Nový experiment zkoumá kontroverzní signály temné hmoty

V čisté místnosti: Karoline Schäffner a její tým dokončují práce na kryostatu. (Foto: COSINUS Collaboration)

Schématické uspořádání experimentu COSINUS (náčrt: COSINUS Collaboration) / Nastavení experimentu COSINUS (náčrt: COSINUS Collaboration)

Tým vědců a techniků při instalaci kryostatu. (Foto: COSINUS Collaboration) / Tým vědců a techniků instalující kryostat. (Fotografie: COSINUS Collaboration)

Detektor: Krystal z jodidu sodného – stejný materiál jako v experimentu DAMA/LIBRA. (Foto: COSINUS Collaboration) / Detektor: Krystal z jodidu sodného – stejný materiál jako v experimentu DAMA/LIBRA. (Foto: COSINUS Collaboration)

V Itálii byl dne 18. dubna 2024 slavnostně otevřen velký experiment na detekci temné hmoty. COSINUS je mezinárodní výzkumný projekt, na kterém se podílí také tým z Max-Planckova ústavu pro fyziku (MPP).

Podstata temné hmoty patří dodnes k velkým otázkám moderní fyziky. Podle současných znalostí tvoří neviditelná temná hmota 85 procent celkové hmoty ve vesmíru. V italském podzemním laboratoři Gran Sasso (INFN Laboratori Nazionali del Gran Sasso) dnes začíná fungovat experiment COSINUS*. Tento výzkumný projekt má ověřit, zda jiný experiment (DAMA/LIBRA) skutečně zaznamenal signály temné hmoty – nebo ne. COSINUS je spolupráce Technické univerzity ve Vídni, Ústavu pro výzkum vysokých energií ÖAW, Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (Itálie), Helsinki Institute of Physics (Finsko) a MPP.

Pro projekt COSINUS byl vyvinut speciální přístroj. Při jeho použití je krystal ochlazován na extrémně nízké teploty, aby bylo možné s vysokou přesností měřit energii částic. Pokud temná hmota sestává z dosud neznámých částic, musela by Země při své cestě vesmírem s těmito částicemi narazit. Tyto kolize by se mohly projevit v měřicím zařízení.

Experiment DAMA/LIBRA shromáždil data, která jsou v souladu s tímto předpokladem, avšak jsou kontroverzní, protože potvrzení jiným experimentem dosud chybí.

Prořezává se Země mlhou temné hmoty?

Pokud by se temná hmota skutečně dala detekovat, měření by se v průběhu roku měnila. Proč? Slunce a všechny jeho planety – tedy i Země – se pohybují rychlostí asi 220 kilometrů za sekundu kolem středu Mléčné dráhy. Země se pak pohybuje rychlostí asi 30 kilometrů za sekundu kolem Slunce, a k úplnému oběhu potřebuje rok. Po půl roku se Země pohybuje ve stejném směru jako Slunce, v dalších šesti měsících v opačném směru.

„Pokud je naše galaxie prostoupena částicemi temné hmoty, pohybovala by se Země někdy rychleji, jindy pomaleji skrz tuto ‚mlhu‘,“ vysvětluje vědkyně MPP Karoline Schäffner, technická vedoucí COSINUS. „Situace je podobná jízdě autem za deště: čím rychleji jedeme, tím více kapek deště naráží na čelní sklo. Očekáváme tedy, že v různých časech budeme detekovat různá množství temné hmoty.“

Právě toto ukázal experiment DAMA/LIBRA, který běží od roku 1995: skutečně detekoval signál, jehož intenzita se v průběhu roku pravidelně měnila – což je náznak temné hmoty. Jiná experimentální zařízení však tyto výsledky nedokázala zopakovat.

Chybějící potvrzení jinými experimenty již léta zaměstnává mezinárodní vědeckou komunitu. „S naším novým projektem je šance tento záhadu vyřešit,“ říká Karoline Schäffner. „V našem detektoru používáme natriumjodid, stejné materiály jako v experimentu DAMA/LIBRA, abychom mohli porovnat výsledky. Náš experimentální aparát však dosáhne výrazně vyšší přesnosti.“

Teplo a světlo

V experimentu DAMA/LIBRA se měří pouze světlo, nikoliv teplo. Existují již dva další experimenty, na kterých vědci pracují na reprodukci výsledků DAMA/LIBRA. Oba zaznamenávají pouze světlo – na rozdíl od COSINUS, který je navržen tak, aby detekoval dva různé signály.

Srdcem COSINUS je kryostat – jakýsi chladicí přístroj pro extrémně nízké teploty –, ve kterém může být krystal natriumjodidu ochlazován na 1-2 setiny stupně nad absolutní nulou (-273 stupňů Celsia). Pokud tento krystal zasáhnou částice temné hmoty, dojde v detektoru ke dvěma reakcím: Za prvé, atomy krystalu začnou vibrovat – krystalová mřížka začne kolébat a zahřívá se. Tato přijatá tepelná energie je možné měřit s velkou přesností. Za druhé, v krystalu vzniká také světlo, které COSINUS rovněž dokáže „vidět“.

Známé nebo neznámé částice?

Vyšetřování dvou signálů zároveň poskytuje vodítka k určení, o jaké částice se jedná. „To je důležité, protože ne každý signál zaznamenaný v takovém detektoru je náznakem temné hmoty,“ vysvětluje Karoline Schäffner. „Může se například jednat o běžné elektrony vznikající přirozenou radioaktivitou. Nebo o neutrony, které vznikají při kosmických částicích.“

Pro objevení signálů temné hmoty musí vědci co nejúčinněji chránit krystal před jakýmkoliv pozadím. Proto je experiment umístěn v dobře zabezpečené lokalitě v horském masivu, v největší podzemní laboratoři na světě: v INFN Laboratori Nazionali del Gran Sasso (INFN-LNGS, Itálie), asi sto kilometrů od Říma. Pod 1 400 metry hornin je k dispozici systém tunelů pro řadu vysoce citlivých pokusů – i experiment DAMA/LIBRA je zde umístěn. Navíc jsou detektory umístěny v sedm metrů vysoké nádrži s vysoce čistou vodou.

Projekt COSINUS bude slavnostně otevřen 18. dubna 2024 v INFN-LNGS. První výsledky měření se očekávají v letech 2025/26.

* Cryogenic Observatory for SIgnatures seen in Next-generation Underground Searches