Mnoho povyku kvůli temné hmotě (zatím) pro nic

Mediální nadšení z minulého týdne, že jsme jen krůček od konečné identifikace složení temné hmoty, brzdí profesor Jiří Chýla.

Snímek pořízený astronautem Ronem Garanem 12. července 2011 na vesmírné stanici ISS. V popředí detektor AMS, vpravo „zaparkovaný“ raketoplán Atlantis, zcela vlevo ruský Sojuz. | na serveru Lidovky.cz | aktuální zprávy Snímek pořízený astronautem Ronem Garanem 12. července 2011 na vesmírné stanici ISS. V popředí detektor AMS, vpravo „zaparkovaný“ raketoplán Atlantis, zcela vlevo ruský Sojuz. | foto: © NASAČeská pozice
Snímek pořízený astronautem Ronem Garanem 12. července 2011 na vesmírné stanici ISS. V popředí detektor AMS, vpravo „zaparkovaný“ raketoplán Atlantis, zcela vlevo ruský Sojuz.

Jen tři týdny po zprávě, že nejnovější výsledky z dvou experimentů v Evropské laboratoři pro fyziku částic CERN v Ženevě potvrdily, že částice, která byla těmito experimenty v CERN objevena v červenci 2012, je skutečně Higgsův boson, přilákala pozornost světových i našich médií další zpráva z CERN. Tentokrát ne o výsledcích experimentů na urychlovači LHC, který v současné době prochází modernizací, ale o výsledcích jednoho experimentu na Mezinárodní vesmírné stanici (ISS).

Na ní je od 19. května 2011 v provozu mohutný detektor AMS (Alpha Magnetic Spectrometer), jehož cílem je měření toku elektricky nabitých částic kosmického záření. O tomto detektoru, jeho otci, laureátu Nobelovy ceny za fyziku Samuelu Tingovi, temné hmotě a také našem národním zvířátku, plyšovém Krtečkovi Zdeňka Milera, který se s tímto detektorem na ISS svezl, jsem psal podrobně ve své blogu Krteček a temná hmota.

Přehnaná tvrzení

O výsledcích experimentu na ISS informovaly například Lidové noviny 5. dubna. Úvodní odstavec jejich článku Vědci jsou krůček od přímého pozorování temné hmoty však obsahuje v médiích obvyklou směs přehnaných a nepřesných tvrzení. Zní doslova:

„Vědci jsou zřejmě krůček od vůbec prvního přímého pozorování temné hmoty, která tvoří podstatnou část vesmíru. Naznačují to první výsledky experimentu na Mezinárodní vesmírné stanici (ISS), které zpracovává mezinárodní tým Evropské organizace pro jaderný výzkum (CERN) nedaleko švýcarské Ženevy. Nositel Nobelovy ceny za fyziku Samuel Ting, jenž v čele tohoto výzkumu v CERN stojí, očekává další důkazy v řádu měsíců. Konečná identifikace složení temné hmoty fyzikům otevře vrátka k novým oblastem výzkumu a k novým teoriím o takzvaném mnohovesmíru, tedy o existenci paralelních vesmírů a dalších dimenzí. Zároveň pomůže lépe pochopit složení našeho vesmíru. Temná hmota je totiž považována za jednu z nejdůležitějších látek kosmu, neboť určuje pozici planet a hvězd.“

Ten „krůček“ bude možná pěkně dlouhý výlet. Na tu „konečnou identifikaci složení temné hmoty“ si zcela jistě ještě řadu let počkáme, s mnohamíry (správnější překlad anglického „multiverse“ než „mnohavesmír“) temná hmota nemá nic společného, ale o závažnosti samotného problému, tedy skutečnosti, že v galaxiích musí být „něco“, co je drží pohromadě a co my „nevidíme“, není pochyb. To je skutečně jedna z hlavních záhad současné fyziky.

Ten „krůček“ bude možná pěkně dlouhý výlet, na tu „konečnou identifikaci složení temné hmoty“ si zcela jistě ještě řadu let počkámeKdyby šlo jen o tyto nepřesnosti, tento článek bych nepsal. V článku v LN, a podobně i v jiných textech o AMS, je ovšem jejich výsledkům přikládán větší význam, než zatím, zdůrazňuji zatím, mají, a naopak podstatná skutečnost je opominuta.

Není totiž pravda, jak tvrdí LN, že „vědci v záznamech AMS objevili nárůst pozitronových částic, které mohly vzniknout rozpadem temné hmoty“, protože tento„nárůst“ ve skutečnosti objevila již před čtyřmi lety jiná skupina a AMS jejich výsledky zatím jen potvrdila a zpřesnila.

Jsem také skeptický k tvrzení Samuela Tinga, že „v nadcházejících měsících nám bude AMS schopen upřesnit, zda tyto pozitrony jsou signálem temné hmoty, nebo jsou jiného původu“, a troufnu si tvrdit, že do konce tohoto roku nebudeme vědět o podstatě temné hmoty o nic víc, než víme dosud – a zatím nevíme nic.

O co jde

Převládající názor na podstatu temné hmoty je, že jde o velmi těžké, a proto na urychlovačích dosud neobjevené elektricky neutrální a zcela stabilní částice, které se projevují jen svým gravitačním působením na ostatní hmotu, v galaxiích především na hvězdy na jejich okraji. Ve vesmíru by měly být od jeho rané fáze a díky své velké hmotnosti by se gravitačním působením měly shlukovat v galaxiích a hvězdách.

