Temné hmoty je plný vesmír. A přesto se před námi stále skrývá, ať zkoušíme cokoliv. Jak ostatně najít něco, co se projevuje prakticky jen gravitačním působením na okolí? K legendárnímu úsilí o odhalení temné hmoty se připojuje tým japonské Kyoto University.
Vedoucí výzkumu Shunsuke Adachi a jeho kolegové vyvinuli experimentální metodu, která pátrá po částicích temné hmoty, pokud by byly ultralehké, s (pohybovou) hmotností kolem jedné desetiny milielektronvoltu. Použili k tomu technologii detekce milimetrových vln v kryogenních podmínkách, v nichž působí jen velmi omezený termální šum. Jejich výzkum publikoval časopis Physical Review Letters.
Jak prozrazuje Adachi, jde o temné fotony (dark photons). S kolegy v nové studii použili postupy, které v této oblasti doposud nebyly uplatněny, čímž otevřeli prostor pro experimenty v doposud neprozkoumaném rozsahu možných hmotností částic při hledání temnofotonové temné hmoty (DPDM, dark photon dark matter).
Adachiho tým při hledání částic temné hmoty o ultranízké hmotnosti řešil úporný problém s detekcí takových částic, který trápil jejich předchůdce déle než tři desetiletí. Adachi k tomu ještě přihazuje zajímavý bonus v podobě možného praktického uplatnění. Jejich výzkum v oblasti technologií milimetrových vln by mohl přispět k dalšímu rozvoji telekomunikačních sítí.
Nová metoda detekce případných ultralehkých částic temné hmoty je založena na přijímači milimetrových vln, který je chlazený na mínus 270 °C, kvůli potlačení termálního šumu. Přijímač by měl být schopný detekovat projevy temných fotonů o hmotnosti kolem 0,1 meV.
Na povrchu kovu by teoreticky mohlo docházet k přeměně temných fotonů na běžné fotony elektromagnetického záření. Energie (čili pohybová hmotnost) takto vzniklých fotonů by přitom měla odpovídat energii/hmotnosti původních temných fotonů. Vzniknou-li například fotony o frekvenci 10–300 GHz, odpovídalo by to energii/hmotnosti temných fotonů 0,05–1 meV.
Jak je patrné z toho, že světová média nejásají nad objevem temné hmoty, Adachi s kolegy zatím nic nenašli, přestože jejich malý tým získal zajímavé výsledky. Jejich výzkum přispěje k rozvoji poznatků o tom, co by mohla být či spíše o tom, co není temná hmota.
Video: Shunsuke Adachi - Absorbér milimetrových vln s využitím 3D tištěné formy pro kryogenní aplikace
Literatura
Osvětlí nám temnou hmotu temné záření Slunce?
Autor: Stanislav Mihulka (14.02.2016)
Experiment PADME zahajuje lov temných fotonů
Autor: Stanislav Mihulka (04.09.2018)
Následoval po Velkém třesku Temný třesk, co rozprskl do vesmíru temnou hmotu?
Autor: Stanislav Mihulka (06.03.2023)
Diskuze:
Temna hmota
Michal Varga,2023-03-30 19:14:53
Hladat temnu hmotu na zemi je nezmysel. Ak by som mal kilove zavazie z temnej hmoty a pustim ho (pominiem fakt ze by som ho v ruke asi drzat nemohol), prepadne sa cez podlahu ako duch a ustali sa az niekde uprostred zeme. Co zaroven (mozno) vysvetluje, preco je zemske jadro take tazke a huste. Zrejme to nebude len zelezom. Temna hmota a hmota prechadzaju cez seba a drzia a viaze ich vzajomna gravitacia.
Temne fotony.. fotony by som skor spajal s energiou.
Re: Temna hmota
Jirka Naxera,2023-03-30 23:11:50
Náčelníku, nechci býti kverulant, ale kdybyste hypoteticky vyvrtal tunel skrz zemi a nějak tam udržel ten tlak, tak v jádře Země žádnou gravitaci nenaměříte, není tam nic co by to tam drželo...
(gravitace u kulově symetrického tělesa je úměrné hmotě, co máte pod nohami, děleno plochou povrchu koule, na kterém stojíte. Takže ve středu nula, a pak to pomalu stoupá až k našim 9.81ms^-1)
Re: Re: Temna hmota
Michal Varga,2023-03-31 00:13:55
S tym sa neda nic nez suhlasit, ale ak by som ten objekt umiesnil kdekolvek inde do plasta, pohyboval by sa aj tak smerom ku stredu hoci mensim zrychlenim. Potom by stred prestrelil, zacal spomalovat a znovu by zacal klesat do stredu. Po case by sa ustalil v strede, kde je gravitacne zrychlenie nulove. Pozor, nezamienat s gravitaciou, gravitacia ako zakrivenie priestoru tam bude stale pritomna.
