Tým mladých vědců právě prokázal, že k objasnění jedné z největších záhad současné fyziky není zapotřebí zařízení za miliony dolarů. Existence axionů, hypotetických částic, které zatím nikdo nedokázal přímo pozorovat, ale které by mohly být klíčem k pochopení toho, z čeho se skládá vesmír.
Částice zrozená na papíře
Ve vědě o částicích se ne vše objevuje uvnitř detektoru. Některé částice vznikají nejprve jako teoretická nutnost, protože rovnice popisující přírodu se bez nich neobejdou. To je přesně případ axionů. Měly by být mimořádně lehké, elektricky neutrální částice, které prakticky nemají schopnost interagovat s běžnou hmotou. Jinými slovy, prošly by vším, co známe, aniž by zanechaly sebemenší stopu. A právě tato radikální neviditelnost je činí tak zajímavými: mohly by být v každém koutě vesmíru, aniž bychom o tom věděli.
Jejich koncepční původ sahá až k nepříjemnému nesouladu v kvantové chromodynamice, teorii, která řídí silnou jadernou sílu, tedy interakci, která drží pohromadě kvarky uvnitř protonů a neutronů. Podle rovnic by neutrony měly při působení elektrického pole vykazovat určitou asymetrii, ale všechny experimenty potvrzují, že se tak neděje. Tento nesoulad mezi předpovědí a skutečností se nazývá problém silné CP. Axiony se objevily jako elegantní řešení této hádanky: zavádějí mechanismus, který koriguje teorii přirozeným způsobem, bez umělých záplat, a proto předpovězené chování odpovídá tomu, co je skutečně pozorováno.
Kousek, který by mohl doplnit vesmírnou skládačku.
Kromě vyřešení technického problému v částicové fyzice se axiony ukazují jako jeden z nejsilnějších kandidátů na vyřešení největší záhady současné kosmologie: temné hmoty. Astrofyzici se shodují, že asi 85 % veškeré hmoty ve vesmíru je pro naše přístroje neviditelná, ale její gravitační přitažlivost je silou, která brání galaxiím v rozpadu. Axióny jsou pro takovou roli překvapivě přirozené: byly by neuvěřitelně hojné, stabilní v průběhu kosmického času a prakticky nemožné je přímo zachytit. Překážka je však zřejmá: celá tato teoretická konstrukce se zhroutí, pokud axiony neexistují. Jejich nalezení je obrovskou výzvou.
Ultrapřesné rádio naladěné na vesmír
Právě zde přichází ke slovu nová studie publikovaná na Arxivu. Projekt nazvaný SPACE, což je zkratka pro Student Project for an Axionic Cavity Experiment, využívá přístup, který je v podstatě intuitivní. Výzkumníci používají rezonanční dutinu, jakousi kovovou krabičku vyrobenou s milimetrovou přesností, a umisťují ji do nesmírně silného magnetického pole: až 14 tesla, což je asi 300 000krát silnější než magnetické pole Země.
Princip, který využívají, je velmi specifická teoretická vlastnost: pokud axiony existují, mohly by se při průchodu magnetickým polem této síly přeměnit na fotony, elementární částice, z nichž se skládá světlo. Nejednalo by se však o ledajaký světelný signál, ale o mimořádně slabý záblesk vyzařovaný na velmi specifické frekvenci.
V praxi zařízení funguje jako mimořádně přesný rádiový přijímač, naladěný na konkrétní bod elektromagnetického spektra. V tomto konkrétním experimentu tým hledal axiony s hmotností blízkou 16,6 mikroelektronvoltů, tedy částice miliardkrát lehčí než elektron.
Odhalující ticho
Výsledkem byla naprostá absence signálu. Odborníci projektu však zdůrazňují, že toto ticho má obrovskou vědeckou hodnotu. Díky experimentu se podařilo vyloučit určité vlastnosti, které by axiony, pokud by existovaly, měly v tomto specifickém hmotnostním rozsahu. Zlepšení bylo navíc podstatné: nové limity jsou o více než dva řády vyšší než ty, které byly stanoveny dříve.
Kromě dat autoři článku pod vedením Agita Akgümüse zdůrazňují filozofii, která byla hnacím motorem výzkumu. Jeho cílem nikdy nebylo konkurovat velkým mezinárodním experimentům, ale dokázat, že i malé přístroje mohou přinést významné výsledky. Rozhodujícím faktorem je podle nich přesnost nastavení a zaměření na oblasti parametrů, které velké projekty dosud neprozkoumaly.