Vědci z Rice University hledají těžkou temnou hmotu pomocí levitujícího magnetu

Vědci z americké Rice University se pokoušejí najít jednu z nejtajemnějších složek vesmíru pomocí neobvyklého nástroje – magneticky levitujícího kousku materiálu o velikosti pouhých mikrometrů. Tým vedený fyzikem Christopherem Tunnellem vyvíjí zařízení, které by mělo být schopné zachytit stopu po ultra těžké temné hmotě, tedy formě neviditelné látky, o níž se předpokládá, že drží galaxie pohromadě a zabraňuje jejich rozpadu odstředivými silami.

Temná hmota patří mezi největší nevyřešené záhady moderní fyziky. Ačkoli tvoří podle odhadů astronomů podstatnou část hmoty ve vesmíru, dosud se ji nepodařilo přímo detekovat. Většina dosavadních experimentů se zaměřovala na hledání lehkých částic temné hmoty, jako jsou takzvané WIMPy nebo axiony, pomocí obřích podzemních detektorů naplněných vzácnými plyny nebo krystaly. Tým z Rice University se však vydává opačným směrem a soustředí se na hypotetické extrémně těžké kandidáty, kteří by mohli být miliardykrát hmotnější než částice zkoumané v tradičních experimentech.

Klíčovým prvkem nového přístupu je malý magnet, který díky magnetické levitaci zůstává zavěšený ve vzduchu bez jakéhokoli fyzického kontaktu s okolím. Právě absence tření a vnějších rušivých vlivů činí z tohoto systému mimořádně citlivý nástroj. Pokud by ultra těžká částice temné hmoty prošla v blízkosti levitujícího magnetu, měla by podle teoretických předpokladů vyvolat nepatrný mechanický posun nebo tlak, který by šlo zaznamenat citlivými senzory.

Princip experimentu vychází z myšlenky, že i extrémně vzácné a těžké částice by při průletu hmotou zanechaly měřitelnou stopu, byť nesmírně slabou. Zatímco lehké částice temné hmoty by interagovaly s atomy detektoru mnohem častěji, ale se slabší silou, těžší kandidáti by se s běžnou hmotou setkávali méně často, avšak jejich případná interakce by mohla být silnější a specifičtější. Levitující magnet funguje jako jakási vysoce citlivá váha, která dokáže zaznamenat i nepatrné mechanické účinky, jež by jiné typy detektorů přehlédly.

Podle výzkumníků z Rice University představuje tento přístup doplněk k dosavadním metodám hledání temné hmoty, nikoli jejich náhradu. Cílem je rozšířit rozsah hmotností, ve kterých vědci po temné hmotě pátrají, a pokrýt tak oblast, která byla dosud experimentálně jen málo prozkoumaná. Pokud by se totiž ukázalo, že temná hmota je tvořena částicemi s extrémně vysokou hmotností, klasické detektory založené na srážkách s atomovými jádry by na ni pravděpodobně nereagovaly dostatečně citlivě.

Využití levitujících mikromagnetů jako detektorů představuje relativně nový směr v experimentální fyzice, který těží z pokroků v oblasti kvantové optomechaniky a přesného měření sil na mikroskopické úrovni. Podobné technologie se v posledních letech testují i v jiných oblastech, například při hledání gravitačních vln nebo při testování základních fyzikálních zákonů na velmi malých škálách. Tým z Rice University nyní tuto technologii přizpůsobuje konkrétně pro účely detekce temné hmoty.

Christopher Tunnell a jeho kolegové zdůrazňují, že jde o dlouhodobý projekt, jehož výsledky se budou postupně zpřesňovat s tím, jak se bude zlepšovat citlivost a stabilita experimentálního zařízení. Úspěšná detekce ultra těžké temné hmoty by měla zásadní význam nejen pro fyziku částic, ale i pro astrofyziku a kosmologii, protože by pomohla vysvětlit, z čeho je tvořena většina hmoty ve vesmíru a jak vznikla struktura galaxií, jaké dnes pozorujeme.

Ačkoli konkrétní výsledky experimentu zatím nejsou známy, samotný přístup ukazuje, jak se vědci snaží rozšířit paletu nástrojů pro hledání temné hmoty za hranice tradičních podzemních laboratoří. Použití mikroskopických levitujících magnetů jako detektorů představuje kreativní řešení problému, který patří mezi nejnáročnější výzvy současné fyziky – totiž jak zachytit něco, co s běžnou hmotou interaguje jen nesmírně slabě, a přesto tvoří většinu hmoty ve vesmíru.