Je temná hmota tvořena axiony?

Když minulý týden vědci z italské laboratoře oznámili, že nečekané záblesky v jejich detektoru by mohly pocházet z dlouho hledaných subatomárních částic známých jako axiony, jejich kolegové byli opatrně optimističtí: ve fyzice údajné objevy nových částic často ztrácejí na významu, když vědci shromáždí více dat. A existují i jiná, prozaičtější vysvětlení těchto záblesků. Naopak teoretické argumenty pro existenci axionů jsou pro mnoho fyziků přesvědčivé. A tyto hypotetické částice jsou jedním z hlavních kandidátů na temnou hmotu, záhadnou látku, která tvoří většinu hmotného vesmíru. Potvrzení, že axiony existují, by znamenalo průlom ve fyzice částic – a objev s dalekosáhlými důsledky pro naše chápání složení a historie vesmíru.

Příběh axionů začíná v 70. letech 20. století, kdy si fyzikové vyvíjející standardní model – rámec popisující známé částice a jejich interakce – všimli něčeho zvláštního na silné jaderné síle, která spojuje kvarky do protonů a neutronů v jádrech atomů. Tato síla nějakým způsobem reguluje strukturu neutronů tak, aby byly dokonale symetrické. Jinak řečeno, ačkoli je neutron neutrální, kvarky v něm nesou náboj – a z neznámých důvodů je tento náboj rozložen neuvěřitelně rovnoměrně (podle nejnovějších měření přinejmenším s přesností na jednu část z miliardy). V jazyce částicové fyziky se říká, že neutron má nábojovou paritní (CP) symetrii: převrácení všech jeho nábojů z kladných na záporné a zároveň zrcadlové zobrazení jeho chování by nemělo žádný znatelný efekt. Otázka, proč má částice takové uspořádání, se stala známou jako „silný CP problém“.

V roce 1977 Helen Quinnová a Roberto Peccei, oba tehdy působící na Stanfordově univerzitě, navrhli řešení: možná existuje dosud neznámé pole, které prostupuje celým prostorem a potlačuje asymetrii neutronu. Později teoretičtí fyzikové Frank Wilczek a Steven Weinberg odvodili, že pokud by se standardní model upravil tak, aby takové pole umožňoval, znamenalo by to existenci nové částice, nazvané axion. (Wilczek dostal nápad na název podle značky pracího prášku.) Axion by neměl kvantově mechanický „spin“, což by z něj činilo boson. Jeho hmotnost by sice nebyla nulová, ale byla by neuvěřitelně malá.

Přes svou mizivě malou hmotnost by axiony existovaly v tak obrovském množství, že si fyzikové brzy uvědomili, že by mohly vysvětlit velkou část hmoty, která ve vesmíru „chybí“: Astronomická pozorování z 30. let 20. století naznačují, že viditelná hmota – galaxie, hvězdy, planety atd. – představuje méně než šestinu celkové hmotnosti veškeré hmoty ve vesmíru a zbytek tvoří temná hmota. O povaze této temné hmoty se od té doby vedou intenzivní debaty.

„Axion je ve skutečnosti opravdu dobrým kandidátem na temnou hmotu,“ říká Peter Graham ze Stanfordu. Kromě očekávání, že vesmír by měl být zaplaven těmito částicemi, by axiony byly přirozeně „temné“, což znamená, že by téměř vůbec neinteragovaly s běžnou hmotou. „Vesmír rád produkuje axiony,“ říká Graham, „a rád je produkuje takovým způsobem, že by se chovaly jako studená temná hmota, o které víme, že existuje.“

„Studená“ je důležitá výhrada: axiony, které vědci údajně detekovali pomocí experimentu XENON1T v italské národní laboratoři Gran Sasso, by pravděpodobně vznikly uvnitř našeho Slunce. Byly by vysoce energetické, a proto je nepravděpodobné, že by byly součástí temné hmoty. Axiony temné hmoty by musely být pomalu se pohybující nebo chladné, aby se mohly shlukovat a gravitačně usměrňovat vývoj galaxií – jak se předpokládá, že temná hmota dělá. Teoretici předpokládají, že takové axiony mohly vzniknout v raném vesmíru. Protože procesy, o nichž se předpokládá, že vytvářejí studené axiony, mohou navíc souviset s počátečním růstem vesmíru – mimořádným zvětšováním velikosti známým jako inflace -, mohlo by nalezení a další studium těchto nepolapitelných částic pomoci fyzikům pochopit první okamžiky po velkém třesku. Ačkoli by objev axionů nedokázal, že k inflaci došlo, Graham říká, že by poskytl cenný pohled na fyziku tohoto období. „Pro mě je to na axionech vzrušující,“ dodává.

Vědci však reagují opatrně – včetně těch z týmu XENON1T. Jediné, čím jsou si jisti, je, že v obrovské kádi s kapalným xenonem, která je srdcem experimentu, zaznamenali překvapivě velké množství „odskoků“ elektronů. O tom, co způsobilo skok elektronů, lze diskutovat. Pokud mají subatomární částice zvané neutrina nepředvídané magnetické vlastnosti, mohlo by toto uspořádání vysvětlit pozorované výsledky. Nebo by vysvětlení mohlo být přízemnější: xenon mohl být pouze kontaminován tritiem – těžší formou vodíku, jehož přirozené záření mohlo signál pozorovaný na XENON1T zkreslit. Kromě toho je úroveň spolehlivosti spojená s anomálním signálem pouze „3,5 sigma“ – což znamená, že existuje šance jedna ku 5000, že „signál“ je ve skutečnosti jen šumem, produktem statistických fluktuací, a ne skutečnou novou fyzikou. Tato pravděpodobnost může znít dobře, ale je hluboko pod standardem jedna ku 3,5 milionu, tedy „pět sigma“, který je tradičně spojován s legitimními objevy v částicové fyzice.

Kromě shromažďování dalších dat a vylepšování svého experimentu budou vědci z projektu XENON1T sledovat jakékoli roční změny zdánlivého signálu. Sluneční axiony by měly způsobovat, že tento signál bude kolísat podle toho, jak Země obíhá kolem Slunce. Potvrzující důkazy by mezitím mohl přinést experiment ADMX (Axion Dark Matter Experiment) na Washingtonské univerzitě nebo experiment známý jako CAST (CERN Axion Solar Telescope) v CERNu nedaleko Ženevy. ADMX se již podařilo stanovit nová omezení hmotnosti axionu a CAST pátrá po slunečních axionech od roku 2003.

Pokud se ukáže, že axiony jsou skutečné, byl by to „triumf teoretické fyziky – předložit takový estetický argument a pak příroda řekne: ‚Jo, to je pravda,'“ říká Wilczek, který působí na Massachusettském technologickém institutu a v roce 2004 se stal jedním z nositelů Nobelovy ceny za fyziku za teoretickou práci o silné jaderné síle. Existence axionů by podle něj ukázala na novou fyziku mimo standardní model – něco, co on a jeho kolegové očekávají již desítky let. Wilczek navrhuje, že by se mohly postavit nové typy antén, které by hledaly axiony vytvořené v raném vesmíru. Pokud by se tyto axiony podařilo úspěšně změřit, „otevřelo by to novou kapitolu v astronomii,“ dodává, protože chování těchto částic by mohlo vrhnout světlo na vznik galaxií a „možná i na další překvapivé věci“.

Ačkoli by takový vývoj byl pravděpodobně hoden Nobelovy ceny, Wilczek si na poličce místo pro druhou medaili nevyklízí. Kdyby mu však další Nobelova cena přišla do cesty, říká, že „by ji neodmítl“.

.