Úgy néz ki, felfedezték a sötét anyagot

Amit tudunk:

• A Xenon 1T a világ legnagyobb kísérlete, amely a sötét anyag létét igyekszik bizonyítani.
• A 2016-2018 közötti mérések során több olyan jelet is fogtak, amelyeket egyelőre nem tudnak megmagyarázni.
• A kutatók nem állítják, hogy felfedezték volna a sötét anyagot.
• De a lehetséges három magyarázat közül kettő nem illik bele az eddig bizonyítottnak tekinthető fizikai világképbe.
• A kísérletet végző tudósok szerint a legvalószínűbb magyarázat erre az axion felfedezése. Ez egy elemi részecske, a sötét anyag egyik lehetséges összetevője.
• De az is lehet, hogy egy eddig ismeretlen neutrínótípust fedeztek fel.
• A független kutatók szkeptikusan reagálnak, de nehezen tudják visszatartani izgatottságukat.
• Az axion felfedezése a gyorsulva táguló világegyetem felfedezése óta a legnagyobb fizikai áttörés lehet.

Az eredmények (sima mérési hibán túlmutató) leglelohasztóbb magyarázata szerint olyan összetevőt fedeztek fel a mérések háttérzajában, amivel eddig nem számoltak, és ezért nem is tudták kiszűrni. Ebben az esetben vaklárma volt az egész, és továbbra sem vagyunk közelebb a sötét anyag mibenlétének megértéséhez.

A legizgalmasabb - és a Xenon 1T-n tevékenykedő fizikusok értékelése szerint sokkal valószínűbb - magyarázatok szerint az a minimum, hogy olyan jelenséget találtak, amit nem egyszerű megmagyarázni az anyag természetéről alkotott, és jelenleg domináns standard modell alapján.

Valami sötét az olasz hegy gyomrában

A Xenon 1T kísérletet az olaszországi Gran Sasso hegység gyomrában üzemel, hogy minél jobban le tudják árnyékolni a környezetből érkező ezernyi zavaró hatástól. Alapvetően a sötét anyag felkutatására hozták létre. A sötét anyag évtizedek óta Szent Grálként lebeg a fizikusok előtt. A modellek szerint ez az a rejtélyes valami, ami az univerzum tömegének 85 százalékát adja.

Félreértés ne essék, az nagyjából biztos, hogy létezik sötét anyag, hiszen az egyenletek csak úgy stimmelnek, ha ezt is beveszik a számításba. Közvetett bizonyítékaink is vannak a létezésére, csak közvetlenül nem sikerült még megfigyelni. És köznapi értelemben, amit nem látunk a maga valójában, az nem tekinthető biztosnak.

A sötét anyag egyik hipotetikus alkotóelemének tekintik az úgynevezett gyengén kölcsönható nehéz részecskéket (WIMP-eket), de ezek mellett még számos más (létező vagy csak képzelt) elemi részecske képzelhető el a sötét anyag építőelemeként. Ilyenek az axionok is. Lehet, hogy ezek létére most bizonyítékot találtak. A tanulmány még nem esett át a lektoráláson, de kéziratos formában már letölthető innen. Újra hangsúlyozzuk:

1. Nem biztos, hogy az eredmények hátterében az axionok állnak.
2. Nem biztos, hogy az axionok építik fel a sötét anyagot.
3. De simán lehet.

A Xenon 1T detektor 3,2 tonna különösen tiszta xenonnal van megtöltve. Amikor a részecskék áthaladnak a xenonon, időnként fényfelvillanások tapasztalhatók, illetve elektronok lökődnek ki a xenonatomokból. A legtöbb ilyen kölcsönhatás hátterében ismert elemi részecskék állnak.

Megmagyarázatlan események

Az ismert reakciók adják a háttérzajt, amihez képest kell felismerni azokat az interakciókat, amelyeket a szokásos folyamatok segítségével nem lehet megmagyarázni. Vagyis a kutatók azokra a kölcsönhatásokra figyelnek, amelyek a várt reakciókon felül jelentkeznek.

A nagy kérdés az persze, hogy mi okozta ezeket a nem várt eseményeket. Kezdjük a legkevésbé érdekestől. Előfordulhat, hogy a Xenon 1T detektor xenonja mégsem olyan ultratiszta, és benne maradt némi trícium. A trícium a hidrogén hármas tömegszámú izotópja, radioaktív, és amikor elbomlik, akkor olyan elektront bocsát ki, amelynek energiaszintje hasonló ahhoz, mint amit detektáltak.

