Temná hmota zůstává jednou z největších záhad vědy. Navzdory desetiletím astronomických důkazů o jeho existenci se zatím nikomu nepodařilo najít žádné známky blíže k domovu. Byly o to učiněny desítky snah a jeden z nejvýznamnějších právě dosáhl milníku – zveřejnění a analýzy dat za 8 let. The Neutrinová observatoř IceCube brzy zveřejní výsledky z těchto 8 let, ale nyní se pojďme ponořit do toho, co přesně hledají.
Existuje mnoho teorií o tom, co temná hmota vlastně je, a několik z nich se zaměřuje na myšlenku temné hmoty jako typu částice. Nejvýraznější z nich je Slabě interagující masivní částice (WIMP) . Fyzika WIMP je jedním z hlavních hnacích motorů experimentu IceCube.
Video popisující, jak IceCube funguje.
Poděkování – kanál YouTube IceCube Neutrino Observatory
Detektor neutrin se může zdát jako zvláštní způsob, jak hledat WIMP, ale fyzika za ním je dobře pochopena. Při cestování velkými shluky hmoty „standardního modelu“ (tj. toho, co považujeme za „normální“ částice), by WIMPS mohl ztratit energii a nakonec se gravitačně vázat na tělo, kterým cestují. To by byl případ planet nebo Slunce. Střed Země by tedy mohl ukrývat velkou, neviditelnou masu slabě interagujících částic.
Bylo by nemožné přímo detekovat jakékoli takové seskupení WIMPS. Vědci však mohli vidět prozrazující znaky měřením zástupné částice – neutrina . Neutrina, která jsou sama o sobě známá tím, že je obtížné je detekovat, jsou výsledkem některých teorií, kde se WIMP samy zničí interakcí se standardní částicí. Vzhledem k tomu, že je tak obtížné je zachytit, neutrina, která by byla výsledkem tohoto procesu v jakékoli mase WIMP ve středu Země, by byla téměř jistě schopna projít hmotou Země a dostat se do vesmíru.
Video Isaaca Arthura pojednávající o (známých) vlastnostech temné hmoty.
Poděkování – kanál YouTube Isaaca Arthura
Ale po cestě je může zachytit neutrinový detektor, jako je IceCube. Umístěný na geografickém Jižní pól , IceCube se skládá z 86 řetězců digitálních optických modulů obsahujících 5160 jednotlivých optických senzorů, které budou detekovat typ světla vytvořeného Čerenkovova radiace když jakékoli neutrino interaguje s jinou částicí. Triangulací jasu a délky trvání světelného pulsu pak vědci mohou zpětně sledovat rychlost a směr, kterým se neutrino pohybovalo.
Vzhledem k rafinované povaze zařízení a jeho části zájmu je redukce hluku klíčovou součástí IceCube. Část této strategie se provádí pomocí izolace – nejen že je detekční pole založeno na jednom z nejizolovanějších míst na Zemi, ale je také pohřbeno pod 1450 m ledu a pokrývá téměř vertikální kilometr do hloubky.
Při pohledu dolů na jeden z otvorů detektoru IceCube.
Kredit: IceCube Collaboration/NSF
Druhá část této strategie je založena na simulacích, zejména za účelem odhadu a odstranění šumu pozadí. Výzkumný tým IceCube, který se skládá z vědců z celého světa, využívá simulace hluku na pozadí ve snaze eliminovat falešné detekce. Kromě toho jsou schopni eliminovat některé zdroje neutrin, které nejsou spojeny s WIMP, například když systém detekuje neutrino, které se pohybuje směrem k zemskému jádru spíše než pryč od něj. Tyto typy neutrin jsou s největší pravděpodobností způsobeny „atmosférickými neutriny“, která se tvoří, když kosmické záření dopadne na zemskou atmosféru.
Celé toto úsilí směřuje k jednomu relativně jednoduchému úkolu – pokusit se zjistit, co přesně WIMP jsou. V jazyce částicové fyziky to znamená pokusit se omezit jejich „hmotnost“. Stejně jako u mnoha věcí v částicové fyzice se měří trochu jinak než pouhým položením něčeho na váhu. Měřeno v „elektronvoltech“ výzkumníci sledovali potenciální hmotnosti mezi 10GeV (giga elektronvolty) až 10 TeV (tera elektronvolty). Tyto rozsahy zahrnují hmotnosti, které jsou řádově „těžší“ než jiné dobře známé subatomární částice, jako je Higgsův boson (125 GeV) nebo elektron (0,511 MeV).
Umělcova kresba nastavení observatoře IceCube.
Kredit – IceCube Collaboration / NSF
Další charakteristikou WIMP, kterou se výzkum snažil zúžit, je „míra anihilace“, tj. jak často se WIMP skutečně zničí a vytvoří neutrino, které pak IceCube dokáže detekovat. Pomocí pokročilé statistické analýzy vědci přišli se statistickou pravděpodobností pro různé rozsahy pravděpodobnosti anihilace.
I přes veškerou dosavadní práci nebyly konečné výsledky ještě plně analyzovány. Co všechny tyto výsledky mohou znamenat pro hledání WIMP, je tedy stále otevřenou otázkou. Tým IceCube očekává, že výsledky budou „brzy zveřejněny“. A co víc – data, která aktuálně analyzovali, pocházela pouze z let 2011 – 2018, takže do této analýzy musí být zahrnuty ještě tři roky dat.
Tým IceCube pózuje na snímku před zaváděcí věží po dokončení detektoru neutrin IceCube v prosinci 2010. Foto: Chad Carpenter/NSF
Veškerá práce vynaložená na odhalení toho, co přesně je temná hmota, by mohla stát za to. Koneckonců zůstává jedním z největších nevysvětlených jevů v částicové fyzice. A jediný způsob, jak tomu vědci budou schopni plně porozumět, je shromažďovat data na přístrojích, jako je IceCube, po léta a roky.
Další informace:
arXiv - Hledejte temnou hmotu ze středu Země pomocí dat IceCube za 8 let
University of Wisconsin – Neutrinová observatoř IceCube
UT - Země občasná neutrina zastaví
UT - Detekce neutrin by mohla pomoci vytvořit zcela nový obrázek vesmíru
Hlavní obrázek:
Obrázek budovy na povrchu jižního pólu, kde sídlí observatoř IceCube Neutrino.
Kredit – IceCube Neutrino Observatory
