Vědci našli klíč k temné hmotě: Molekuly BaF odhalují její skryté interakce

Vědci z Johannes Gutenberg University Mainz (JGU), Helmholtz Institute Mainz (HIM) a PRISMA++ Cluster of Excellence objevili, že částice temné hmoty by mohly zprostředkovávat interakce mezi elektrony a atomovými jádry.

Vědci z Johannes Gutenberg University Mainz (JGU), Helmholtz Institute Mainz (HIM) a PRISMA++ Cluster of Excellence objevili, že částice temné hmoty by mohly zprostředkovávat interakce mezi elektrony a atomovými jádry. Tato průlomová studie, publikovaná v časopise Physical Review Letters, představuje nové poznatky o dosud neprozkoumaných kandidátech na temnou hmotu a obecně o hypotetických částicích, které nejsou součástí Standardního modelu částicové fyziky.

Tým, vedený Dr. Konstantinem Gaulem, Dr. Lei Congem a profesorem Dr. Dmitrym Budkerem, poprvé omezil tyto interakce zprostředkované takzvanými Z' bosony. Z' bosony jsou hypotetickými mediátory slabé interakce a možnými částicemi temné hmoty v několika rozšířeních Standardního modelu. Dr. Gaul vysvětlil, že tyto výsledky řeší významné „slepé místo“ ve fyzice – režim sil mezi elektrony a jádry, který zůstal neprozkoumán jak laboratorními experimenty, tak kosmologickými daty.

Náš vesmír se skládá z přibližně 4 % viditelné, neboli běžné hmoty, kam patří planety, hvězdy a život na Zemi. Zbývajících 96 % vesmíru je neviditelných a tvoří je temná hmota (asi 23 %) a temná energie. Astrofyzikální pozorování potvrzují přítomnost temné hmoty v celém kosmu, kde hraje důležitou roli například ve struktuře galaxií. Složení částic temné hmoty však zůstává záhadou, kterou se snaží rozluštit mnoho teorií a probíhajících experimentů.

Pro určení příspěvku Z' bosonů k interakci mezi elektrony a jádry, která dává vznik takzvané hyperjemné struktuře atomů, autoři využili superpočítač MOGON 2 na JGU k reinterpretaci stávajících výsledků přesných měření na molekulách fluoridu barnatého (BaF). Tato interdisciplinární studie vyžadovala hluboké znalosti slabé interakce, vlastností bosonů mimo Standardní model a pevné základy atomové, molekulární a jaderné fyziky. Podobné hranice byly nalezeny také analýzou experimentu s atomem cesia 133, což je tradičnější metoda studia interakcí. Avšak na rozdíl od studií s atomy, analýza dvouatomových molekul, jako je BaF, v současné době nezávisí na jaderné teorii. To znamená, že výsledky mohou být přesnější, protože nejsou ovlivněny nejistotami souvisejícími s jadernou fyzikou.

Dr. Gaul zdůraznil, že husté vnitřní prostředí polárních molekul přirozeně zesiluje jemné fyzikální efekty, což z nich činí výkonné laboratoře pro detekci nových sil, které jsou jinak pro vědu neviditelné. Současná studie dokazuje, že měření molekulární fyziky jsou nově se objevujícím nástrojem pro „novou fyziku“, který konkuruje tradičním atomovým metodám. Vědci očekávají, že budoucí experimenty s těžkými dvouatomovými druhy, jako je BaF, zvýší citlivost stonásobně, což umožní proniknout hlouběji do neprozkoumaného území a pátrat po skrytých silách vesmíru.