Antičástice
V kosmickém záření je přebytek pozitronů. Pocházejí z temné hmoty?

Z vesmíru k nám přilétá větší množství antičástic elektronů, než by se dalo čekat. Zaznamenal je detektor připevněný na ISS. Kde se berou? Pocházejí ze záhadného materiálu, na který připadá 84,5 veškeré hmoty?

Na jednom z tubusů Mezinárodní kosmické stanice je už skoro tři roky nainstalovaná nevzhledná krabice. Je to detektor kosmického záření AMS (zkratka z anglického Alpha Magnetic Spectrometer), dovezl ho tam raketoplán Endeavour v rámci předposlední mise amerického programu raketoplánů. Start, instalaci detektoru a přistání si můžete pustit na vložených videích. Detektor počítá elementární částice, které k nám přilétají z bezedných hlubin mrazivého kosmu. Od svého spuštění jich zaznamenal asi čtyřicet jedna miliard.

Data z AMS analyzuje zvláštní tým vědců ve švýcarském středisku výzkumu elementárních částic CERN. Tenhle týden zveřejnili v časopise Physical Review Letters dvě práce, ve kterých popisují zajímavé výsledky projektu. Točí se okolo přebytku pozitronů v některých částech signálu. Pozitron je antičástice elektronu. Má stejnou hmotnost, ale opačný (tedy kladný) elektrický náboj. Svoji antičástici má kdejaká obyčejná částice.

Antihmota se chová podobně jako běžná hmota. Například antiproton, antičástice protonu, může s pozitronem vytvořit atom vodíku, který je stejný jako obyčejný, až na to, že je z antihmoty. Když se antičástice srazí s obyčejnou částicí, obě zaniknou a přemění se na energii, anihilují. Běžné hmoty je ve vesmíru ze zatím nepříliš jasných důvodů daleko víc než antihmoty. Převaha antičástic nad běžnými částicemi proto znamená, že někde existuje jejich dosud neznámý zdroj.

0,5 až 500 GeV

Přesně taková situace se dá pozorovat v údajích z experimentu AMS. Z už zmíněných jednačtyřiceti miliard částic, které detektor zaznamenal, bylo asi deset miliard elektronů a pozitronů. Částice, které k detektoru dorazí, mají různou energii. Tu je v dané oblasti zvykem měřit v elektronvoltech: jeden elektronvolt (eV) je energie, kterou dodá elektronu napětí jednoho voltu. Pozitrony i elektrony zasahující detektor měly energii řádově asi miliardkrát větší, udávanou v gigaelektronvoltech (GeV).

Když vědci spočítali všechny pozitrony a vydělili jejich počet součtem počtu všech elektronů a pozitronů dohromady, vyšlo najevo, že v energiích od 0,5 do 500 GeV je pozitronů neočekávaně mnoho. Nezdá se navíc, že by přilétaly z jednoho směru. To by mohlo znamenat, že jejich zdroj nebude nějaký jednotlivý objekt kdesi v sousedství.

Takovým objektem by mohly být například pulsary, rychle rotující pozůstatky po hvězdných explozích, v nichž je hmota natolik namačkána, že se změní téměř jen na samé neutrony. Neutronové hvězdy mají velice silná magnetická pole, která plivou do okolního vesmíru pozitrony. I když se jako zdroj přebytečných pozitronů ještě nedají vyloučit, vypadá to, že částice navíc zaznamenané detektorem AMS mají jiný původ.

WIMPs

Zdrojem pozitronů by mohla být temná hmota. Je to materiál, na který podle výpočtů astronomů připadá 84,5 veškeré hmoty ve vesmíru. Vědci nevědí, z čeho se skládá. Nejsou si ani jistí, jestli existuje, poněvadž nereaguje se světlem - nesvítí ani světlo nepohlcuje. Na její přítomnost ukazuje jen její gravitační působení na objekty z viditelné hmoty. Mohla by být z takzvaných slabě interagujících hmotných částic, v angličtině označovaných jen zkratkou WIMPs (= Weakly Interacting Massive Particles).

Při jejich srážkách a anihilacích by mohly přebytečné pozitrony vznikat. Aby fyzikové získali o WIMPs lepší představu, potřebují vědět, kdy přestane pozitronů přibývat. V datech z detektoru AMS vyšla tato hranice okolo 275 GeV.

To by znamenalo, že se hmotnost hypotetických částic pohybuje okolo jednoho TeV (10¹² neboli jeden bilion elektronvoltů). Hmotnost elementárních částic se často vyjadřuje v jednotkách energie, podle ikonického vztahu E = mc². Například proton má hmotnost 938 milionů elektronvoltů.

Kdyby temná hmota neexistovala, znamenalo by to, že gravitace funguje jinak, než si fyzikové představují. Její nejpřesnější popis poskytuje už téměř sto let dobře prověřená obecná teorie relativity. Existují ale i alternativní deskripce, jež se bez temné hmoty obejdou. Nejznámějšímu z nich se říká modifikovaná newtonovská dynamika a vymyslel ho v osmdesátých letech minulého století izraelský fyzik Mordehai Milgrom.