Najde se temná hmota na jižním pólu? Osmiletý výzkum má výsledky
Před osmi lety proto vznikla na jižním pólu observatoř IceCube Neutrino a výsledky dlouholeté práce by měly být už brzy oznámeny. Co se tam ale celých těch osm let vlastně dělo?
Je temná hmota částice, jež se ukrývá hluboko pod zemí?
Teorií o tom, co to vlastně ta záhadná temná hmota je, existuje skutečně mnoho. A jednou z nich je i teorie o tom, že temná hmota je vlastně typ částice. Nejpravděpodobněji slabě interagující masivní částice (WIMP). A fyzika za WIMP je jedním z hlavních hybatelů experimentu IceCube.
Detektor Neutrino se může zdát jako zvláštní způsob hledání WIMP, ale není. Při cestování přes velké shluky hmoty, tedy přes normální částice, by částice WIMP mohly ztratit energii a nakonec by se gravitačně spojily s tělem, kterým procházejí. To by byl ve vesmíru případ planet nebo Slunce. Střed Země by tedy mohl ukrývat velkou, ale neviditelnou hmotu slabě interagujících částic.
Jenomže by něco takového bylo nemožné detekovat přímo. Vědci si však pomohli neutrinem. Neutrina, která jsou sama o sobě známá tím, že je obtížné je odhalit, jsou to, kde se částice WIMP samodestruují interakcí se standardní částicí. Jelikož je tak těžké je určit, neutrina, která by z tohoto procesu vyplynula při jakékoli hmotnosti WIMP ve středu Země, by téměř jistě dokázala projít hmotou Země a ven do vesmíru.
IceCube funguje jako zachycovač
Právě detektor, jako je IceCube, by je mohla na této cestě zachytit. IceCube se skládá z 86 řetězců digitálních optických modulů obsahujících 5160 jednotlivých optických senzorů, které detekují typ světla vytvořeného Čerenkovovým zářením, když jakékoliv neutrino interaguje s jinou částicí. Díky triangulaci jasu a dlouhověkosti světelného pulsu mohou vědci zpětně sledovat rychlost a směr, kterým neutrino cestovalo.
S ohledem na jemnou povahu zařízení a jeho částice, je redukce hluku klíčovou součástí IceCube. Část této strategie se provádí prostřednictvím izolace, takže nejenže je detekční pole situováno na jednom z nejizolovanějších míst na Zemi, ale je také pohřbeno pod 1 450 metry ledu a zabírá téměř vertikální kilometr do hloubky.
Druhá část této technologické strategie je založena na simulacích, zejména pro odhad a odstranění šumu pozadí. Výzkumný tým IceCube, který se skládá z vědců z celého světa, využívá simulace šumu pozadí ve snaze eliminovat falešné detekce. Kromě toho jsou schopni eliminovat nějaký zdroj neutrin, která nejsou spojena s částicemi WIMP, například když systém detekuje neutrino, které cestuje spíše k jádru Země než od něj.
Všechno směřuje k jednomu relativně jednoduchému úkolu, tedy pokusit se zjistit, co přesně WIMP jsou. Ve fyzice to znamená pokusit se omezit jejich hmotnost. Vědci zkoumali potenciální hmotnosti mezi 10GeV (giga elektronvolty) až 10 TeV (tera elektronvolty). Tyto rozsahy zahrnují hmotnosti, které jsou řádově těžší než jiné známé subatomární částice, jako je Higgsův boson (125 GeV) nebo elektron (0,511 MeV).
Dále se vědci soustředili na zjištění, jak často se částice WIMP skutečně zničí a vytvoří neutrino, které IceCube poté dokáže detekovat. Pomocí pokročilé statistické analýzy vědci přišli se statistickou pravděpodobností pro různé rozsahy pravděpodobnosti zničení.
Veškerá práce věnovaná odpovědi na otázku, co je to vlastně temná hmota, by tak konečně mohla stát za to. Vždyť jde o jeden z největších nevysvětlených jevů ve fyzice částic. A jediný způsob, jak to vědci mohou dokázat plně pochopit, je shromažďování dat na technologických nástrojích, jako je právě IceCube. Dále čtěte: Tým astrofyziků šokuje. Všechno se točí v kruhu, i vesmír, který připomíná koblihu.
Zdroj info: IceCube.