Re: Re: Re: Temna hmota
Michal Varga,2023-03-31 00:24:05
Ak mam byt uplne presny, lebo nas tym stale uvazujem, teleso by pravdepodobne opisovalo elipsu a teoreticky by neskoncilo v strede zeme. Ak by som ho pustil uplne kolmo, tak ta elipsa bu bola splostena do prismky a teleso kmitalo z jedneho konca na druhy ako gulicka zavesena na snurke pri pohlade zvrchu.
Re: Re: Re: Re: Temna hmota
Jirka Naxera,2023-03-31 03:55:55
Souhlasím, jen s jednou drobností a jednou poznámkou.
Pokud ta hypotetická hmota neinteraguje s naší, nenapadá mě žádný mechanismus, jak byste jí do té země zavěsil větší než nepatrné množství (na OTR zachycení budete potřebovat mnohem větší (desítky řádů) gravitaci, na Newtonovské pro změnu nějaké srážky, viskozitu nebo tak něco).
ad zakřivení - no ten zakřivující člen v schw. metrice je (1-rs/r). rs=2GM/c^2 ~ M ~ r^3, {1-rs/r) ~ (1 - r^2), limita pro r->0 je 1 -> ten prostor se tam limitně blíží plochému Minkovského.
Re: Re: Re: Re: Temna hmota
Jirka Naxera,2023-03-31 04:09:31
Hmm, tak přemejšlím, ani tu elipsu by to nemuselo dát. Elipsu/kuželosečku to dá v Newtonovi v centrálním poli, které slábne s g ~ 1/r^2
Uvnitř Země to ale neplatí, tam se se zvyšujícím poloměrem roste i množství gravitující hmoty, takže opět, M ~ r^3, g ~ M/r^2 ~ r, neboli lineárně (předpokládejme homogenní zemi) roste s poloměrem až k 1g na povrchu. je dost pozdě, abych si vzpoměl, jak z toho udělat a spočítat diferenciální rovnici. :-(
Re: Re: Re: Re: Re: Temna hmota
Michal Varga,2023-03-31 08:27:29
Dobrý deň, vidím že máte oveľa vačší prehľad vo fyzike ako ja, čo ma teší, lebo je to určite zaujímavé dozvedieť sa v diskusii od oponenta niečo viacej. Ešte by som chcel zohladniť jednen faktor, ktorý vyplýva z ďalšieho myšlienkového experimentu. Keď sa formovali planéty, ich hmota si našla cestu k sebe a pozliepala sa do vačších celkov, planét. Ak v tomto štádiu už existovala temná hmota, ktorej gravitačné prejavy sú podobné ako prejavy bežnej hmoty, muselo sa s ňou udiať niečo podobné. Ba dokonca sa musela s bežnou hmotou pri gravitačnom formovaní akosi premiešať. Že sa zhlukla práve uprostred planét, kvôli absencii silných interakcií medzi oboma rôznymi hmotami by mohlo byť logické. Čiže, ak sa vnútry zeme nachádza menšia zem, tvorená časticami temnej hmoty, potom by kilové závažie z temnej hmoty prepadlo podlahou a dopadlo by na hypoteticku temnú zem. Závisí zrejme od toho, kolko tam toho materiálu bude.
Re: Re: Re: Re: Re: Re: Temna hmota
Jirka Naxera,2023-03-31 08:43:34
Tak o tomhle vim uplne nic, jen z tech utrzku co jsem kde cetl mi u planet prave u te hypoteticke temne hmoty zase chybi to podstatne, ktere shrnu do jedine otazky - jak to mohlo prijit o energii?
Kdyz (vynechme ted obeh kolem Slunce) date do nejakeho dost velkeho prostoru homogenni prach, zacne se pomalu koncentrovat v miste nejake fluktuace a nabalovat na sebe dalsi. Fajn, prvne to bude mracno, pak se z nej budou vylupovat zarodky teles, v jejich okoli se koncentruje dalsi hmota, nalepuje se na ne etc.
