Co kdyby temná hmota měla vlastní jadernou fyziku? Sedmiletý experiment v podzemí testoval její povahu

Experiment DarkSide-50 hledal pod italskou horou temnou hmotu s vlastní jadernou fyzikou. Za 532 dní měření žádný signál nezachytil, a právě to posunulo celý obor kupředu.

Foto: Freepik

Pod 1 400 metry vápence a dolomitu v masivu Gran Sasso, necelé dvě hodiny jízdy od Říma, stojí detektor naplněný ultračistým kapalným argonem. Tým spolupráce DarkSide v něm poprvé otestoval scénář, v němž temná hmota nepředstavuje jedinou bodovou částici, ale mohutný kompozitní objekt, cosi jako „temné atomové jádro“ složené z desítek či stovek „temných nukleonů“. Výsledek publikovaný v září 2026 v Physical Review D zní stroze: žádná signální událost. Jenže právě tato absence dat vyřadila celou oblast dosud povolených hmotností a interakcí, a tím vytyčila přesnější trasu pro nástupnický detektor DarkSide-20k.

Proč by temná hmota mohla mít vlastní nukleony a jádra

Většina dosavadních experimentů pátrala po takzvaných WIMPech, slabě interagujících masivních částicích, které se chovají jako bezrozměrné body. Část teoretiků ovšem už roky rozvíjí alternativu: temný sektor by mohl disponovat vlastními vnitřními silami, analogickými k silné jaderné interakci v běžné hmotě. Bez dlouhodosahové síly připomínající elektromagnetismus by v takovém sektoru mohla probíhat „temná nukleosyntéza“ prakticky bez brzd a vytvářet obrovské vázané objekty, ultratěžkou kompozitní temnou hmotu (UHDM).

Takový objekt by se při průletu detektorem choval zásadně odlišně od klasického WIMPu. Místo jediného rozptylu na jednom jádře argonu by zanechal řetězec srážek, vícenásobnou stopu rozloženou podél své dráhy. Právě tuto multiscatter topologii hledal DarkSide-50 pro čtyři referenční hmotnosti temného nukleonu: 10, 50, 100 a 500 GeV/c².

Jak 532 dní ticha pod Gran Sassem zúžilo prostor pro temnou hmotu

Klíčový dataset pochází z kampaně s podzemním argonem, která probíhala od dubna 2015 do února 2018 a poskytla 532 dní kvalitních dat s extrémně nízkým pozadím. Dvoufázová kapalno-argonová časově-projekční komora (TPC) o hmotnosti desítek kilogramů měřila současně scintilační záblesky i ionizační signál, dvojí čtení, které umožňuje odlišit jaderné odrazy od elektronového šumu s mimořádnou přesností.

Analýza musela zohlednit i to, že ultratěžký objekt ztrácí energii už při průchodu 1 400 metry horniny nad laboratoří. Čím hmotnější kompozit, tím méně kinetické energie mu zbude na interakci v detektoru. Výsledek: při 90% hladině spolehlivosti tým vyloučil konkrétní pás v prostoru parametrů, kombinace hmotností a průřezů, kde se UHDM už skrývat nemůže. Jde o vůbec první takový limit získaný v argonové TPC a o přímé zadání pro příští generaci.

Hodnota nulového výsledku spočívá v přesnosti hranice. Dokud nikdo neměřil, kompozitní temná hmota mohla teoreticky existovat v široké škále konfigurací. Po DarkSide-50 se povolený prostor znatelně smrskl. V experimentální fyzice částic platí jednoduchá logika: každý vyloučený kus mapy přibližuje buď objev, nebo definitivní zamítnutí modelu.

DarkSide-20k: dvacet tun argonu a řádový skok citlivosti

Nástupce se staví ve stejných podzemních halách LNGS. Oproti padesátikilovému předchůdci přináší dramatický nárůst objemu: 20 tun fiduciální hmoty, celkem 51 tun podzemního argonu v hlavní komoře a dalších 32 tun ve vnitřním vetu. Čtení obstarávají křemíkové fotonásobiče (SiPM) pokrývající stěny komory, vnější veto tvoří lázeň atmosférického argonu.

Cíl je ambiciózní: provoz prakticky bez instrumentálního pozadí při plánované expozici 200 tun×rok. Projekce spolupráce počítají s tím, že už po prvním roce sběru dat se citlivost pro lehkou temnou hmotu zlepší minimálně o řád oproti DarkSide-50. V pětiletém horizontu má detektor dosáhnout průřezu přibližně 1,2 × 10⁻⁴⁷ cm² pro WIMP o hmotnosti 1 TeV, v desetiletém pak 7,4 × 10⁻⁴⁸ cm², tedy oblast, kde se začíná projevovat takzvaná „neutrinová mlha“, pozadí od koherentního rozptylu atmosférických neutrin.

Start provozu materiály spolupráce nejčastěji rámují na rok 2027, některé příspěvky zmiňují pozdní rok 2026.

Argon versus axiony: jak se liší jednotlivé strategie lovu temné hmoty

DarkSide reprezentuje jednu z větví přímé detekce, měří odrazy atomových jader po srážce s procházející částicí. Výhody kapalného argonu tkví v intenzivní scintilaci, snadné chemické purifikaci a výjimečné schopnosti rozlišit elektronové a jaderné odrazy pomocí tvaru scintilačního pulzu. Podzemní argon navíc obsahuje drasticky méně radioaktivního izotopu ³⁹Ar než atmosférický; horní limit činí pouhých 0,08 % běžné atmosférické koncentrace, což otevírá cestu k mnohatunovým detektorům bez zaplavení vlastním šumem.

Úplně jiný přístup volí experimenty jako CAST nebo OSQAR v CERNu. Ty nehledají jaderné odrazy, nýbrž se pokoušejí přeměnit hypotetické axiony v silném magnetickém poli na detekovatelné fotony či rentgenové záření. Vedle toho existují kandidáti jako superWIMPy, sterilní neutrina nebo „skrytá“ temná hmota, z nichž každý vyžaduje odlišnou experimentální strategii. Pole kandidátů je dnes širší než kdykoli dříve a DarkSide testuje jednu specifickou větev tohoto rozvětveného stromu.