Az utóbbi években egyre több kutatócsoport keresi a választ a fizika egyik legizgalmasabb kérdésére: miért nem találjuk a Világegyetem kétharmadát? A közelmúltban azzal a kecsegtető címmel jelentek meg híradások, hogy az olaszországi Gran Sasso laboratóriumban rálelhettek a keresett sötét anyagra. A terület hazai szakértőivel, az elmúlt években a világsajtóban a sötét anyaghoz kapcsolatot jelentő rejtélyes részecske felfedezőjeként emlegetett Krasznahorkay Attilával és fiával, ifjabb Krasznahorkay Attilával fejtegetjük a legújabb eredményeket.

Krasznahorkay Attila 2016-ban robbant be a köztudatba azzal, hogy maroknyi kutatócsoportjával olyan részecskét találtak a debreceni Atommagkutató Intézetben (ATOMKI) amit előtte még soha senkinek sem sikerült. Már ekkor sokan Nobel-díjat jósoltak az magfizikusnak, de a felfedezés ellenőrzése és igazolása híresen hosszú folyamat, addig még számtalan kutató próbálja „kikezdeni” az X17-nek keresztelt részecskét

A láthatatlan sötét anyagról alig tudni valamit, de nincs fizikus, akinek ne mozgatná meg a fantáziáját. Rejtett világ, amiről tudjuk, hogy ott van, de egyelőre nem vagyunk képesek kapcsolatba lépni vele. Önök viszont egészen közel kerültek hozzá. Honnan tudják, hogy a sötét anyag létezik, anélkül, hogy látnánk.

KA: A sötét anyag létére akkor kezdtek gyanakodni, amikor a hozzánk legközelebbi csillagrendszerben, az Androméda galaxisban elsőként figyelték meg a csillagoknak a galaxis középpontjához viszonyított mozgási sebességét. Azt találták, hogy ez a sebesség a középponttól mérve kifelé egyre nő, szemben a Nap körül keringő bolygókéval, ahol ez fordítva van, csökken. Ez az akkori ismereteink szerint megmagyarázhatatlan volt, a fizikusok csak arra tudtak gondolni, hogy ott valaminek lennie kell, ami a gravitációs erejével vonzza a csillagokat, s így született meg a sötét anyag. Napjainkra ennek bizonyítása a fizika egyik legégetőbb problémájává vált, nagyon sok elmélet próbálja megoldani a rejtélyt. Vannak, akik már azt is elképzelhetőnek tartják, hogy a sötét anyagból a látható világhoz hasonlatosan akár élőlények is felépülhetnek, – ez persze jelenleg még sci-fi, az egyetlen, amit biztosan tudunk, hogy valamilyen módon hat rá a gravitáció, s ő is hat a gravitációra.

A Hubble űrteleszkóp képe amely feltételezhetően egy sötét anyag gyűrű hatását ábrázolja. Forrás : NASA

Na de hogyan lehet sötét anyag részecskéket keresni, ha azok szó szerint láthatatlanok?

KA: Az utóbbi évtizedekben egyre több detektort építettek e részecskék kimutatására és voltak is bíztató eredmények, de valójában a mai napig nem találtak egyet sem. Eleinte még nagyon nehéz, nagy tömegű részecskéket kerestek, sikertelenül, majd 2016-ban egy nagy váltás következett és a fizikusok elkezdtek könnyű részecskéket keresni. Ebbe kapcsolódtunk be mi is, és erről szól a Gran Sassoban végzett XENON kísérlet is.

Miért lett világszenzáció a szóban forgó kísérlet?

KA:A XENON kutatói Napból érkező részecskéket kerestek, de ezek mellett találtak olyanokat is, amelyeket egyszerűen nem tudtak megmagyarázni. A számítások alapján 232 részecske becsapódást (eseményt) vártak, de helyette 285-öt kaptak, azaz 53 olyan esemény is volt, amelyekről úgy gondolják, hogy nem a Napból és nem is „háttérzajból” származnak. Ez ugyan statisztikailag még kevés ahhoz, hogy kijelenthessük, új részecskét fedeztek fel, de mindenképp ötleteket ad arra, hogy mik is lehetnek ezek a részecskék. Az egyik magyarázat szerint axionok.

Axionok?

