Supertěžké částice jako další kandidáti na temnou hmotu

Temná hmota - masivní kupa žlutavých galaxií, zdánlivě chycená v červené a modré pavučině pokroucených galaxií v pozadí. Snímek z Hubbleova vesmírného teleskopu

O tzv. temné hmotě ve vesmíru zatím víme jen to, že obsahuje značnou část hmotnosti (nebo energie) vesmíru a že jinak než gravitačním způsobem působí na své okolí (interaguje) velmi slabě.

Fyzikové z Univerzity jižního Dánska nyní navrhli pro tuto roli opravdu nebývale těžké a velmi slabě interagující částice, které se nacházejí mimo dnešní tzv. Standardní model elementárních částic. A také mimo dosah našich urychlovačů.

Podle současných kosmologických a astrofyzikálních představ tvoří tzv. temná hmota asi 22-27 % celkové hmotnosti vesmíru. Víme o ní však zatím jen velmi málo a nebyla zatím žádným způsobem přímo detekována. Neznáme proto ani její charakter, tj. její složení a vlastnosti.

Viditelné svítící hmoty (například té ve formě atomů či iontů) je však ve vesmíru asi 5-6krát méně, tedy zhruba jen 4-5 % celkové hmotnosti. Zbývajících 68-74 % tvoří tzv. temná energie, o které nevíme téměř vůbec nic.

Přestože temná hmota není přímo vidět v rámci spektra elektromagnetického záření, můžeme sledovat a také simulovat její nepřímé (nejen) gravitační účinky na jinou hmotu, na jiné částice. V tomto smyslu se v principu temná hmota neliší od hmoty viditelné.

Temná hmota se přitom projevuje výrazně gravitačně jak na úrovni galaxií, tak i na úrovni tzv. velkorozměrové struktury vesmíru. Svítící složka každé galaxie je přitom doslova vnořena do mnohem hmotnějšího neviditelného shluku temné hmoty.

Ve velké části dosavadních modelů temnou hmotu reprezentují částice zhruba o hmotnosti protonu a zhruba stejně slabě interagující s okolní hmotou jako neutrino. Nic však zdá se nebrání existenci mnohem těžších a ještě mnohem slaběji interagujících částic, jejichž negravitační interakce se nějak projevuje jen na velmi krátkých vzdálenostech.

Řada modelů temné hmoty předpovídá slabě interagující masivní částice (Weakly interacting massive particles - WIMPs) s hmotností o stonásobku hmotnosti protonu. Problém je v tom, že ani nejsilnější světové urychlovače zatím podobné částice nezaznamenaly.

Podle současných kosmologických a astrofyzikálních představ tvoří tzv. temná hmota asi 22 % hmotnosti či energie vesmíru. Její vlastnosti jsou zkoumány v řadě galaxií

Dánští fyzikové a kosmologové (mj. Martin Sloth a McCullen Sandora) proto navrhli předpokládat existenci mnohem masivnější částice, jejíž hmotnost by měla odpovídat asi 1019 hmotností protonu, jednomu mikrogramu nebo tzv. planckovské hmotnosti. Její hmotnost by dosáhla asi třetiny hmotnosti lidské buňky (cca 3-4 mikrogramy) a její hustota by téměř dosahovala hustoty černé minidíry odpovídající hmotnosti.

Vědci tyto zatím hypotetické částice nazvali “Planckovsky interagující temná hmota” (Planckian interacting dark matter (PIDM)). Model obsahující tyto velmi masivní PIDM by podle fyziků nutně musel zahrnovat i množství tzv. primordiálních gravitačních vln, které by se specificky “otiskly” do mikrovlnného záření kosmického pozadí, tedy do reliktního mikrovlnného záření.

Tyto supertěžké částice by pak na makroskopických vzdálenostech prakticky s ničím neinteragovaly jinak než gravitačně. Částice modelu PIDM by ovšem byly příliš těžké (a energetické) na to, aby mohly vzniknout a mohly být pozorovány na našich urychlovačích. Tato změna modelu by ovšem ovlivnila i podobu raných fází vývoje vesmíru po Velkém třesku - po fázi inflace by musela následovat fáze tzv. znovuohřátí, bez níž by částice PIDM nevznikly.

Musíme si však počkat na novou citlivější generaci družic, sledujících reliktní mikrovlnné záření, abychom mohli zjistit, zda temná hmota opravdu částice PIDM obsahuje.

Zdroje: University of Southern Denmark, Space.com, Science Alert, Physical Review Letters, Science Effects, Astronomy Now, AstroWatch, LiveScience