Britský astronóm Bob Nickel cestuje do niektorých z najväčších teleskopov na Zemi, ktoré sú umiestnené vysoko v Andách. Vedci dúfajú, že kozmológovia, ako je Bob, objasnia problém, o ktorom sme do roku 1974 nevedeli, že existuje. Práve v tom čase astronómovia prvýkrát zistili, že vesmír nefunguje tak, ako by mal.

Gravitácia a rýchlosť v slnečnej sústave

V slnečnej sústave je v strede Slnko, ktoré poskytuje celú gravitáciu, a ďalej od neho sú planéty obiehajúce okolo Slnka. Rýchlosť, ktorou sa planéty pohybujú okolo Slnka, klesá v závislosti od vzdialenosti od Slnka. Napríklad Neptún potrebuje 165 pozemských rokov, aby obehol Slnko. Ak by som nakreslil graf tejto rýchlosti, vyzeral by takto: Očakávalo by sa, že rýchlosť planét v strede bude vysoká a keďže gravitácia slabne, rýchlosť bude klesať, až kým sa nedostanete na okraj.

Galaktická gravitácia a tmavá hmota

V našej galaxii je rovnaká štruktúra s obrovskou supermasívnou čiernou dierou v strede a hviezdami obiehajúcimi okolo stredu galaxie. Očakávalo by sa, že hviezdy ďalej od stredu galaxie sa budú pohybovať pomalšie ako tie vo vnútri, ale to, čo vidíme, je iné. Rýchlosť hviezd je konštantná, čo znamená, že hviezdy na okraji sa pohybujú rovnakou rýchlosťou ako hviezdy v strede. Kdekoľvek sa merala rýchlosť hviezd v špirálových galaxiách, astronómovia videli to isté. Jediné možné vysvetlenie bolo, že existuje viac hmoty, než sme si mysleli, ktorá produkuje väčšiu gravitáciu. Keďže túto dodatočnú hmotu nebolo možné vidieť, dostala trochu hrozivý názov: tmavá hmota.

Problematika tmavých hmôtových častíc

Tmavá hmota je naozaj zaujímavým problémom. Znie to exoticky, ale nemusí to tak byť. Profesorka Katie Freze je teoretická fyzička, čo znamená, že fyziku, s ktorou pracuje, považujeme za teoretickú. Samotná Katie je však skutočná. Existuje veľa tmavých vecí vo vesmíre. Kým nezasvietim na tieto fľaše, nevidím ich a akonáhle odstránim svetlo, sú tmavé. Ľudia si mysleli, že by to mohol byť plyn, prach, tmavá hmota by mohla byť obyčajná vec, ktorú nevidíte. Tieto obyčajné, ale tmavé hmôtové objekty sa nazývajú MACHOs (masívne kompaktné halo objekty), ale aj tie najoptimistickejšie odhady, koľko by MACHOs mohli vážiť, boli príliš nízke na to, aby vysvetlili čudné správanie špirálových galaxií, ako je naša.

Bola potrebná iná teória. Existuje alternatívna myšlienka, čo by mohla tmavá hmota byť, a predpokladáme, že ide o nový typ fundamentálnej častice, nie neutróny, nie protóny, nie bežné atómové častice, ale niečo úplne nové. Tieto častice sú všade vo vesmíre, lietajú v našej galaxii, sú v tejto miestnosti, dokonca by cez vás prechádzali miliardy za sekundu. Ani si to nevšimnete, ale sú tam. Tieto teoretické kandidáti na tmavú hmotu sa nazývajú WIMPy (slabo interagujúce masívne častice). Pretože slabšie interagujú s bežnou hmotou, z ktorej sme my a vedecké prístroje vyrobení, ich zachytenie je rovnako jednoduché ako chytiť vodu do sitka. V počiatočných dňoch tmavej hmoty boli tieto častice také teoretické, že nikto nemal ani potuchy o tom, ako by mohol získať aspoň jednu, dokonca ani teoreticky.

Revolúcia v detekcii tmavej hmoty

V roku 1983 mala teoretická fyzička Katie Freze epifániu. Bola na zimnej škole v Jeruzaleme, kde sa dostala do problematiky tmavej hmoty. Stretla muža menom Andre Duer, brilantného excentrického človeka, ktorý je Poliak, hovorí anglicky, francúzsky, nemecky a poľsky súčasne, a vie, kam ísť na novoročnú oslavu. V ten večer, uveríte či nie, cez koktaily (koktaily boli vždy dobré pre vedu), začal hovoriť o práci, ktorú vykonával. Drier objavil spôsob, ako detekovať neutrína, reálne častice, ktoré zdieľajú niektoré charakteristiky s navrhovanými WIMPami. Uvedomili sme si, že tú istú techniku možno použiť aj na WIMPy. WIMPy majú rovnaký typ interakcií, slabé interakcie, rovnaké ako neutrína.V tom čase som bola postdoktorandkou na Harvardovej univerzite a presvedčila som Andreho, aby prišiel na niekoľko mesiacov na Harvard, kde sme spolu s Davidom Spurgelom napísali základné myšlienky pre to, čo by sa dalo urobiť na detekciu WIMPov.