Ve vesmíru by částice temné hmoty měly být od jeho rané fáze a díky své velké hmotnosti by se gravitačním působením měly shlukovat v galaxiích a hvězdáchMěly by ale také volně „poletovat“ kosmickým prostorem a čas od času se srazit. Při těchto srážkách by měly podle takzvaných supersymetrických teorií, které rozšiřují dnešní standardní model, vznikat páry nám dobře známých částic, například elektronu a pozitronu, protonu a antiprotonu, nebo neutrina a antineutrina, s velmi vysokými energiemi.

Zkoumáním toku těchto částic v kosmickém záření lze v principu získat informace o hmotnosti a dalších vlastnostech srážejících se částic temné hmoty. Slovo „v principu“ je důležité, protože v praxi je to velmi, velmi složité. Z hlediska identifikace temné hmoty je vhodnější zkoumat antičástice vysokých energií, neboť částic je v kosmickém záření podstatně více a objevit jemný efekt na „nezajímavém“ pozadí je u částic těžší.

A z hlediska detekce antičástic jsou po všech stránkách nejvhodnější pozitrony. Již od konce minulého tisíciletí se proto různé skupiny experimentátorů snaží různými metodami měřit závislosti počtu pozitronů a elektronů přicházejících z kosmického prostoru na jejich energii. Ty jsou v obou případech velmi strmé: čím vyšší je energie částic i antičástic, tím méně jich v kosmickém záření je.

To, co je z hlediska identifikace temné hmoty nejzajímavější, je poměr mezi počtem pozitronů a elektronů, či ještě obvykleji počtem pozitronů a součtem počtu elektronů a pozitronů (dále „frakce pozitronů“). I tento poměr závisí na energii a tato závislost je potenciální klíčem k záhadě temné hmoty.

Může za to PAMELA

Ruská raketa Sojuz 15. května 2006 vynesla z kosmodromu Bajkonur na oběžnou dráhu družici, která nesla detektor PAMELA (zkratka anglického Payload for Antimatter Matter Exploration and Light nuclei Astrophysics), vyvinutý a postavený kolaborací italských, ruských, německých, švédských a indických vědců a techniků.Cílem je proměřit spektrum pozitronů až do energií 100 GeV, tj. zhruba desetkrát vyšších, než bylo do té doby známo.

Za dva roky poté byl publikován článek, na jehož obrázku (vpravo) je srovnání všech existujících dat o frakci pozitronů od energií 1 GeV do 100 GeV. Nová data PAMELY (červené kroužky s chybami) jsou daleko přesnější než všechna předchozí a jasně ukazují, že zatímco mezi energiemi 1 a 10 GeV frakce pozitronů klesá ze zhruba osmi procent na tři procenta,nad 10 GeV začíná opět růst a při 100 GeV vzrůstá až na 15 procent. Toto chování bylo neočekávané a jeho objev patří jednoznačně PAMELE.

Těžké dělo AMS

Na obrázku (vlevo dole) z článku AMS publikovaném v pátek 5. dubna 2013 jsou nejnovější data AMS (červené kroužky), nabraná za necelé dva roky provozu na ISS, srovnána s daty Pamely (modré čtverečky) a dalšího experimentu provedeného sondou FERMI (zelené trojúhelníčky) z roku 2012.

Šedý pás klesající zleva doprava označuje závislost frakce pozitronů na energii očekávanou na základě známých procesů, tzv. pozadí. Chyby dat AMS jsou výrazně menší než Pamely, ale co se týká středních hodnot, data AMS a Pamely téměř perfektně souhlasí. To je pro jejich budoucí interpretaci odklonu dat od pozadí velmi důležité.

Při srovnání výsledků AMS a Pamely je také dobré připomenout, že ve srovnání s AMS je PAMELA vskutku tintítko: váží patnáctkrát méně (půl tuny oproti patnácti tunám), je stokrát menší a její kolektiv je šestkrát méně početný než AMS (50 fyziků a techniků oproti 320). Tím spíše patří Pamele obdiv.

Zatím tedy AMS nepřinesl oproti tomu, co objevila PAMELA, nic zásadně nového. To se ale může změnit.Zatím tedy AMS nepřinesl oproti tomu, co objevila PAMELA, nic zásadně nového. To se ale může změnit, a doufám i změní. AMS bude na ISS do konce jejího života, a tak ho čeká ještě zhruba 20 let plodné práce. První etapa jeho provozu ukázala, že Tingův tým detektor AMS na dálku perfektně ovládá (jeho velín je v přímo v CERN), a tak se máme na co těšit.

Nejbližším cílem AMS je rozšířit interval měřených energií až do 1000 GeV a zpřesnit data u těch nejvyšších energií. Jde především o to, že dosavadní data naznačují, ale zatím ještě nedokazují, že růst závislosti frakce pozitronů na energii se kolem 300 GeV zastavuje. Pokud by tento trend přesnější data potvrdila, a případně dokonce ukázala, že při ještě vyšších energiích začíná dokonce opět klesat, byl by to pro interpretaci pozorovaného chování nový a rozhodující poznatek.

Ale i potom si bude temná hmota své tajemství pečlivě střežit. Rozlousknout ho snad pomůže až další etapa provozu urychlovače LHC v CERN, která začne za dva roky. Do té doby nám nezbývá než Festina lente...

Počet příspěvků: 2, poslední 12.5.2013 11:26 Zobrazuji posledních 2 příspěvků.