Zvětšit obrázek

Mikroelektronická součástka s 5 Josephsonovými přechody. Kredit: Delft University of Technology.

Budiž to už trochu neoriginální poctou Tolkienovi s Jacksonem, ale jen máloco vystihuje temnou hmotu tak přesně, jako jedna z Glumových hádanek ve tmě: „Není ji vidět, není ji cítit, není ji slyšet, nejde ji chytit. Je za hvězdami a pod horami a vyplňuje prázdné jámy. Byla tu předtím a přijde pak a nakonec ti vytře zrak.“ Jak trefné! Teď se objevila možnost, že je to ještě horší. Možná už totiž o té proklaté temné hmotě nějakou dobu víme, jen jsme si to zatím neuvědomili.

Christian Beck. Kredit: University of London.

Prozatím je to taková astrofyzikální provokačka, kterou sám sepsal Christian Beck z Institutu matematických věd Isaaca Newtona z Univerzity v Cambridgi. Dotyčný matematik je momentálně na sabatiklu, čili tvůrčí dovolené a tak se není moc čemu divit. Podle Becka by temnou hmotou mohly být axiony, tedy oficiálně hypotetické částice, které v roce 1977 navrhli Peccei a Quinová jako řešení problému s CP symetrií ve kvantové chromodynamice. Od těch dob se vědci snaží nalézt axiony v celé řadě rozmanitých experimentů, zatím ovšem bezúspěšně. Axiony jsou navrženy tak, že nemají žádný elektrický náboj, mají jen zcela nepatrnou hmotnost a také jen velmi omezeně interagují se silnou a slabou jadernou silou. To z nich dělá jen velmi obtížně zjistitelné mrchy, pokud samozřejmě vůbec existují. Když axiony projdou silným magnetickým polem, tak se mohou proměnit na fotony a naopak. Zároveň jsou axiony už delší dobu mezi nejvíce žhavými kandidáty na temnou hmotu, takže by to vlastně nebylo moc velké překvapení.

Zvětšit obrázek

Schéma Josephsonova přechodu. Kredit: NPL.

O co vlastně jde? V experimentech se supravodivostí se objevuje jistá anomálie, kterou by podle provokujícího Becka mohly způsobovat procházející axiony. Pokud by Beck měl pravdu, tak vědci v těchto experimentech zachytili axiony o hmotnosti 0,11 meV/c na druhou, čili o váze odpovídající 2 krát 10 na mínus 10 hmotnosti běžného elektronu. Perfektní představa. Prozatím je ale na místě velká opatrnost. Potvrzení prolomení nejzarytější vědecké záhady posledních desetiletí si bude žádat víc, nežli jeden text výstředního vědce. Na druhou stranu, bádaní kolem temné hmoty je už natolik zamotané, že by Beckovo řešení mnozí uvítali jako úžasný dárek pod astrofyzikální stromeček.

Aktuální situace vypadá následovně. Zvláštní jevy v supravodivých experimentech nemusejí vyvolávat axiony. Může za tím být něco úplně jiného, s temnou hmotou nesouvisejícího. Nicméně, Beck vyslovil zajímavou a prý relativně snadno testovatelnou hypotézu. Zmíněné experimenty se supravodivostí nejsou nijak závratně nákladné a nevyžadují bizarní, veliké a často podzemní detektory, tak jako tomu je například při pátrání po dalších kandidátech na temnou hmotu, netečných a těžkých wimpech. Navíc by prý mělo být relativně snadné rozlišit šum v přístrojích způsobený axony od šumu méně exotického původu.

Zvětšit obrázek

Roberto Peccei a Helen Quin. Kredit: Pedro Gómez-Esteban.

Jestli se Beck nemýlí, tak bychom měli ulovit axiony pomocí takzvaných Josephsonových přechodů (Josephson junction). To jsou mikroskopické elektronické součástky, které sestávají ze dvou supravodičů, oddělených tenkou vrstvou izolantu. Dochází v nich k takzvanému Josephsonově jevu, čili ke vzniku elektrického proudu mezi supravodiči, skrz izolant, za normálních okolností neprostupný. Když, podle Becka, axion vstoupí do vrstvy izolátoru Josephsonova přechodu a energie vyplývající z jeho hmotnosti odpovídá Josephsonově frekvenci, tak to vyvolá nárůst elektrického proudu v dotyčném Josephsonově přechodu. Axiony se v Josephsonově přechodu přemění na fotony, ty zesílí supravodivost systému a při odchodu se zase přemění zpět na axiony.

Beck přitom vychází z anomálií, které popsali Hoffmann a spol. v roce 2004 i další výzkumné týmy při experimentech s Josephsonovými přechody. Vědci se zmiňují o šumu v Josephsonových přechodech, který lze z části vysvětlit známými jevy. Při určité energii ale tento šum dramaticky naroste a přitom není jasné proč. Zatím nikdo nepřišel s uspokojivým vysvětlením a mělo se za to, že odpověď nějakým způsobem souvisí s teorií supravodivosti. Beckův nápad by mělo jít relativně snadno ověřit. Stačí jenom Josephsonovův přechod izolovat od možných zdrojů šumu a pak se dívat, jestli to mělo nějaký vliv. Axiony projdou zcela v pohodě prakticky čímkoliv, takže je odstínit nelze. Působení axionů také bude možné zamítnout ve chvíli, kdy se ukáže, že energie pozorovaného jevu v šumu na Josephsonových přechodech není stálá. Nic z toho přitom není závratně technicky či myšlenkově náročné. Takže, axiony střezte se. Pokud jste podstatou temné hmoty, tak už vás máme skoro v hrsti!

Literatura

Ars Technica 5. 12. 2013, Physical Review Letters 111: 231801, Wikipedia (Axion, Josephson effect).