Keď sa pozrieme na vesmír pomocou najsilnejších ďalekohľadov, uvidíme iba zlomok hmoty, ktorá by tam mala byť. Podľa výsledkov početných pozorovaní pripadá na každý gram bežnej viditeľnej hmoty vo vesmíre najmenej päť gramov neviditeľnej látky nazývanej „tmavá hmota“. A napriek desaťročiam úsilia vedci ešte nedokázali odhaliť žiadne priame príznaky existencie tejto temnej hmoty.
Skutočnosť prítomnosti tmavej hmoty vedci poznajú vďaka štúdiu gravitačných síl zhlukov galaxií a iných supermasívnych vesmírnych objektov. Množstvo obyčajnej hmoty, z ktorej sú tieto objekty zložené, nestačí na vytvorenie gravitačných síl schopných držať tieto objekty pohromade. To zase znamená, že v hlbinách týchto objektov musí byť veľké množstvo ďalšej neviditeľnej hmoty, pozostávajúcej z elementárnych častíc nových typov, ktoré zatiaľ vedci neobjavili.
V prírode existujú štyri typy základných síl, prostredníctvom ktorých elementárne častice interagujú navzájom a so svojím prostredím. Existujú sily silných jadrových interakcií, vďaka ktorým sú zadržané častice, ktoré tvoria jadrá atómov. Existujú sily slabých jadrových interakcií, ktoré sa zúčastňujú procesov rozpadu atómových jadier. Existujú tiež sily elektromagnetizmu, ktoré vznikajú medzi časticami, ktoré majú elektrický náboj. A nakoniec ešte existujú gravitačné sily. Aby bolo možné pozorovať hmotu priamo, je potrebné, aby jej častice mohli interagovať prostredníctvom síl elektromagnetizmu, pretože to produkuje fotóny svetla alebo iné typy žiarenia, ktoré je možné detegovať ďalekohľadmi alebo inými vedeckými prístrojmi.
Vedci už majú niekoľko kandidátov na pozíciu temnej hmoty, z ktorých každý interaguje s vonkajším svetom svojím jedinečným spôsobom. U niektorých z týchto kandidátov sú však pravdepodobnejšie častice tmavej hmoty. A nižšie vám predstavíme 5 najpravdepodobnejších uchádzačov.
1. WIMP
Častice WIMP (Weakly Interacting Massive Particle) sú hypotetické častice, ktoré sa zásadne líšia od všetkých častíc, o ktorých vieme. Tento rozdiel vysvetľuje, prečo je veľmi ťažké tieto častice nielen vidieť, ale aj zaregistrovať pomocou špeciálne navrhnutých vedeckých prístrojov. Podľa existujúcej teórie je každý štvorcový centimeter oblasti za sekundu preniknutý 100 000 časticami WIMP, sú však schopné interagovať s okolitým svetom iba prostredníctvom síl slabých jadrových interakcií a prostredníctvom síl gravitácie, čo zaisťuje ich nepolapiteľnú povahu.
Matematické modely ukazujú, že ak častice WIMP existujú v skutočnosti, potom by ich veľkosť mala byť najmenej päťnásobkom veľkosti najväčších častíc bežnej hmoty. A tieto údaje sa zhodujú so vzťahom medzi obyčajnou a temnou hmotou, ktorý vedci vypočítali pomocou niektorých sekundárnych efektov. Takéto častice môžu byť detekované iba v zriedkavých okamihoch ich „čelnej“zrážky s atómami atómov bežnej hmoty, v dôsledku čoho budú vyrobené fotóny svetla. A teraz sa realizuje niekoľko experimentov vrátane XENON100, ktorých účelom je registrácia takýchto kolízií.
Propagačné video:
Je potrebné poznamenať, že častice WIMP sú predmetom výskumu zameraného na štúdium fyziky nad rámec štandardného modelu. Napriek tomu je možnosť existencie týchto častíc určená v štandardnom modeli.
2. Osi
Osy sú častice s nízkou hmotnosťou pohybujúce sa relatívne nízkou rýchlosťou, ktoré sú schopné interagovať s inými časticami iba prostredníctvom síl slabých jadrových interakcií. To ich robí veľmi ťažko detekovateľnými, ale to úplne nevylučuje možnosť tejto detekcie. Ak existujú osi, potom by sa mali rozpadať a vytvárať dvojice svetelných častíc, fotónov, ktoré je zase celkom jednoduché zaregistrovať pomocou moderných technológií. A takéto hľadanie axií v súčasnosti vykonáva niekoľko experimentov, vrátane experimentu Axion Dark Matter Experimentis.
3. MACHO
MACHO je skratka pre „masívny astrofyzikálny kompaktný halo objekt“a tieto objekty sú najskoršími kandidátmi na pozíciu temnej hmoty. Na rozdiel od všetkých druhov elementárnych častíc sú objekty MACHO kompaktné, ale masívne vesmírne objekty, ako sú neutrónové hviezdy, hnedí a bieli trpaslíci, vyrobené z obyčajnej hmoty. Sú však neviditeľné kvôli jednej zvláštnosti - nevyžarujú svetlo ani žiadne iné žiarenie.
Jediným spôsobom, ako pozorovať objekty MACHO, je registrovať zmeny jasu žiary vzdialených hviezd, čo je tranzitná metóda používaná na vyhľadávanie exopanetov. Takéto objekty možno navyše nájsť pomocou účinku gravitačných šošoviek, avšak počas celého obdobia výskumu vedci nedostali spoľahlivé potvrdenie o existencii objektov MACHO.
4. Častice Kaluza-Klein
Základom teórie Kaluza-Klein je neviditeľná piata dimenzia ukrytá v priestore, ktorá dopĺňa tri priestorové dimenzie, ktoré si dobre uvedomujeme, a čas. Táto teória bola základom, na ktorom je postavená súčasná teória strún, a určuje možnosť častíc, ktoré môžu byť tiež časticami tmavej hmoty. Podľa teórie by častice Kaluza-Klein mali mať hmotnosť 440-600-krát väčšiu ako protóny, môžu interagovať s prostredím pomocou síl elektromagnetizmu a gravitácie. Avšak pozorovaním vesmíru nemôžu vedci tieto častice vidieť, pretože sú ukryté v útrobách piatej extra dimenzie.
Našťastie sa také častice dajú ľahko experimentálne zistiť, pretože sa musia rozpadať a vytvárať neutrína a fotóny. A vedci teraz hľadajú stopy tohto druhu rozpadu počas experimentov na Veľkom hadrónovom urýchľovači.
5. Gravitino
Teórie, ktoré sú kombináciou všeobecnej relativity Alberta Einsteina a teórie supersymetrie, určujú možnosť existencie exotickej častice zvanej gravitino. Teória supersymetrie, ktorá je jednou z najúspešnejších moderných teórií vysvetľujúcich mnoho javov a anomálií v pozorovaní, určuje, že všetky častice bozónu vrátane fotónu majú „supersymetrického“partnera. V prípade fotónu sa tento partner, ktorý sa od originálu líši typom uhlového momentu rotácie, nazýva fotón. A graviton, hypotetická častica, ktorá určuje gravitačné pole, má super partnera nazývaného gravitino. Podľa niektorých modelov sú gravitínové častice veľmi ľahké a sú celkom vhodné ako kandidát na častice tmavej hmoty so silným gravitačným poľom.