A ted si misto hmoty dosadte neco, co nijak neinteraguje. Fajn, v miste Zeme mame vyssi hustotu hmoty. Fajn, z dalky po parabole prileti dalsi castice. Jenze kdyz se tam s nicim nesrazi, nebo jinak se nezbavi kineticke energie, tak zase po stejne parabole odleti zpatky do nekonecna. Mozna (opravdu netusim) se vicecasticovy system bude chovat lepe (alespon podle selskeho rozumu urcite - pokud takove systemy zpusobuji to, ze jejich cast muze ziskat velkou energii a odletet, jine castice pri tom nutne musi energii ztratit, coz je presne co potrebujeme), pak je ale stejne otazka, jestli proces obohaceny o srazky nebude radove ucinnejsi pro normalni hmotu - myslim ze bude; a pak jeste, jestli ma sanci fungovat i v ramci planetarnich soustav, a ne (pri prumerne rychlosti jakou temne hmote, je-li casticova, prisuzujeme, ne az v rozmerech galaxii a vyse)
Re: Re: Re: Re: Re: Re: Re: Temna hmota
Michal Varga,2023-03-31 09:43:39
Rozumiem, ale bezne citam o zrazkach dvoch hmotnych telies v zmysele, ze ked sa dostanu k sebe dostatnocne blizko, zacnu navzajom obiehat okolo spolocneho taziska, zrychlovat a postupne sa stanu jednym telesom. To je ten moment, kedy dojde k explozii a odvrhnutiu energie ktoru popisujete. Ak by jedno teleso bolo hmotne a druhe teleso z temnej hmoty, explozia a odvrhnutie prebytocnej energie by zrejme nenastalo. Toto je model s ktorym som sa este nestretol, ale ked do momentu ked sa telesa priblizuju k sebe a zrychluju by bol ten model identicky ako pri klasickej hmote. Ak jedno teleso preniklo hlbsie do druheho, gravitacne zrychlenie by zacalo stracat na intenzite a postupne by sa ich rychlosti ustalili. Cela sustava by zrejme neprisla o energiu zo zrazky, ale absorbovala by ju a vo vysledku by sa sustava roztocila okolo osi vyssou rychlostou, ako mala pred zrazkou. Ale ruku do ohna za to nedam :-)
Re: Re: Re: Re: Re: Re: Re: Re: Temna hmota
Jirka Naxera,2023-04-01 03:41:11
Ano, tohle co popisujete, tak je ale snad v relativisticke oblasti, ne?
Predne Newtonovsky, pokud kolem sebe obihaji 2 telesa (a neni tam zadne treti, ctvrte, ... pak je to slozitejsi uloha kde se ty 2 telesa mohou zpomalit treba slapovym pusobenim), tak budou obihat vecne. Aby se srazily, potrebujete opet nejak zaridit, aby se vyzarila prebytecna kineticka energie. V pripade mergeru neutronovych hvezd a cernych der jsou to prevazne gravitacni vlny, ktere ale v Newtonovi (== v mistech nizke hustoty hmoty) proste vznikaji tak slabe, ze se neprojevi.
To same treba pri formovani se Kerrovy (rotujici) cerne diry - tam pri kolapsu hvezdy se prvne musi vyzarit dostatek gravitacnich vln, aby se vubec mohl zformovat horizont udalosti.
ad to spojeni - no prave o to jde. Mimochodem, mam pocit, ze tu michame 2 ruzne modely dohromady:
- Temna hmota navzajem interaguje (negravitacne), takze mohou vzniknout temne struktury
- Temna hmota navzajem neinteraguje, takze pro zachyceni potrebujeme zachytit kazdou jednotlivou castici zvlast
Ten prvni mi pripada (jisty si nejsem), ze by mohl dopadnout nejak jak pisete, problem je, ze bychom to pozorovali. Nemate zadnou sanci to temne jadro nejak moc "zastavit", a kdyby se v Zemi hejbala druha temnozeme, tak by to s (mechanicky pevnou) nasi Zemi pri obehu spolecneho teziste mavalo tak, ze bychom si toho rozhodne vsimli (misto prilivu by to byly poradne tsunami)
Re: Temna hmota
Jirka Naxera,2023-03-30 23:14:42
Jinak hledat je na/pod povrchem Země dává perfektní technologický smysl, kryogenická laboratoř na oběžné dráze by byla hodně silná čelenž sama o sobě, vytahat tam měřáky a vědce pro změnu na peněženku. A odstínít to od kosmického záření, nevím nevím, jak byste hledal něco lepšího než stovky kilometrů atmosféry a pod ní stovky metrů skály.
ultralehké fotony, proč ne neutrina
Florian Stanislav,2023-03-29 19:31:44
Unikají mi souvislosti. Ultralehké fotony vzniknou, rozletí se na všechny strany a v prostoru se ředí, takže těžko můžou plnit vlastnosti temné hmoty, která má v galaxiích měnit jejich vývoj. Temná hmota nahrazuje chybějící gravitaci v galaxiích, na kterou samotná baryonová hmota nestačí.
To si můžeme myslet, že temnou hmotu tvoří neutrina, také letí vesmírem a ředí se v prostoru.
