Objeví temnou hmotu Rydbergovy atomy? Kredit: Trenton-Shuck / Deviantart.

Jak asi každý ví, temná hmota, která by měla tvořit naprostou většinu našeho vesmíru, stále svéhlavě vzdoruje objevení. Vědci, což je na nich obdivuhodné, se nevzdávají. Čím déle temná hmota vzdoruje, tím rafinovanější si vymýšlejí triky, jak ji dostat. Pokud temná hmota existuje, tak ji nejspíš tvoří nějaké částice. A ty musíme objevit. Musíme vystopovat, jak temná hmota ovlivňuje běžnou hmotu. Je to ale zjevně velice obtížné, protože jestli to temná hmota dělá, tak jen velice nezřetelně.

Experti na kvantovou informaci Diego Quiñones a Ben Varcoe z Univerzity v Leedsu vymysleli zajímavý trik, na který by chtěli temnou hmotu dostat. Hodlají na ni nalíčit gigantické atomy, které mohou být až 4 000 krát větší než obvyklé atomy. V dnešní době už není takový problém velice přesně manipulovat s jednotlivými atomy a lze z nich také udělat důmyslný detektor. Quiñones a Varcoe vycházejí z toho, že když se slabě interagující částice temné hmoty (pokud samozřejmě existuje) srazí s atomovým jádrem, tak si vymění nepatrné množství energie. Jako když se srazí dvě kulečníkové koule. To nepatrně pohne atomovým jádrem a ovlivní to i elektrony. V důsledku toho se změní celková energie dotyčného atomu, a z této změny pak teoreticky lze získat informace o částici, která se na počátku s atomem srazila.

Zní to pěkně. Háček je v tom, že jde o doopravdy velmi nepatrná množství energie, takže při lovu na temnou hmotu je nutné použít speciální typ atomů, takzvané Rydbergovy atomy. To jsou vysoce excitované atomy, jejichž jeden či více elektronů mají velmi vysoké hlavní kvantové číslo (n, anglicky principal quantum number).

Diego Quiñones. Kredit: D. Diego Quiñones.

Čím vyšší je toto číslo, tím vyšší je i potenciální energie elektronu, který je tím méně vázaný k atomovému jádru, takže je takový atom mnohem větší než obvykle. Rydbergovy atomy lze vyrobit v laboratoři z uvězněných atomů pomocí laserového paprsku o specifické frekvenci.

Takto připravené Rydbergovy atomy jsou zřejmě mnohem těžší než částice temné hmoty. Nepůjde tedy o srážku dvou kulečníkových koulí, ale spíše srážku kuličky na cvrnkání s koulí na bowling. Mohlo by se zdát divné, že je v takovém případě lepší mít velký Rydbergův atom než atom obyčejný, je to ale vskutku tak. Rydbergovy atomy jsou totiž vysoce nestabilní a i jemný šťouchanec je vykolejí. A když mají větší rozměry, tak se také s větší pravděpodobností s něčím srazí.

Ben Varcoe. Kredit: Creavo Medical Technologies.

Soudobé mainstreamové experimenty se snaží objevit temnou hmotu v podzemí, obvykle ve velkých nádržích s kapalným vzácným plynem, jako je například xenon. Pátrají po záblescích záření nebo volných elektronech, které by se objevily po srážce částice temné hmoty s atomem vzácného plynu. Zatím zcela bez úspěchu.

Rydbergovy atomy polapené v pastech z laserových paprsků. Kredit: Sarah Anderson / University of Michigan.

Podle kvantové mechaniky může k něčemu takovému dojít jen v případě, když je ve srážce překročeno určité minimální množství energie. I kdyby částice temné hmoty interagovaly s atomy vzácného plynu v nádržích detektorů temné hmoty jako šílené, pokud při tom energie nepřekročí zmíněný limit, tak se nic nestane.

Quiñones s Varcoem spočítali, že detektor založený na Rydbergových atomech by mohl zachytit i mnohem menší částice temné hmoty, než jaké dnes hledají detektory v podzemí. Například by mohl ulovit axiony, které teď jsou mezi hlavními kandidáty na temnou hmotu. Badatelé nezastírají, že experimentování s Rydbergovými atomy není úplně legrace. Výhodou ovšem zase je, že při hledání temné hmoty v tomto stylu není nutné s experimentem zalézat hluboko pod zem, protože nejsou tak citlivé na kosmické záření. To výzkum významně zlevní. Quiñones a Varcoe na svém nápadu dále pracují a jistě to zkusí i jiné týmy. Ten, kdo objeví temnou hmotu, se okamžitě stane nesmrtelným. A nejde jenom o temnou hmotu. Není vyloučeno, že detektor založený na Rydbergových atomech zachytí i gravitační vlny. 

Literatura

Conversation 5. 1. 2017, Wikipedia (Rydberg atom).