Jak funguje Migdalův jev – a proč s jeho pomocí pátráme po temné hmotě

87 let stará předpověď se setkává s moderní fyzikou

Temná hmota tvoří zhruba 85 % hmoty vesmíru, přesto ji nikdo přímo nedetekoval. Jedním z důvodů je, že nejlehčí kandidáti na temnou hmotu sotva postrčí atomová jádra, když se s nimi srazí, a produkují signály příliš slabé na to, aby je zaregistrovaly i ty nejcitlivější detektory. Kvantový jev zvaný Migdalův jev by to mohl změnit – tím, že promění neviditelné postrčení v měřitelný záblesk.

Tento jev, poprvé předpovězený v roce 1939 sovětským fyzikem Arkadijem Migdalem, popisuje, co se děje uvnitř atomu, když je jeho jádro náhle odraženo stranou. Po téměř devět desetiletí jej žádný experiment nedokázal potvrdit při srážkách neutrálních částic. To se změnilo, když čínský výzkumný tým konečně pozoroval jev přímo, a dosáhl tak pětisigmové zlaté normy statistické spolehlivosti.

Co se vlastně děje uvnitř atomu

Představte si atom jako těžkou bowlingovou kouli (jádro) obklopenou hejnem lehkých pingpongových míčků (elektronů). Za normálních podmínek elektrony obíhají ve stabilních oblacích kolem jádra. Když příchozí částice – neutron, nebo potenciálně částice temné hmoty – zasáhne jádro a odrazí ho, dojde k něčemu, co je v rozporu s intuicí.

Elektronový oblak se nepohybuje okamžitě s jádrem. Na krátký okamžik zůstanou elektrony pozadu. V této zlomku sekundy se vnitřní elektrické pole atomu posune tak prudce, že jeden elektron může být zcela vyvržen. Tato ionizační událost je Migdalův jev.

Vyvržený elektron nese mnohem více energie než samotný původní jaderný odraz. Jak uvádí Phys.org, jakmile je elektron vyvržen, detektor může zachytit 100 % jeho energie – čímž se v podstatě zesílí tichý jaderný signál na něco, co mohou přístroje skutečně změřit.

Proč jej detektory temné hmoty potřebují

Současné experimenty s temnou hmotou používají masivní nádrže zkapalněných vzácných plynů – typicky xenonu nebo argonu – a čekají, až se částice temné hmoty srazí s atomovým jádrem. Tyto detektory dosáhly pozoruhodné citlivosti, s energetickými prahy kolem 100 elektronvoltů (eV). Přesto pro lehké kandidáty na temnou hmotu pod zhruba 10 GeV (asi desetinásobek hmotnosti protonu) nejsou ani tyto prahy dostatečně nízké.

Migdalův jev nabízí elegantní řešení. Místo toho, aby se fyzici snažili přímo měřit slabý jaderný odraz, mohou hledat sekundární elektronový signál, který spouští. Protože elektron nese výrazně více detekovatelné energie, stávající detektory by mohly dosáhnout až k hmotnostem temné hmoty, které by jinak byly zcela neviditelné – bez jakýchkoli hardwarových vylepšení.

Jak jej vědci konečně dokázali

Tým vedený výzkumníky z University of the Chinese Academy of Sciences postavil specializovaný plynný pixelový detektor – v podstatě „atomovou kameru“ – používající směs helia a dimethyletheru jako zobrazovací médium. Bombardovali plyn neutrony z generátoru a zaznamenali zhruba 800 000 kandidátských událostí během asi 150 hodin sběru dat.

Charakteristický znak: dvě stopy částic vycházející ze stejného bodu – jedna z odraženého jádra, jedna z vyvrženého Migdalova elektronu. Z několika set tisíc událostí šest jasných signálů prošlo všemi výběrovými kritérii, což stačilo k překročení pětisigmového prahu.

„Více než 80 let nebyl Migdalův jev při srážkách neutrálních částic nikdy přímo potvrzen experimenty,“ řekl Zheng Yangheng, korespondující autor studie a profesor na UCAS.

Paralelní úsilí ve Velké Británii

Čínské pozorování není jediným programem zaměřeným na Migdalův jev. V Rutherford Appleton Laboratory ve Velké Británii běží od roku 2023 výstižně pojmenovaný experiment MIGDAL (Migdal In Galactic Dark mAtter expLoration), který shromažďuje miliony snímků detektorů z několika vědeckých běhů. Pomocí odlišné konstrukce detektoru a neutronových zdrojů s různými energiemi se britská spolupráce snaží charakterizovat jev v širším rozsahu podmínek relevantních pro hledání temné hmoty.

Co bude dál

Nyní, když byl Migdalův jev experimentálně potvrzen, dalším krokem je jeho aplikace uvnitř skutečných detektorů temné hmoty. Hlavní experimenty jako LZ (LUX-ZEPLIN), XENONnT a PandaX by mohly znovu analyzovat stávající data a hledat události typu Migdal, což by potenciálně rozšířilo jejich citlivost na lehčí částice temné hmoty bez nutnosti budovat nový hardware.

Jev nezaručuje, že bude temná hmota nalezena – ale dramaticky rozšiřuje okno hmotností, ve kterých mohou fyzici hledat. V oboru, kde desetiletí hledání nepřinesla žádnou potvrzenou detekci, záleží na každém novém nástroji. Migdalův jev, předpovězený před druhou světovou válkou a potvrzený téměř o století později, může fyzikům konečně pomoci zaslechnout ten nejtišší úder ve vesmíru.