícím sněhem, který může do podzemní laboratoře splavovat s podzemní vodou radioaktivní látky.

Experiment DAMA/Libra. Nalevo je dřívější konfigurace, napravo současná konfigurace, 
dole měřený signál. Gran Sasso National Laboratory.

CoGeNT, CRESST a Fermi - naděje a rozpory

V roce 2011 byl ovšem nalezen obdobný sezónně proměnný signál na experimentu CoGeNT v americkém dole Soudan [2]. Aktivní látkou je mimořádně čistý krystal germania o hmotnosti 440 gramů, který je chlazen na teplotu kapalného dusíku. Kolem je stínění ze tří vrstev olova Pb 210, polyetylénu s borem, hliníku a 20 cm tlustého plastu. Detektor začal sbírat data v prosinci 2009. Data v době publikace (květen 2011) obsahovala údaje z 442 dnů pozorování s několika sty záblesků, nicméně roční periodicita signálu byla patrná. K obdobnému výsledku dospěl také experiment CRESST, který je, stejně jako DAMA/LIBRA, umístěn pod italskou horou Gran Sasso [3]. Skládá se ze 17 modulů obsahujících scintilační látku CaWO₄, jenž pracují za extrémně nízké teploty 15 mK. Při této teplotě lze detekovat zahřátí modulu způsobené interakcí s wimpem. Detektor tedy pracuje jako mimořádně citlivý kalorimetr. Na detektoru CRESST bylo v roce 2011 nalezeno 67 signálů, které odpovídají interakci wimpů s detekční látkou a nelze je vysvětlit žádným jiným známým způsobem. Data ze všech tří experimentů (DAMA, CoGeNT, SRESST) sice nejsou v dokonalé shodě, ale umožnila horní odhad energie wimpů na cca 10 GeV. Na první pohled by se zdálo, že je tedy existence wimpů po dlouhé době tápání potvrzena, a to hned ze tří experimentů. Problém je ale v tom, že nízkoenergetické wimpy s energií do 10 GeV by měly také produkovat rentgenový signál způsobený anihilací při náhodných srážkách. Hned dvě skupiny se pokusily tento signál najít dvěma různými způsoby za pomoci rentgenové observatoře Fermi, bohužel neúspěšně [3, 4]. Na první pohled vnitřní rozpor nemusí být neřešitelný. Modely interakce wimpů jsou značně nejasné, a tak může být špatně nejenom odhad horní meze hmotnosti wimpů, ale i výpočet intenzity rentgenového signálu při náhodné anihilaci wimpů. Existence wimpů tedy nebyla v roce 2011 ani potvrzena ani vyvrácena, ale přesto je znát, že cíli jsme velmi blízko.

Experiment CoGeNT v americkém Soudanu, napravo je patrná nádoba s dusíkem.

Nalevo: experiment CRESST (Gran Sasso), napravo rentgenová observatoř Fermi.

Zdroje:

1. Ivan Havlíček: První časoprostorová mapa temné hmoty – projekt COSMOS; AB 10/2007
2. Valerie Jamieson: Second experiment hints at seasonal dark matter signal; New Scentist, 3 May 2011
3. Debjyoti Bardhan: Strong Signals Of Dark Matter Detection Noticed: Huge Announcement Coming In From Germany Conference; Techie Buzz, 07 Sep 2011
4. Alex Geringer-Sameth, Savvas Koushiappas: Exclusion of canonical WIMPs by the joint analysis of Milky Way dwarfs with Fermi; arXiv:1108.2914v2 [astro-ph.CO], 15 Aug 2011
5. Fermi-LAT Collaboration: Constraining Dark Matter Models from a Combined Analysis of Milky Way Satellites with the Fermi Large Area Telescope; arXiv:1108.3546v3 [astro-ph.HE], 17 Aug 2011
6. CRESST experiment homepage
7. CoGeNT experiment homepage
8. Jon Cartwright: Latest Fermi studies find no trace of dark matter; Physics World, 8 Dec 2011