KA: Negyven évvel ezelőtt vezették be ezeket a részecskéket azért, hogy az akkori elméletek következetlenségeit feloldhassák. El is kezdték keresni őket, de sikertelenül. A XENON fizikusai szerint viszont, amiket ők találtak, azok a Napból származó axionok kell, hogy legyenek, de igazat megvallva az is elképzelhető, hogy némi mágneses momentummal rendelkező neutrínók, sőt az is lehet, hogy mérési hibáról van szó. Érdemes azt is megjegyezni, hogy a felfedezésről szóló cikk valójában még nem jelent meg.

Ugyanezeket a részecskéket keresik az ATOMKI-ban is?

KA: Mi nem távolról érkező részecskéket keresünk, hanem olyanokat, amik az általunk előállított atommag-reakciókban keletkeznek, Az elméleti előrejelzésekből tudjuk, hogy mit kell várnunk, hogy milyen részecskék keletkeznek majd és azok milyen szögben távoznak. De mi is több eseményt kaptunk a vártnál, amikor a kilépő elektronok és pozitronok által bezárt szög 140 fokos volt. Arra következtettünk, hogy új részecskék keletkezhettek, amik nagy sebességgel léptek ki az atommagból, majd elektron-pozitron párra bomlottak. Azt is meg tudtuk mondani, mekkora lehet azok tömege. Ezt a jelenséget próbáltuk a sötét fotonos modellel értelmezni. Ebben az esetben a talált részecske a „sötét anyag fény részecskéje” lenne, azaz egy hírnök, aminek segítségével kapcsolatot teremthetnénk a sötét és a látató világ között.

Ilyenkor hogyan tovább?

KA: Hónapokig állt a publikációnk, majd jött egy amerikai kutatócsoport Jonathan Feng vezetésével, akik szerint a megfigyelt részecske nem sötét foton lesz és bevezettek egy új modellt, ami már pontosabban tudta értelmezni a kísérleti eredményeinket. Ez lett a protonfóbiás modell. Ebben az esetben a talált részecske a protonokhoz nem szívesen kapcsolódik, de a töltés nélküli neutronokhoz igen, ilyen viselkedést viszont korábban még nem tapasztaltunk, nem magyarázható meg a jelenlegi fizikai ismereteinkkel. Ez lehet az úgynevezett ötödik kölcsönhatás. Nem annyira eretnek ötlet, mint ahogy hangzik, a jelenleg ismert négy alapvető kölcsönhatásból kettőt, a gyenge és az erős kölcsönhatást is atommag átalakulási reakciók során fedezték fel. Azaz könnyen elképzelhető, hogy van egy további alapvető kölcsönhatás, ami szerepet játszik az atommagok átmeneteiben is.

Jelenlegi ismereteink szerint négy alapvető fizikai kölcsönhatás létezik, amely játékszabályként tartja össze a Világegyetemet. A jól ismert a gravitációs és az elektromágneses kölcsönhatás nagyon nagy hatótávolságú, két további pedig mikroszkopikus távolságokon hat, az atommagok viselkedéséért felel. A gyenge kölcsönhatás felelős az atommagok radioaktív bomlásáért, az erős kölcsönhatás pedig összeragasztja az atommagok alkotórészeit, a protonokat és a neutronokat.

Erre a feltételezésre figyelt fel a közvélemény is

KA: Több, mint kétszáz hivatkozást kaptunk a cikkre, közte számos olyan értelmezést is, ami szerint mégis inkább axionszerű részecskéről lehet szó és Fengéknek még sincs igaza. Jelenleg is aktívan dolgozunk azon, hogy rájöjjünk, az általunk felfedezett X17 részecske az ötödik kölcsönhatáshoz kapcsolódik, vagy axionszerű-e. Számtalan részecskefizikai folyamatot nem ismerünk még, de kitartóan keressük, ennek volt a leghíresebb példája a Higgs-bozon amelynek felfedezésében Attila is részt vett. A Higgs-bozon viszont még belefér a részecskefizika Standard Modelljébe, a sötét anyag már nem.

Van kapcsolat a XENON kutatói és a debreceni csoport között?

KA: Nincs, de figyelünk egymásra és utat mutatunk egymásnak, olyannyira, hogy már a CERN is tervezi azoknak a könnyű részecskéknek a keresését, amelyeket mi is találtunk.

Honnan tudják, hogy ha találnak egy ismeretlen részecskét, annak mindenképp kapcsolata lesz a sötét anyaghoz?

KA: Egyelőre csak szeretnénk olyan részecskéket találni, amelyeket a Standard Modell nem jósol meg, és így esetleg kapcsolódhatnak a sötét anyaghoz. Az axion és az ötödik kölcsönhatás közvetítő részecskéje, az X17 is ilyen lehetne.

