Gellért, Mercédesz
11 °C
14 °C

Egy lépéssel közelebb a sötét anyaghoz

2011.12.04. 22:20
A Higgs-bozon kutatása mellett akad még néhány olyan területe a részecskefizikának, ahol meglehetősen gyorsan váltják egymást az állítások és a cáfolatok, ezek egyike a sötét anyag kutatása. Az isteni részecskéhez hasonlóan ez is egy olyan jelenség, amit csak elméletek igazolnak, gyakorlati bizonyítékot egyelőre csak akkor mutathatunk, ha a következményeit, vagyis a látható anyagra gyakorolt hatását figyeljük meg. Most már a tömegét is sejtjük.

Bár a sötét anyag létezése csak elméletben bizonyított, ez a rejtélyes matéria az egyetlen magyarázat az univerzum kérdéseinek egy részére. A tudósok 1933 óta sejtik, hogy létezik sötét anyag, azonban konkrét megfigyelése egyelőre várat magára, ami főleg annak fényében meglepő, hogy elméletileg az univerzumot alkotó anyag teljes tömegének negyedéről beszélünk.

1970-ben Vera Rubin amerikai csillagász az Androméda-galaxist vizsgálva mérésekkel bizonyította, hogy ha az univerzumot csak a látható anyag alkotná, akkor a Newton által lefektetett, és később Einstein által pontosított fizikai törvények nem lennének érvényesek a galaxisokra. Pusztán a látható anyagot figyelembe véve a tudósok korábban úgy vélték, hogy mivel a galaxisok tömege általában a középpontjuk környékén összpontosul, rendszerek szélén lévő csillagoknak lassabban kellene haladniuk, mint a centrumhoz közelebb esőknek.

A CL0024+17 galaxishalmaz magját körülvevő sötét anyag gyűrűje a Hubble űrteleszkóp felvételén
A CL0024+17 galaxishalmaz magját körülvevő sötét anyag gyűrűje a Hubble űrteleszkóp felvételén
Fotó: M. J. Jee and H. Ford et al. (Johns Hopkins Univ.) /

Rubin mérései azonban azt mutatták, hogy ez nem így van: a sebesség állandó, viszont ha ez igaz, akkor – hacsak nincs valamilyen visszatartó erő – a periférián keringő égitesteknek le kellene repülniük az eredeti pályájukról. A feltételezések szerint ez (illetve a galaxisok szélén jelentkező extra tömeg) a sötét anyag következménye, és bár ez a hatalmas tömegtöbblet biztosítja azt, hogy a megfelelő mértékű gravitációs erő hatására a galaxisok egyben maradjanak, a tudósok mindeddig adósok maradtak az anyag létezését bizonyító meggyőző eredményekkel.

Nem mind anyag, ami fénylik

A pillanatnyilag elfogadott elmélet szerint az univerzumnak csak 5 százalékát alkotja olyan anyag, amit valamilyen módon képesek vagyunk érzékelni (tehát a csillagokat, bolygókat, vagy akár a mellettünk ülő embert). A fennmaradó 95 százalékból nagyjából hetvenet a sötét energia ad, ami a feltételezések szerint egy, a gravitációval ellentétesen ható erőhatás, ami magától elfele taszítja a dolgokat, így ez felelős a világegyetem gyorsuló ütemű tágulásáért (ennek kiméréséért kapott két hónapja Nobel-díjat Saul Perlmutter, Adam G. Reiss és Brian P. Schmidt).

A maradék 25 százalékot az a sötét anyag teszi ki, amit szokványos csillagászati eszközökkel szintén nem figyelhetünk meg (mivel semmilyen érzékelhető sugárzást nem bocsát ki). Ettől függetlenül az általános vélekedés szerint léteznie kell, mert a látható anyag önmagában egyszerűen túl kevés lett volna a ma ismert állapotok kialakulásához, illetve a csillagászatban tapasztalt mozgás nem úgy történne, ahogy valójában történik. Esetleg Newton és Einstein is tévedhetett, de ezt a lehetőséget a tudományos világ elveti.