Víme alspoň to, že neutrina existují, několik jich měl zachytit LHC v Ženevě
Jedním cm² lidského těla proletí za 1 sekundu asi 60 miliard neutrin, takže o neutrinech víme alepoň něco.
Re: ultralehké fotony, proč ne neutrina
Jirka Naxera,2023-03-29 23:26:55
Ono je tech moznosti vic, ale vezmete si kus "naseho" bezneho standardniho modelu, konkretne elektroslaby sektor. Zkusim to prilis nezvorat, ale za pripadne chyby a nesmysly jsem plne zodpovedny, znam to jen ze skoropopularnich clanku. :-(
Na zacatku tu byly dve zakladni symetrie, podle Lieovych grup U(1) a SU(2). Kdyz je nekde nejaka symetrie, tak z ni vyskoci pro kazdy generator Lieovy grupy nehmotne Nambu-Goldstenovy bosony, v nasem pripade singlet B a triplet W.
Tyhle bosony se navazaly (slavnym Higgsovym mechanismem) na Higgsovo pole (ktere ma 4 komponenty), cimz ziskaly hmotnost. Pri snizovani energie zustavaji W+ a W- netknute, coby zname bosony slabe interakce.
W0 a B se namixuji (pod Weinbergovym uhlem) do dvou eigenstavu hmotnosti, jeden je takovy, ze se vazba na Higgsovo pole vyrusi, takze je opet nehmotny, a ten nazyvame foton, no a druhy se naopak secte a tenhle mixed stav nazyvame neutralnim bosonem Z. Ze 4 stupnu volnosti Higgsova pole jsou tim padem "sezrane" tri, a posledni odpovida castici Higgsovu bosonu, ktery byl odhalen na LHC.
Proc to rozepisuji? Ten clanek je o dark fotonech, neboli o casti hypotetickeho hidden sektoru, neboli jednoho a vic poli, a jejich hypoteticke interakci s normalnimi fotony. Tech modelu si muzeme vymyslet celou radu (teda my ne, ale teoretikove, kteri se tim zabyvaji by Vam jich na pockani dokazali sestavit desitky), pocinaje jen temito dark fotony (pokud by nejakym neznamym mechanismem ziskaly nenulovou hmotnost, tak by nutne uletet nemusely a mohly by se stat gravitacne vazane) pres kompletni temny sektor s casticovym obsahem. Vsak si muzete predstavit klidne i druhou kopii Standardniho Modelu ktera se prolina nasim Vesmirem (a onen dark foton by byl bosonem dark-elektromagneticke interakce), kde byste nebyl schopnej poznat, ze prochazite primo panem dark-Florianem jinak nez ze by s Vama gravitace proletajici dark-Zemekoule nejspis poradne zamavala ;-).
Jasne, tohle je scifi ktereho bychom si skoro urcite pri pozorovani vsimli, ale v principu si nejsem (krome pozorovani) vedom niceho, co by tomu branilo.
umění hledání
Pavel K2,2023-03-27 18:39:16
už jsem použil spoustu sofistikovaných metod hledání temné hmoty:
- byl jsem se podívat v ledničce
- kouknul jsem z okna
- podíval jsem se na dno plechovky piva
- zeptal jsem se všech příbuzných
...atd.
Ale ještě se mi na žádnou nepodařilo sehnat grant. Co dělám špatně?
Re: umění hledání
Vít Prokop,2023-03-27 19:46:27
U mne bývá na dně těch plechovek. Mohu nabídnout pomoc při hledání, nechte adresu v redakci.
Re: umění hledání
Quido Kansky,2023-03-27 22:06:08
Ešte stále môžete objaviť leštidlo na parkety ako v tej českej rozprávke.
Re: umění hledání
Jirka Naxera,2023-03-27 23:52:25
Tak ono se to nezda, ale negativni vyzkum je velmi uzitecny vyzkum, a muze byt celkem hodnotny, protoze treba omezuje prostor parametru, do ktereho se musi modely "trefit" a tim muze spoustu teoretickych modelu primo falzifikovat. Ostatne existenci dalsi U(1) interakce z prvnich principu vyloucit nemuzete (protoze zadne prvni principy nezname a Occamova britva v tomhle kontextu neni dobry nastroj), takze ano, je to dalsi krucek k poznani.
viz abstrakt:
"We observed no significant signal excess, allowing us to set an upper bound of χ < ð0.3 − 2.0Þ × 10−10 at 95% confidence level. This
is the most stringent constraint to date and tighter than cosmological constraints."
k bezne telekomunikacni technice chlazene na 3K si dovolim byt celkem skepticky, tam spis vidim aplikaci kolem grantove politiky ;)
Diskuze je otevřená pouze 7dní od zvěřejnění příspěvku nebo na povolení redakce