Nem kell ehhez sok trícium, már az is elegendő lenne, ha minden 10²⁵ xenonatomra jutna néhány tríciumatom. Jelenleg nem áll rendelkezésre olyan adat, amely ilyen kis léptékben igazolná vagy cáfolná a trícium jelenlétét, így ez az eshetőség nem zárható ki.

A másik két lehetséges magyarázat már sokkal izgalmasabb: egy új részecskét fedeztek fel. Itt is több (legalább kettő) eshetőség képzelhető el. Előfordulhat, hogy a nem várt eseményeket olyan neutrínók okozzák, amelyek mágneses momentuma nem egyezik a standard modell alapján várttal. Már ez is hatalmas felfedezés lenne, bár ezt is független kísérletek sorával kellene alátámasztani, és nem is feltétlenül lenne összeegyeztethető más kísérleti eredményekkel.

A neutrínók, ahogy nevük is mutatja, olyan semleges részecskék, amelyeknek szinte nincs tömegük, és alig lépnek kölcsönhatásba bármivel. Ezért trilliószámra röpülnek keresztül fénysebességgel az anyagon, és szinte lehetetlen tetten érni őket.

Sötét részecske a Napból

És végül itt van a harmadik lehetséges magyarázat, amely a részt vevő kutatók szerint a legvalószínűbb: rátaláltak az axionra. Az axionokat a Nap is kibocsátja, és az elméleti modellek alapján pont olyan tulajdonságokkal bírnak (már ha léteznek), mint amit a Xenon 1T kísérletben találtak. Az axiont az egyik lehetséges sötétanyag-részecskének szokás nevezni, de ez nagyon leegyszerűsíti az axion és a sötét anyag kapcsolatát (már ha egyik is létezik, és van kapcsolat közöttük).

Az axionok létét először a hetvenes végén vetették fel, mint a standard modellben jelentkező anomáliák lehetséges megoldását, és az anyag építőköveteiben meglévő szimmetria biztosítóját. Ha az axionok léteznek, és tulajdonságaik megegyeznek az elméleti számítások által várttal, akkor elképzelhető, hogy ők a sötét anyag forrásai.

Negyedik eshetőségként felvethető, hogy valójában semmit sem találtak, és az érzékelt jelek csak a mérés hibájából származnak, nincs is semmiféle jel. A statisztikai tesztek ezt azonban kizárták. A véletlen fluktuáció valószínűsége mindössze 0,0001.

Vaklármaveszély 

Mivel a sötét anyag felfedezése hatalmas tudományos áttörés lenne, a kutatásban nem részt vevő fizikusok (illetve maguk a kísérlet futtatói) is nagyon óvatosan próbálnak fogalmazni. A Xenon 1T-együttműködés bejelentése szerint egy évig próbálták megcáfolni a saját eredményeiket, nehogy a világ elé állva hülyét csináljanak magukból. De eddig nem sikerült hibát találniuk a saját munkájukban.

A fizika világában nem nehéz nagy pofára eséseket találni. Olasz fizikusok jelentették be azt is, az évtized elején, hogy a fénynél gyorsabb neutrínókat találtak (ami megcáfolta volna Einsteint), de aztán kiderült, hogy csak

Szóval még korántsem biztos, hogy az axionokat (pláne, hogy a sötét anyagot) fedezték fel, de ezt az eshetőséget sem lehet kizárni, és már pusztán ez a körülmény is áttörést jelenthet.

Ha megállja a helyét [a bejelentés], és itt a “ha” a nagy kérdés, akkor ez nagyobb dobás a fizika e területén, mint a gyorsulva táguló világegyetem felfedezése volt

- értékelte az eredményeket a Scientific Americannek Chanda Prescod-Weinstein, a New Hampshire-i Egyetem fizikusa. Tien-Tien Yu, az Oregoni Egyetem fizikusa pedig azért (is) szkeptikus, mert még ha tényleg axionok okozták is a nem várt eseményeket, az sem feltétlenül jelenti azt, hogy ezek az axonok az univerzum keletkezésének idejéből való, és a világmindenségből hiányzó 85 százaléknyi anyag nagy részéért felelősnek tartott, úgynevezett hideg sötét anyaggal állnak összefüggésben.

Szóval így állunk most:

Most a világ összes fizikusa, akik eddig is a sötét anyagra vadásztak, és olyanok is, akik nem, ráveti magát a tanulmányra, és igyekeznek részekre cincálni. Minél kevésbé sikerül ez, annál izgatottabb lesz a tudományos közösség. Folytatása következik, pláne, hogy az olaszországi koronavírus-lezárások után hamarosan újraindulhatnak a kísérletek a Gran Sassó-i komplexumban.

(Borítókép: A detektor elkészültekor pózoló munkások. Fotó: Xenon Experiment)