A Rák-köd anyag és antianyag nyalábjai
A Rák-köd anyag és antianyag nyalábjai
Fotó: F.Seward et al /

Az elmúlt negyven évben megfigyelések egész sora igazolta, hogy az elmélet jó, azonban a gyakorlati bizonyíték várat magára. A nehézségeket nemcsak az adja, hogy valami olyasmiről kellene tapasztalatokat szerezni, amit a szokványos eszközök egyszerűen nem látnak, de az sem segít, hogy abban sincs teljes egyetértés, hol érdemes keresni a részecskék nyomait, illetve hogy amit találnak, az valóban sötét anyag-e. Ez utóbbi eldöntésében segíthet a providence-i Brown Egyetem munkatársainak a héten közzétett cikke: a kutatók pusztán analitikus módszerrel dolgozva jutottak új eredményre.

A törpék segítettek

Savvas Koushiappas, az egyetem professzora hét törpegalaxist vizsgált, mert a megfigyelések szerint ezek dugig vannak sötét anyaggal (a rendszert alkotó csillagok mozgását pusztán a saját tömegükkel nem tudják megmagyarázni), ráadásul a tudósok szavaival élve ezek a galaxisok tiszta rendszerek, mert jóval kevesebb, a vizsgálatot zavaró (például hidrogén, illetve egyéb látható) elemmel rendelkeznek. A munka érdekessége, hogy a kutatók a csillagászati megfigyelések jó részéhez hasonlóan nem távcsövekbe bámulva dolgoztak, hanem a 2008-ban felbocsátott, Fermi nevű, a gammasugárzás tartományában kutató űrteleszkóp három év alatt gyűjtött adatait elemezték.

A Spitzer űrteleszkóp egy láthatatlan objektumot, a vélhetőleg sötét anyagot tartalmazó OGLE-2005-SMC-001-et vizsgálja galaxisunkban
A Spitzer űrteleszkóp egy láthatatlan objektumot, a vélhetőleg sötét anyagot tartalmazó OGLE-2005-SMC-001-et vizsgálja galaxisunkban
Fotó: NASA/JPL-Caltech-ESA/Hubble and Digitized Sky Survey 2

A sötét anyag az elképzelések szerint legalább egy tekintetben a normális anyagnak megfelelően működik: ha egy sötétanyag-részecske egy neki „megfelelő” antianyag-részecskével találkozik, a két részecske megsemmisül. A kutatók ennek a jelenségnek a gyakoriságát alapul véve vontak le következtetéseket a sötét anyag részecskéinek tömegét illetően. „Megfigyeléseink alapján egy részecske csak akkor sötét anyagnak mondható, ha a tömege nagyobb volt, mint 40 gigaelektronvolt” – nyilatkozta a kutatást vezető tudós (a részletes tanulmány a Physical Review Letters hasábjain is elolvasható). A gigaelektronvolt SI-rendszeren kívüli, a részecskefizikusok által tömegmértékegységnek is használt energia-mértékegység. 40 GeV a proton tömegének negyvenkétszerese.

Találtak is, meg nem is

Ez az eredmény alapjaiban kérdőjelezi meg az olaszországi Gran Sasso laboratórium munkatársainak tavaly októberi bejelentését, amelyben azt állították, hogy sikerült a sötét anyag nyomára bukkanniuk. Az akkori közleményben 7,3 és 9,2 GeV tömegű részecskékről beszéltek, ám ez Koushiappas szerint az új eredmények fényében nem lehetséges. „Ha a vita kedvéért feltételeznénk, hogy 40 GeV-nál könnyebb részecskék alkotják a sötét anyagot, az azt jelentené, hogy olyan sok lenne belőlük, hogy az univerzum nem a megfigyelt gyorsulással tágulna” – jelentette ki a professzor, utalva a 2011-ben fizikai Nobel-díjjal jutalmazott eredmények tartalmára.

