Částice s extrémně vysokými energiemi pohrdají všemi dopravními a málem i fyzikálními zákony. Odborníci si dlouho neuměli vůbec představit mechanismus, jakým mohly vznikat. Prvním, kdo si jich – nepřímo – všiml, byl francouzský fyzik Pierre Auger v roce 1938.
Pozoroval v atmosféře zvláštní děje, které muselo vyvolat záření s velmi vysokou energií. V současnosti se pozoruje kosmické záření s energií stomilionkrát vyšší než v dnešních nejsilnějších pozemských urychlovačích.
Od Augerova objevu se astrofyzika vyvíjela mílovými kroky, ale záhadné vysokoenergetické částice si své tajemství tvrdošíjně uchovávaly. V současné době představují snad největší záhadu oboru. I proto, že nejsou zrovna běžné. Zatímco částic s menší energií přichází více a mohou je pozorovat družice na oběžné dráze, z těch extrémních dopadne jen jediná na čtvereční kilometr za sto let. Zkoumat je může jedině speciální observatoř s obrovskou sběrnou plochou.
Projekt na takovou laboratoř se povedlo vytvořit a prosadit až v 90. letech minulého století. Dnes je díky němu 3000 čtverečních kilometrů argentinské pampy poseto 1600 sudy s destilovanou vodou. Citlivé světelné detektory v nádobách zachycují tzv. Čerenkovovo záření. To vzniká, když se nějaká částice pohybuje v daném prostředí vyšší rychlostí, než je rychlost světla v tomto prostředí. Například tedy při přechodu částice s vysokou energií ze vzduchu do vody.
Sudy v pampě doplňují dva tucty citlivých teleskopů, částečně vyrobených i v Česku. I ty zachycují světelné záblesky od „nehod“ částic s vysokou kinetickou energií, ovšem vysoko nad pampou.
Ani jedno zařízení ovšem nepozoruje přímo extrémně rychlého vesmírného „piráta“, ale pozůstatky biliárové partie, kterou hraje s atomy atmosféry. Jediná přilétající částice má tolik energie, že vytvoří v atmosféře po srážce s jádrem plynu ve vzduchu několik tisíc nových částic, které se dále sráží s dalšími jádry. Vědci zaznamenají ty, které jsou až na samém konci procesu.
Systém zachytí maximálně následky několika desítek srážek za rok, přesto už po dvou letech provozu odpověděl na jednu základní otázku. A to odkud částice přichází. Nejenergetičtější částice k nám nepřichází ze všech míst vesmíru. Zdá se, že dávají přednost směrům, kde leží ohromné černé díry v centru galaxií.
Otázka původu V jiné zásadní otázce ovšem vyvolaly dosavadní výsledky observatoře spíše napjaté očekávání než úlevu: co jsou ty extrémně rychlé částice vlastně zač? „Zeptejte se jakéhokoliv fyzika, co si o tom myslí, a řekne vám, že jde o protony,“ přiblížil hlavní současnou hypotézu o povaze záhadných částic duchovní otec Augerovy observatoře a nositel Nobelovy ceny James W. Cronin populárně vědeckému serveru Sciencenews.org.
Ale – a tady vzniká zmíněné napětí – předběžné údaje z observatoře v pampě tuto hypotézu příliš nepodporují. „Data experimentu Auger zatím zřejmě nejsou kompatibilní s předpovědí, že částice s vysokou energií jsou protony,“ říká Petr Trávníček z Fyzikálního ústavu AV ČR, který se na projektu argentinské observatoře podílí. Pro odborníky je to velké překvapení.
Podle Cronina má jeho skupina už dva roky údaje, které svědčí „proti protonům“ a po celou dobu raději neustále prověřuje, jestli jsou správné. Zatím je také vědci nepublikovali v žádném renomovaném časopise. Teprve před pár dny je představili na odborných konferencích a zpřístupnili je na odborném serveru arXiv.org.
Opatrnost není způsobena jenom překvapivou povahou zjištění. Díky způsobu, jakým vesmírné „piráty“ věda pozoruje (z měření částic vzniklých druhotně v atmosféře), jde o práci spíše teoretickou než o jednoduché měření. Vědci se snaží zpětně sestavovat průběh spršky, která po srážce následuje. Mezi skutečně pozorovanými částicemi a kýženými záhadnými částicemi stojí řada mezistupňů.
„Navíc jsou naše extrapolace dosti nejisté,“ říká Petr Trávníček. „Protože zkoumané částice tak výrazně překračují energie dosažené v urychlovačích, nemáme jistotu, že při jejich srážkách nedochází k zásadní změně některých vlastností.“ Podezřelý nesoulad Navíc kromě Augerovy observatoře existují i jiné experimenty, které se snaží na záhady kolem částic s vysokou energií odpovědět. Jedná se především o experiment HiRes prováděný v Utahu v USA. Jeho výsledky by odpovídaly předpovědi, že vesmírnými piráty jsou protony. „Ovšem měření z Augerovy observatoře je přesnější,“ říká Petr Trávníček. Přesto nelze prostě říci, že výsledky HiRes jsou špatně.
Jisté je podle něj jen to, že ve srovnání s předpověďmi používaných modelů srážek částic kosmické záření o extrémních energiích „těžkne“.
Nelze například vyloučit, že mezi záhadnými částicemi jsou zastoupeny (nebo je tvoří výhradně) těžké částice, jako jsou ionty železa. Ale tato nebo podobné nečekané odpovědi by přinesly nové problémy. Například odkud se železo bere, když je ho ve vesmíru ve skutečnosti mnohem méně než lehkých jader?
„Zatím na nás z naměřených údajů vyskakují stále nové otázky,“ vysvětluje český fyzik. „V celém oboru je cítit jisté napětí a očekávání.“ Záhada extrémních částic tak bude jistě mít další pokračování.
