Po staletí lidstvo hledělo na oblohu a kladlo si základní otázky. Přesto i dnes, po staletích výzkumu, zůstávají naše znalosti o vesmíru omezené a otázky typu, proč se vesmír rozpíná nebo proč hmota po Velkém třesku „zvítězila“ nad antihmotou, zůstávají nezodpovězeny.

Jednou z největších záhad vesmíru je otázka, co nevidíme. Zdá se, že vesmír je plný tzv. temné hmoty, která neinteraguje s elektromagnetickým zářením. Ačkoli je pro dalekohledy neviditelná, její gravitační vliv na vesmír je klíčový. Například kdyby ve vesmíru nebyla, galaxie, hvězdy a planety by se nikdy nevznikly. Proto bychom nikdy neexistovali.

O temné hmotě však víme jen velmi málo. Nevíme například, z čeho se skládá. Proto vědci již léta navrhují různé hypotézy. Mezi mnoha myšlenkami fyzici navrhují, že temná hmota se skládá z axionů – hypotetických částic milionkrát lehčích než nejlehčí částice známé dnes (tj. neutrina).

Ve své nejnovější publikaci v časopise „Nature“ s názvem „Omezení axionové temné hmoty distribuovanými meziměstskými kvantovými senzory“ vědci testovali „exotickou“ hypotézu o existenci temné hmoty. Předpokládá, že temná hmota není rovnoměrně rozložena ve vesmíru, ale tvoří gigantické struktury zvané topologické defekty. Ty si lze představit jako neviditelné „bubliny“, jejichž stěnami (tzv. doménovými stěnami) Země prochází během své cesty Mléčnou dráhou. Je zajímavé, že pokud taková stěna existuje, její průchod naší planetou by měl vyvolat jemný efekt, který by mohly být detekovány pozemními senzory.

Aby to ověřili, vědci z čínské univerzity USTC a Jagellonské univerzity vybudovali síť mimořádných kvantových senzorů, které fungují jako ultrapřesné kompasy. Pokud by Země prošla stěnou bubliny, „jehly“ těchto kompasů by současně „vibrovaly“ ve více senzorech. Experiment popsaný v článku byl proveden v Číně v laboratořích vzdálených od sebe více než 300 km. Tato vzdálenost znamenala, že šance, že „jehly“ v experimentech vibrují současně, nemohla být náhodná.

Během měsíčního měření senzory nedokázaly detekovat požadovaný signál. Mohlo by se tedy zdát, že experiment selhal. Naopak, tento výsledek je úspěšný, protože umožnil otestovat a vyvrátit důležitý teoretický model.

Doposud byly parametry (okrajové podmínky) určující existenci takových interakcí určovány na základě kosmických pozorování, včetně slavné exploze supernovy 1987A. Navíc se věřilo, že pokud existují axiony, jejich vliv na hmotu musí být slabší než ten, který byl vypočítán z rychlosti ochlazování hvězd. Tým vedený profesorem Pustelnym prokázal, že v laboratoři na Zemi lze provádět měření až 40krát přesnější než astronomická. Použití inovativních technik filtrování šumu (podobných těm, které se používají při detekci gravitačních vln LIGO) a nových kvantových senzorů umožnilo „zesílení“ signálu a zkoumání parametrů modelu, které dříve nebylo možné analyzovat.

Co bude dál? Výsledky publikované v časopise „Nature“ jsou pro fyziky ukazatelem: „Nehledejte temnou hmotu na tomto konkrétním místě, ale hledejte dále.“ To otevírá cestu pro další experimenty, které nám brzy mohou umožnit pochopit složení většiny vesmíru. Výzkumníci již plánují vybudovat ještě citlivější sítě, které by mohly detekovat signály z nejprudších událostí ve vesmíru, jako jsou srážky černých děr.

Za zmínku stojí, že profesor Pustelny, vědec z Varšavské univerzity, vedl studium temné hmoty na začátku 90. let. Szymon Pustelny bude také provádět výzkum temné hmoty v rámci polsko-amerického projektu financovaného programem Fulbright STEM Impact Award.

zdroj: Jagellonská univerzita, www.uj.edu.pl/wiadomosci