Ifj. Krasznahorkay Attila a CERN ATLAS kísérlet kiválósági díj átvételekor, 2016, forrás: CERN

ifj. KA: Pontosan ebben reménykedik mindenki, mivel az asztrofizika azt jósolja, hogy valaminek kell ott lennie, ami magyarázza a galaxisok viselkedését, csak még nem tudjuk, hogy pontosan mi is az. Ha sikerülne ilyesmit találnunk, akkor, az ünneplés után el is kezdhetünk gondolkozni rajta, hogy tényleg azt találtuk-e meg, amivel meg lehet magyarázni a galaxisok viselkedését, vagy csak mázlink volt, és valami mást találtunk. Ez történt a Higgs-bozon esetében is. Kerestünk egy bizonyos tulajdonságú részecskét a CERN óriásgyorsítójában a Nagy Hadronütköztetőnél, és amikor találtunk egy olyat, amit vártunk volna, akkor nagyon örültünk, de a mai napig elemezzük, hogy tényleg olyanok-e a tulajdonságai, amit reméltünk. A sötét anyag esetében is hosszas nyomozásra számíthatunk.

Ifjabb Krasznahorkay Attila a CERN részecskefizikusa, tagja azoknak a kutatóknak, akik a közelmúltban megtalálták a részecskefizika Szent Gráljaként emlegetett Higgs-bozont.

Ezek az új részecskék képesek lehetnek a sötét anyag egészét megmagyarázni?

KA: Az axion feltételezésével már értelmezni lehetne egy részét, de azt senki sem gondolja, hogy egyfajta részecskéből állna a teljes sötét anyag, valószínűleg nagyon sok részből fog állni, hasonlóan, mint a látható világunk…

ifj. KA: Ettől függetlenül az alapgondolat az, hogy ezeknek a részecskéknek egész állatkertje létezhet, de valószínűleg csak néhány részecske felel majd a sötét anyag legnagyobb hányadáért. Úgy, ahogy a látható világunkban is számtalan részecskét fedeztünk már fel, de a Világegyetem tetemes hányada proton, elektron és neutron, más részecskék sokkal ritkábbak.

Ezek a sötét részecskék a láthatókhoz hasonlóan összeállhatnak molekulákká, bolygókká, csillagokká?

KA: Az elméleti fizikusok egész kavalkádját feltételezik ezeknek a struktúráknak, sőt vannak, akik szerint az Univerzum fejlődése során előbb volt sötét anyag, ami megágyazott ahhoz, hogy utána kialakulhasson a látható Világegyetem szerkezete . Fordítva is igaz a történet, sötét részecskékből is felépíthetők lehetnek molekulák, DNS, élő anyag, amelyeik itt lehetnek körülöttünk, csak nem szerzünk róluk tudomást, mivel semmilyen kölcsönhatás nincs köztük és köztünk. Épp ezért lehetne fontos az általunk felfedezett részecske, az X17, amely egy közvetítő lehet a látható és a láthatatlan világ között.

ifj. KA: Persze szögezzük le, hogy ez még nagyon gondolati szinten van, ezek csak feltételezések, bár valóban nagyon szórakoztató ezeken gondolkozni.

Ha minden jól alakul és tényleg sötét anyaghoz kapcsolódó részecskéket találtak, akkor ezekkel valahogy mérni tudjuk majd a körülöttünk lévő Világegyetemet?

KA: Természetesen. A XENON fizikusai már terveznek is egy nagyobb detektort, amivel úgynevezett “szezonális” változásokat tudnának mérni: attól függően, hogy a Föld milyen helyzetben van a Naphoz és az Univerzumhoz képest, milyen különböző jeleket kapunk és hogyan tudjuk azzal jobban megérten a Világegyetem mozgását.

Kell számolnunk a sötét anyaggal, ha csillagközi utazásra adjuk a fejünket?

ifj. KA: A Naprendszeren belül nem, azt már elég jól ismerjük. Attól nem kell félnünk, hogy a gravitáción kívül más kölcsönhatás is hathat csillagközi térben egy űrszondára. Ettől nem félünk, de nem is állunk úgy, hogy a közeljövőben bármit is küldeni tudnánk a Naprendszeren kívülre. Ennek ellenére mindenki abban reménykedik, hogy az űrutazás számára hasznos vonatkozása is lehet a sötét anyagnak, de ezek most még csak reményteljes sci-fi elmélkedések.