A sötét anyag nyomában - 1. rész: földi kísérletek

Kitartóan keresik a sötét anyagot a fizikusok. Azért sötét, mert nem bocsát ki fényt, sem másféle, számunkra érzékelhető sugárzást. Sötétnek nevezhetjük azért is, mert egyelőre a sötétben tapogatózunk mibenlétét illetően, pedig már számos detektort építettek a kimutatására. Összeállításunk első részében a részecskegyorsítókkal végzett kísérleteket mutatjuk be.

Mára kiderült, hogy a galaxisok csillagai és sugárzó anyagfelhői, vagyis a "látványos" megjelenésű, műszereinkkel érzékelhető égitestek a Világegyetem teljes anyagának csak kis részét képezik. Ugyancsak ismeretlen jellege miatt kapta a sötét jelzőt az az energia, amely a gravitáció ellen hatva a Világegyetem egyre gyorsuló tágulását okozza.

Az Univerzum történetének első 10 milliárd évét a sötét anyag uralta, majd a sötét energia vette át a főszerepet, és kezdte felgyorsítani a Világegyetem tágulását. Cikksorozatunkban Jéki László fizikus gyűjtötte össze e "sötét dolgokkal" kapcsolatos legfontosabb információkat. Az első részben a sötét anyag feltételezett részecskéit és a kimutatásukra épített berendezéseket mutatjuk be.

Honnan tudjuk, hogy a sötét anyag létezik?

A sötét anyag létezésére a galaxisok mozgásából következtetnek. A megfigyelt mozgás magyarázatához ugyanis nem elégséges a látható, elektromágneses sugárzást kibocsátó anyag, további jelentős tömegre van szükség. Ez lenne a sötét anyag. 1933-ban Fritz Zwicky (Caltech - Kaliforniai Műegyetem) a Bereniké Haja csillagképben a Coma-galaxishalmazt vizsgálva jutott elsőként arra a felismerésre, hogy túl kevés a látható anyag a halmaz tagjainak együtt tartásához.

A sötét anyag egy részét ismerjük, ezek a kihunyt csillagok, a bolygók, a fekete lyukak. Néhány éve vált ismertté, hogy a fénysebességhez közeli sebességgel száguldó neutrínóknak van tömege. Mivel rengetegen vannak, egyenkénti kis tömegük ellenére összességében nagy tömeget hordoznak, ami a Világegyetem össztömegének körülbelül 10%-át teheti ki. A fennmaradó rész, az ún. hideg sötét anyag mibenlétére vonatkozóan viszont egyelőre csak egymásnak ellentmondó feltevések, elméleti modellek léteznek.

Az elemi részecskék elméletének, a Standard Modellnek az egyik továbbfejlesztett változatában minden ma ismert részecskének van egy nála nagyobb tömegű párja, ezek lennének a szuperszimmetrikus partnerek. Kísérletekben évek óta keresik őket, mindeddig eredménytelenül. A sötét anyagot alkothatja ilyen részecske, pl. a WIMP (Weakly Interacting Massive Particle), vagyis egy gyengén kölcsönható, tömeggel rendelkező elemi részecske. A WIMP a legkisebb tömegű szuperpartner, tömege minimum százszor nagyobb a protonénál. Modellszámítások szerint ezek részecskék az Ősrobbanás óta fennmaradtak. Egyes számítások szerint 100 proton tömegű WIMP-részecskékből olyan sok van a Tejútrendszerben, hogy a Föld egyetlen négyzetméterén másodpercenként 10 milliárd haladhat át. Mégsem észleltünk eddig egyetlen egyet sem, tehát nagyon gyenge kapcsolatba kerülhetnek a közönséges anyaggal.

Ugyancsak nagyon gyengén kölcsönhatónak gondolják a kis tömegű axionokat, amelyek szintén jól beleillenek a modern részecskefizikai elméletekbe (részletesen lásd később). Az axionok és a WIMPek egymás mellett is létezhetnek, az egyik létezése nem zárja ki a másikét. A régóta keresett WIMPek és axionok mellett újabb és újabb részecskék létezését is feltételezik.

Hogyan keresik a sötét anyagot?

