Temná hmota a experiment OSQAR

Pavel Motal je skromný, nenápadný mladý muž. Skoro byste řekli, „šedý průměr“. Jak ale začne mluvit o tom, co dělá, zjistíte, že jeho zájmy by vystačily vyplnit život třem jiným klukům v jeho věku, že energie má na rozdávání a že se zabývá takovým tématem, nad kterým většině z nás zůstává rozum stát.

Pavle, z čeho je vesmír?

Až na to přijdu, dostanu Nobelovku! Ale vážně – většina lidí si myslí, že z pevných látek, jako je naše Země a jiné planety, z plynů jako je Slunce a jiné hvězdy, možná z nějakého záření, které bloudí mezihvězdným prostorem. Ale matematicky to nevychází. Musí tu být ještě něco, co nazýváme „temná hmota“.

Kdo na to přišel, že existuje temná hmota?

Existenci temné hmoty předpověděl astronom Fritz Zwicky již před 78 lety, ale dosud se nepodařilo ji potvrdit. O její existenci usuzujeme zejména z gravitačního vlivu na okolní objekty. Frantz Zwicky si při astronomických pozorování všiml zajímavé skutečnosti – když porovnal hmotnost kupy galaxií, kterou pozoroval, s teoretickou hmotností, tak mu vyšla hodnota 400krát rozdílná. A právě tento fakt ho přivedl na myšlenku existence nějaké jiné formy hmoty – temné hmoty. Kandidátů na částice, ze kterých by se mohla temná hmota skládat, je celá řada, já se zaměřuji na axiony.

Tak nejprve nám pověz, jak tě napadlo zaměřit se na něco, o čem nikdo neví, jestli to vůbec existuje?

Na fyziku mě jako malého přivedl můj dědeček, který mě učil, kde je jaké souhvězdí na hvězdné obloze, a řešili jsme zajímavé problémy. To byl asi první impuls do studia fyziky. Nikdy mě moc nebavilo učit se věci, které jsou napsané v učebnicích, a raději jsem přemýšlel nad současnými problémy. Když jsem začal studovat fyziku na Matematicko‑fyzikální fakultě UK, tak jsem se dostal přes katedru fyziky nízkých teplot na exkurzi do CERNu, kde nám nabídli účast na zajímavých studentských projektech – experimentech. Když jsem se dozvěděl o experimentu OSQAR, který se zabývá axiony, tak jsem ani chvíli neváhal a asi během měsíce jsem už byl členem této skupiny. Mě vždy bavila částicová fyzika, protože se z částic skládá prakticky vše. A o axionech to platí dvojnásobně.

Je studium temné hmoty součástí výuky?

To rozhodně není. Sice o ní jsou zmínky na přednáškách, ale toto je specializované téma, které se běžně nevyučuje. Tímto tématem se spíše zabývají fyzikové, kteří temnou hmotu studují, nebo studenti, kteří např. dělají na toto téma nějaké práce.

Zpět k axionům – jak by měly vypadat a jak se zkoumají?

Existenci těchto částic předpověděla kvantová teorie. Tyto částice navrhli Roberto Peccei a Helen Quinnová v roce 1977. Teoreticky by měly mít hmotnost mezi 10^‑6 – 1 eV/c², nulový elektrický náboj i spin. Cest, jak nalézt tyto částice, je několik – jsou to zejména experimenty v oblasti polarizace světla, optických teleskopů a regenerace fotonů. Existují i některé další, méně známé, přičemž experiment OSQAR spadá pod experimenty s regenerací fotonů.

Na čem tedy konkrétně pracuješ?

Na experimentu s lasery, konkrétně experiment OSQAR(Optical Search for QED vacuum magnetic birefringence, Axions and photon Regeneration), ve kterém je zapojena i Česká republika. Jeho hlavním úkolem je nalézt hypotetické částice axiony, ale dále i pseudoskalární částice, skalární částice, nebo parafotony. Správně bychom mu měli říkat „optical regeneration experiment“. Překlad do češtiny je obtížný, ale mohli bychom ho přeložit jako „experiment s regenerací fotonů“.

Co to je regenerace fotonů? Jak si to máme představit?

