Nem passzol a sötét anyag a húrelmélethez

A világegyetem több mint két évtizede elfogadott úgynevezett felfúvódó (inflációs) modellje szerint univerzumunk élete az Ősrobbanással kezdődött, amit rövid idő (a másodperc tört része) elteltével egy intenzív tágulási szakasz követett, melynek során a Világegyetem gyorsan eredeti méretének sokszorosára fúvódott fel. E folyamat oka azonban még nem tisztázott.

Az egész univerzumot kitöltő, úgynevezett sötét anyag elmélete a közelebbi múlt eredménye. Az elképzelések szerint ez a misztikus anyagforma a normál anyaggal semmilyen elektromágneses kölcsönhatásba nem lép, létéről csak a látható anyagra gyakorolt gravitációs hatása alapján lehet tudomást szerezni. Ez a hatás az elméletek szerint központi szerepet játszik a galaxisok kialakulásában és fejlődésében, de felelős például a kozmikus háttérsugárzásban megfigyelhető anizotrópiáért is. A becslések szerint az univerzum összes anyagának/energiájának csak 4 százaléka látható, 22 százalék a sötét anyag, 74 százalék pedig a még titokzatosabb sötét energia formájában van jelen.

Inflaton, a nagy túlélő?

Andrew Liddle, a sussex-i egyetem kozmológusa szerint a két modell viszonylag egyszerűen összekapcsolható, ha feltételezzük, hogy a felfúvódásért és a sötét anyagért is ugyanaz a részecske, az úgynevezett inflaton a felelős. A felfúvódás magyarázatában már korábban szerephez juttatott hipotetikus részecskét olyan tulajdonságokkal ruházták fel, melyekkel a közönséges elemi részecskék nem rendelkeznek. Ilyen például az, hogy a korai univerzumban keletkeztek és taszítják a teret, tágulásra késztetve azt. A modellek szerint a felfúvódási szakasz végére, még a világegyetem életének első másodpercében, az összes inflaton normál részecskékké bomlott el, s mára már hírmondójuk sem maradt. Liddle és kollégái azonban úgy gondolják, hogy ha az inflatonok egy részének mégis sikerült túlélnie a kezdeti időszakot, és gravitációjuk jelentős hatással lehetett a környező anyagra.

Liddle szerint könnyű lenne megmagyarázni azt, miért tűnt el mindegyik inflaton, de sokkal nehezebb belátni azt, hogy miért tűnt el nagy részük, s maradt meg egy kisebb hányaduk. Ugyanis ha az inflatonok, akár csak gyengén is, kölcsönhatásba lépnének a normál anyaggal, egy másik részecskével való ütközéskor könnyen el tudnának bomlani. Liddle ezért azt mondja, hogy az inflatonok csak egy másik inflatonnal történő ütközés közben tűnhetnek el, és a páros szétsugárzódik, hasonlóan az elektron-pozitron pár annihilációjához. Liddle elképzelése szerint azonban azonosításukra nem sok remény van, mivel ma már annyira felhígultak, hogy kicsi a valószínűsége a nagyenergiájú felvillanásokat eredményező kölcsönhatásuknak. Ugyanakkor természetesen elismeri, hogy ha a sötét anyag detektálását célzó direkt kísérletek (pl. Cryogenic Dark Matter Search, Minnesota, USA) során azonosítanák az inflatont, akkor az egyből megcáfolná az elméletét. Liddle elképzelését más kozmológusok is figyelemre méltónak találják, bár természetesen hangsúlyozzák, hogy még sok tennivaló van, hogy az elmélet széles körben elfogadható legyen.

Nem passzol

Az MIT-n dolgozó Mark Hertzberg és csoportja szerint azonban korunk másik népszerű elképzelésével, a húrelmélettel – legalábbis némely egyszerűbb változatával – gondok adódnak, ha össze akarjuk egyeztetni a felfúvódó világegyetem modelljével. A munka szerint a két elmélet szinkronba hozása a legjobb esetben is óriási kihívás, de még az is lehet, hogy egyik vagy akár mindkét elméletet el kell vetnünk.