Számtalan elméleti spekuláció és elemzés után a kísérleti fizikusok hozzáláttak azokhoz a mérésekhez, amelyekkel a sötét anyag mibenlétét akarják feltárni. Egyes kísérletekben közvetlen kimutatásukra törekszenek, a normál anyaggal való kölcsönhatásuk jeleire vadásznak. Mások az égbolton keresik annak a jelét, hogy valahol egy galaxisban a sötét anyag részecskéi kölcsönhatnak egymással.

A Large Hadron Collider (nagy hadron-ütköztető) nevű részecskegyorsító (CERN)

Vizsgálatuk harmadik lehetősége a létrehozásuk, előállításuk részecskegyorsítókban. 2008-ban kezd üzemszerűen működni a világ legnagyobb részecskegyorsítója, a nagy hadron-ütköztető (LHC - Large Hadron Collider) a CERN-ben, a genfi nemzetközi részecskefizikai kutatóközpontban.

Axionok keresése

Mint már említettük, a sötét anyagként szóbajöhető részecskék közé tartoznak az axionok. Ezek a számítások szerint könnyű részecskék, tömegük tízezred-század elektronvolt közé eshet; összehasonlításul az elektron tömege 511 ezer elektronvolt. Kimutatásuk - ha egyáltalán léteznek - azért sem sikerült, mert nagyon kevéssé lépnek kölcsönhatásba az anyaggal. Esetleges létezésükkel 1977 óta számolnak a fizikusok, akkor vezették be őket egy probléma megoldása végett. Ez gyakori eljárás a fizikában, a neutrínó is így "született": először hipotézis volt, aztán kísérletek igazolták a létezését. Ma is egy sor olyan részecske szerepel különböző modellekben, amelyek létezését egyelőre nem igazolják mérések.

2006-ban a legnaroi olasz nemzeti laboratóriumban lézernyalábot vezettek át erős mágneses téren. A nyaláb polarizáltsága megváltozott a mágneses térben, amire számítottak is, de a változás tízezerszer erősebb volt a vártnál. Az egyik lehetséges magyarázat szerint a lézernyaláb fotonjainak kis hányada axionná alakult át. Más kísérletekben azonban nem tudtak axiont közvetlenül kimutatni, így a CERN-ben működő, kifejezetten a Napból várt axionok kimutatásra épített mérőrendszerben sem. A lézeres kísérlet axionos értelmezése akkor lesz meggyőző, ha valóban sikerül az axionokat létezését közvetlenül vagy kevésbé áttételesen igazolni.

Krzysztof Piotrzkowski (Katolikus Egyetem, Leuven, Belgium) Hamburgban a HERA részecskegyorsítónál lát lehetőséget axionok megfigyelésére. A HERA (Hadron-Electron Ring Accelerator) találkozónyalábos gyorsító, ahol például protonokat ütköztetnek elektronokkal. A gyorsító működése során intenzív foton-nyaláb is keletkezik, és ez a nyaláb áthalad a gyorsító erős mágneses terén. Elméleti számítások szerint, ha a foton energiája sokkal nagyobb az axionok feltételezett tömegénél, akkor a fotonok egy része axionná alakul át. Piotrzkowski egy 50 cm vastag ólom réteget helyezne a nyaláb útjába, ez elnyeli a fotonokat, de továbbengedi az axionokat. Az ólomból kilépő axionok egy része visszaalakul fotonná - tehát ha az ólom túloldalán fotonok jelennek meg, akkor ez az axionok létét bizonyítaná.

A HERA részecskegyorsító részlete

Az amerikai Lawrence Livermore nemzeti laboratóriumban olyan kísérletet készítenek elő, amelytől egyértelmű választ remélnek arra, hogy van-e szerepe az axionoknak a sötét anyagban. A Seattle-ban felállítandó mérőrendszerből 2011 táján várhatók az első adatok.

WIMP-részecskékre várnak a földalatti laboratóriumokban

Dél-Koreában mélyen a felszín alatt készítik elő a KIMS (Korea Invisible Mass Search - láthatatlan anyag keresése Koreában) kísérletet. Az észlelőrendszer lelke 100 kilogramm talliummal adalékolt cézium-jodid kristályösszeállítás, amely fényfelvillanással reagál a kristályba jutott részecskékre. A kutatók WIMP-eket keresnek, ennek érdekében igyekeznek megvédeni a kristályt minden más részecskétől. Erre szolgál a berendezés feletti 700 méteres sziklaréteg, a gammasugarak útját 15 cm vastag ólom állja el, az ólomréteg után még egy 10 centis rézlap is véd az ólomból esetleg kilépő röntgensugarak ellen. A neutronok olajfürdőben vesztik el energiájukat, és onnan nem jutnak tovább.