Princip experimentu pro hledání axionů je následující – svazek fotonů z velmi silného laseru (~20 W) projde polarizační destičkou, která nakloní vektor elektromagnetického záření do určitého úhlu. Přes tuto destičku pokračují fotony do prvního magnetu, kde je magnetické pole přibližně 9,6 T. V tomto magnetu se fotony interakcí s virtuálními fotony (podle kvantové teorie je magnetické pole zprostředkováno právě virtuálními fotony) přemění na axiony. Ve druhém magnetickém poli se axiony opět interakcí s virtuálními fotony přemění na fotony a ty následně detegujeme ve vysoce citlivé CCD kameře, která je umístěna za druhým magnetem. Hledání ostatních typů částic na tomto experimentu probíhá podobně, jen v mírně odlišném uspořádání.

Slovo „parafoton“ zní skoro okultisticky, nebojíš se, že Klub Sysifos tomuhle výzkumu udělí bludný balvan?

Máte pravdu, že studium axionů může někomu připadat jako výzkum něčeho, co lidstvo nepotřebuje. Když si ale uvědomíme, že podle kvantové teorie se z těchto (nebo hodně podobných) částic může skládat velká část celého vesmíru, tak si myslím, že tento experiment rozhodně potřebný je. Výhodou tohoto typu experimentu je, že máme velké možnosti různých konfigurací a můžeme dalšími přídavnými zařízeními mnohonásobně zvýšit výkon laseru a tím pokrýt větší oblast energií, kde by se mohly vyskytovat axiony. Tuto výhodu mají jen některé typy experimentů, které se zabývají podobným výzkumem.

Jak konkrétně se ty sám podílíš, když jsi v Česku, a ne v CERNu?

Já pocházím od Brna, ale na tomto projektu pracuji ve skupině zformované v Praze. Protože tento experiment je poměrně malý, tak měříme jen v určitých obdobích a tato práce nezabere moc času. Když měříme, tak jsem třeba několik týdnů v CERNu, kde se podílím přímo na experimentální práci a následně provádím vyhodnocování dat, a už v tuto chvíli přemýšlím, jak ještě více vylepšit experiment, aby splnil všechny naše plány.

Jaké jsou dosavadní výsledky?

Experiment je poměrně mladý (měření na něm začalo teprve před rokem) a bohužel velice citlivý na nastavení. Nyní na něm probíhala kalibrace celé aparatury a detekce parafotonů. Minulé léto již probíhalo měření, při kterém jsme se snažili nalézt axiony a v současné době probíhá zpracování naměřených dat. Nejdůležitější úkol pro příští roky je zesílit výkon laseru a naměřit dostatečný počet dat pro evidenci axionů a ostatních částic.

Můžou se do projektu připojit i další zájemci?

Jako v každé jiné organizaci, jsou i zde určité podmínky pro vstup nových členů. Nejjednodušší cestou jak pracovat v CERNu je jít studovat fyziku na některou školu, která spolupracuje s CERNem a zapsat si na této škole některý projekt, který CERN nabízí. Samozřejmě všichni lidé se mohou přijít podívat do infocentra, které se nazývá Microcosmos a zamluvit si tam i přímo nějakou prohlídku po CERNu.

Zbývá ti čas při studiu a při podílu na výzkumu ještě na nějaké koníčky?

Samozřejmě i fyzikové jsou jen lidé, kteří si potřebují odpočinout. Já sám mám mnoho koníčků od turistiky, lyžování, přes horolezectví až po tanec, kde tancuji jak standardní tance, tak teď začínám s akrobatickým rokenrolem. Aby toho všeho nebylo málo, tak se zajímám o letectví, kde si plánuji udělat pilotní průkaz.

Jak vidíš svou budoucnost? Chceš pracovat v CERN?

Nyní chci především dostudovat vysokou školu, a po ní bych rád pracoval v oboru částicové fyziky. Pracovat v CERNu je asi snem každého fyzika, ale být řádným zaměstnancem této organizace se poštěstí jen několika lidem. Aby se tam člověk dostal, tak musí projít dlouhým přijímacím procesem. Pokud bych ale tuto možnost měl, tak bych jí pravděpodobně využil. Jak se ale říká – život je nevyzpytatelný a nikdy nevíme, jak a kde skončíme.

Děkujeme za rozhovor

---

Zdroje

Webové stránky experimentu OSQAR [online]. Dostupné z URL:
http://greybook.cern.ch/programmes/experiments/OSQAR.html

Particle data group, Axions (A⁰) and other Very Light Bosons, Searches for [online]. Dostupné z URL: http://pdg.lbl.gov/2010/listings/rpp2010‑list‑axions.pdf