A húrelmélet az egyik legújabb azon elképzelések sorában, melyek a természet alapvető kölcsönhatásainak (gravitációs, gyenge, elektromágneses, nukleáris) egyesítését, azok egy közös okra történő visszavezetését célozzák. A problémán a múlt század legkiválóbb elméleti fizikusai (köztük Einstein) dolgoztak, de eddig áttörést nem, csak részeredményeket sikerült elérni. A négy alapvető kölcsönhatás közül kettőt, az elektromágnesest és a gyenge kölcsönhatást már sikerült egyesíteni, de például a gravitáció és a kvantummechanika törvényeinek összehangolása még várat magára.

Bár a húrelméletnek több változata ismert, abban mindegyik megegyezik, hogy az elemi részecskéket piciny rezgő húrokként írja le. Másik fontos kijelentésük, hogy a Világegyetemben az általunk is érzékelhető dimenziókon kívül még legalább további hatnak is kell léteznie. A Hertzberg vezette csoport megkísérelte a húrelmélet három változatában előállítani az univerzum felfúvódását. Ezekben az extra dimenziók alakja leginkább egy fánkra hasonlít (feltéve, ha el tudunk képzelni egy 6-7 dimenziós fánkot), mivel ez a legegyszerűbb lehetőség. A kutatók azonban azt találták, hogy a húrelmélet ezen verzióiban lehetetlen olyan kezdőfeltételeket belőni, amik aztán a felfúvódáshoz vezetnek.

Természetesen a felfúvódás kérdését mások a húrelmélet összetettebb változataiban is vizsgálták, de Hertzberg szerint ezen kalkulációkat is bizonyos fenntartással kell fogadni, ugyanis a számítások még nem terjednek ki minden lényeges részletre. Nem zárható ki teljesen persze, hogy valamikor majd sikerül az extra dimenziók segítségével előállítani a felfúvódó Világegyetem modelljét. Paul Steinhardt a Princeton Egyetemről, akinek jelentős szerepe volt a felfúvódó világegyetem modelljének kidolgozásában, szintén végzett hasonló jellegű kutatásokat, s nagyon érdekesnek tartja a két elmélet összeegyeztethetőségével kapcsolatos problémákat. Még azt sem találja lehetetlennek, hogy az esetleges inkompatibilitás valamelyik elmélet sorsát meg is pecsételheti, de a kötelező óvatosság miatt szintén hagy esélyt a problémák orvosolhatóságára.

Elvessük vagy ne vessük?

Más szerzők, például Andrei Linde a Stanford Egyetemről (szintén fontos szerepe volt a felfúvódó modell elméletében) azonban jóval kritikusabbak Hertzberg eredményeivel kapcsolatban. Az ellenvetés elsősorban azon alapul, hogy a Hertzberg által használt húrelmélet-verziók az úgynevezett 2a típusba tartoznak, ezeknek azonban a valódi univerzumhoz semmi közük, ugyanis inkompatibilisek a világegyetem gyorsuló tágulását okozó sötét energiával, s így nem is érdemes próbálkozni velük. A Hertzberg-csoport egyik tagja, Max Tegmark (MIT) szerint azonban nem szabad a 2a típust ilyen könnyen leírni, ugyanis sem ez, sem a húrelmélet egyéb változatai, melyek számolnak a sötét energiával, nem adják a valódi univerzum tökéletes leírását.

Ennek egyik oka, hogy mindegyik verzió azt jósolja, a világegyetemnek tele kellene lennie a jól ismert elemi részecskék, például az elektronok úgynevezett szuperszimmetrikus párjaival, ennek azonban jelenleg még semmi nyoma. Így még az is elképzelhető, hogy a 2a típus összetettebb változatai támogatni fogják a sötét energia létét. Gary Shiu a Wisconsin Egyetemről inkább a dolog jó oldalát hangsúlyozza: az, hogy a húrelméletek nem mindegyike adja ki a felfúvódást, segíthet szűkíteni a tovább finomítandó modellek körét.