Podzemné hľadanie tmavej hmoty, ktoré by mohli byť tmavou hmotou, sú ako duchovia, prechádzajú bežnou hmotou, ale sú to častice, takže občas by jedna z nich mala naraziť na jadro atómu. Teoreticky by táto kolízia mala uvoľniť fotón, malý záblesk svetla. Tmavá hmota by bola detekovaná, jednoduché teoreticky. Keby ste sa pokúsili postaviť jeden z týchto experimentov na stole alebo v laboratóriu na povrchu Zeme, váš signál by bol úplne zahltený kozmickými lúčmi, ktoré by váš pokus o experiment úplne znemožnili, pretože početnosť kozmických lúčov by bola taká vysoká, že by ste nikdy nevideli WIMPy. Preto musíte ísť pod zem.Vďaka nápadom, ktoré mala Katie v 80. rokoch, sa tisíce vedcov začali podzemne hrabať v hľadaní tmavého tajomstva. Juan CER je jedným z nich. Jeho hľadanie tmavej hmoty ho zaviedlo do Sudbury, malého mesta v Kanade, ktoré sa nachádza tesne nad Veľkými jazerami Severnej Ameriky. Juan a jeho kolegovia pravidelne schádzajú 1,9 kilometra do tmy v snahe nájsť chýbajúcu hmotu vesmíru.

Podzemné laboratórium a detektory

Juan robí túto cestu už 30 rokov, ale zatiaľ nič nenašiel. Občas musíte pochybovať o tom, že hľadáte na nesprávnom mieste, ale prácu musí robiť niekto. Vedecký negatívny výsledok je tiež dôležitý: zatvoríte dvere a potom môžete začať hľadať iné možnosti.

Vedci sa všetci vezú do podzemného laboratória, kde dúfajú, že super hanblivá častica tmavej hmoty jedného dňa ukáže svoju tvár. Pretože čokoľvek z vonkajšieho sveta by mohlo vyžarovať radiáciu, ktorá by mohla vyzerať ako tmavá hmota, musí byť každá stopa odstránená pred vstupom do laboratória. Nikomu nie je dovolené priblížiť sa k ultra citlivým detektorom bez toho, aby bol dôkladne vyčistený a oblečený do špeciálneho nežiariaceho oblečenia.

Tu v takmer klinicky čistom prostredí je zdrvujúca zbierka experimentov, niektoré z nich majú aj niekoľko poschodí, všetky navrhnuté na to, aby chytili tmavú hmotu pri čine existencie. Väčšina experimentov má za cieľ zaznamenať nádejný blesk svetla, ktorý sa vytvorí, keď WIMPy narazia na atómy, ale Juanov experiment funguje úplne iným spôsobom. Juan sa rozhodol počúvať namiesto toho, aby hľadal tmavú hmotu.

Detekcia zvukom: „Toto je vnútorná nádoba Pico-2L, náš projekt, ktorý ide do tej veľkej rekompresnej komory. Máme kamery, ktoré sa pozerajú dovnútra, a princíp fungovania tohto detektora je nasledovný: Vložíme tam kvapalinu, ktorá je dosť špeciálna, nazývame ju prehriata kvapalina, čo ju robí citlivou na radiáciu. Keď častice zasiahnu kvapalinu, ktorá je teraz prázdna, vytvoria bubliny. Počet bublín nám povie o povahe častice, ktorá interagovala. Tieto medené veci sú elektrické senzory, veľmi sofistikované mikrofóny, a cez zvuk sme schopní rozlíšiť rôzne typy častíc.“

Aký zvuk by produkovala tmavá hmota? „Je to naozaj veľmi tichý zvuk, nie je to najhlasnejší. Ak by ste našli WIMP, bude mať wimpový zvuk, veľmi wimpový.“

Juan zväčšil tento nápad vo svojom najnovšom detektore, pretože väčší detektor znamená väčšiu pravdepodobnosť zásahu, samozrejme za predpokladu, že je tam niečo, čo by mohlo zasiahnuť. „Toto je Q60, oveľa väčšia bublinková komora, približne 30-krát väčšia v aktívnom objeme ako tá, ktorú sme predtým videli. Využívame rovnaký princíp, počúvame zvuk častíc a podobne, je to len oveľa väčšia verzia. V niektorých modeloch, ktoré sme vyvinuli pre tieto častice tmavej hmoty, je miera interakcie tak malá ako jedna interakcia, jedna bublina v našom prípade na tonu materiálu za rok alebo menej.

Dôvera? Nie naozaj. Robíte prácu najlepšie, ako viete, a potom dúfate v to najlepšie, ale nikto nevie, či sú WIMPky niekde tam alebo nie. Snažíme sa, ale dôvera nie je niečo, čo by ste našli medzi experimentátormi.“