A Brown Egyetem munkatársainak elméletével megegyező eredményeket hozott a Fermi-LAT Collaboration nevű, 12 ország 90 egyetemének és laborjának 400 tudósát és tanulóját tömörítő csoport vizsgálata is.

Sajnos Koushiappas eredményei nem jelentik azt, hogy a tudósok végre kézzelfogható bizonyítékot találtak a sötét anyag létezésére, mindössze arról van szó, hogy ismét szűkült az a spektrum, ahol a jövőben kutatni érdemes. „Ez az első alkalom, hogy a sötét anyagot elméletileg alkotó gyengén kölcsönható, nagy tömegű atomok (WIMP-ek) egy részét biztosan kizárhatjuk” – mondta el a professzor.

Ne siessük el

A Gran Sassóban folyó, XENON100 elnevezésű kísérletek a most közölt eredményt adó kutatástól teljesen eltérő módszerrel dolgoznak, bár itt is a WIMP-részecskékben látják a megoldást: 1400 méternyi kőzet alatt 160 kilogramm folyékony xenon várakozik arra, hogy egy a Földet elméletileg folyamatosan bombázó sötétanyag-részecskék közül beleütközzön valamelyik xenon-atommagba, az visszalökődjön, és a kölcsönhatás eredményeként egy felvillanás jöjjön létre.

A Gran Sasso laboratóriuma
A Gran Sasso laboratóriuma
Fotó: CERN

A XENON100 nevű kísérlet eredményeit a magyar kutatók is figyelemmel kísérték, és ezek, illetve a Brown Egyetem munkatársai által most közölt adatok alapján Lévai Péter akadémikus, az MTA KFKI Részecske- és Magfizikai Kutató Intézet kutatója még nem vonna le messzemenő következtetéseket. „A XENON100 kísérletben láttak négy olyan eseményt, amely talán sötétanyag-részecske és xenonatommag kölcsönhatására utal – és bár ezeket direktben látták, az ismert részecskék által okozott visszalökődések ugyanebben a szerkezetben, ugyanennyi idő alatt két eseményt generálnak, így ez a négy ütközés bizonyítéknak még kevés (így a tömeg meghatározása sem lehetséges), előjelnek viszont nagyon is pozitív" – fogalmazott Lévai.

A kutató szerint a Brown Egyetemen ezzel szemben egy adott modellt feltételezve azt kapták, hogy a mért nagy energiájú gamma-foton hozam akkor illik szépen a modelljükbe (és egyéb kísérleti eredményekhez), ha a sötét anyagot alkotó részecskék nehezek, nehezebbek, mint 40 GeV. „Szerintem a merési adatok és a módszer pontossága itt is felveti, hogy mennyire pontos ez az eredmény, és mivel a XENON100 kísérlet amúgy sem volt érzékeny a tömegre, a két kísérlet tulajdonképpen nincs ellentmondásban – igaz nem is erősítik egymást” – mondta Lévai.

És hogy a hétköznapi életünkre milyen hatással lehetnek ezek a kutatások? „Látszólag nincsenek hatással” – magyarázta a kutató. „De ha kiderülne, hogy hány darab és mekkora tömegű sötétanyag-részecske repül körülöttünk folyamatosan, akkor megbecsülhetnénk, miféle bajt is okozhatnak. Például, ha egy számítógép memóriájában hiba keletkezik, azokért általában a kozmikus sugarakat szoktuk felelőssé tenni, azaz egy nagyenergiás részecskét, amely a kozmoszból jött, véletlenül pont beleütközött a szilíciumlapkába, és ott megváltoztatott egy bit információt. Jó kérdés, hogy ezen részecskéknek mekkora hányada normális, illetve sötétanyag-részecske.”