A kísérletet rendkívül gondosan és alaposan készítették elő. Három évig elemezték például a gammasugarak és a kozmikus részecskék által a légkörben keltett és a mélybe jutott neutronok által előidézett fényjeleket. A neutronokkal nagyon kell vigyázni, mert a WIMP-hez hasonló jeleket keltenek. A kísérlet vezetője szerint most már 99,999% biztonsággal ki tudják szűrni a neutronok jeleit. Több éves elékészítés után idén nyáron kezdődött meg az adatgyűjtés. Napi 1-2 WIMP felbukkanására számítanak. Természetesen a WIMP-részecskék csak akkor adnak jelet, fényfelvillanást a detektorban, ha kölcsönhatnak a normál anyag részecskéivel. Ha nincs ilyen kölcsönhatás, akkor továbbra is láthatatlanok maradnak, és nem tudunk megbizonyosodni arról, hogy léteznek-e egyáltalán.

A CDMS kísérlet detektorának hűtőberendezése (Fermilab)

Az Egyesült Államokban Minnesota északi részén, a Soudan bányában szintén mélyen a föld alatt várja a WIMP-részecskéket a CDMS kísérleti összeállítás (CDMS - Cryogenic Dark Matter Search). A detektor germánium- és szilíciumrétegekből áll, ezeket az abszolút nullához egészen közeli hőmérsékletre hűtik le. Ha egy WIMP-részecske beleütközik egy atommagba, akkor az energiaátadás miatt parányi mennyiségű hő jelenik meg. Ezt a hőemelkedést és a kilökött elektronok által keltett töltésváltozást figyeli a detektor. Tavaly ezt a detektort is kibővítették, a korábbi 1 kg helyett már 4 kg germániummal dolgoznak.

Újabb szuperdetektorok

Olaszországban is egy földalatti mérőrendszerrel láttak munkához a fizikusok. A XENON10 detektor a Gran Sasso alagútban kapott helyet 1400 méter mélyen, egy 10 km-es alagút végén. 15 kg folyékony xenont töltöttek tartályba. Ha egy WIMP a xenon-atommagba ütközik, akkor ebben a rendszerben is fény villan fel, és szabaddá válik néhány elektron. Az összehasonlító vizsgálatok szerint a XENON10 mérőrendszer ötször olyan érzékeny, mint a CDMS, de eddig ők sem észleltek WIMP-részecskét. 60 nap alatt 10 további vizsgálatra érdemes eseményt regisztráltak, de később ezek zavaró háttérjeleknek bizonyultak. A kutatók akkor látnák igazoltnak a WIMP-ek létezését, ha legalább 15 olyan eseményt sikerülne rögzíteniük, amire semmilyen más magyarázat sem adható. Hamarosan nagyobbra cserélik a detektort, 60 kg folyékony xenon, az eddigi mennyiség négyszerese kerül a tartályba.

A XENON-10 detektor központi része (Columbia Egyetem)

Japánban, Kamiokában már építik az XMASS detektort, amelynek gömb alakú tartályában 800 kg folyékony xenon várja majd a részecskéket. Angliában is épül egy xenon-detektoros mérőrendszer (Zeplin-III), az első eredmények 1-2 év múlva várhatók. Az olasz Gran Sasso alagútban a Nobel-díjas Carlo Rubbia vezetésével argondetektorra bízzák majd a részecskedetektálást, ez lesz a WARP kísérlet (WIMP Argon Programme).

Mérési hiba?

1997-ben és 2000-ben a Gran Sasso alagútban a DAMA kísérletben WIMP-részecskék észleléséről számoltak be a kutatók a Science hasábjain. Detektoruk 100 kg nátrium-jodid kristályrendszer volt. Az észlelt felvillanások száma szezonális változást mutatott. A magyarázat szerint a galaxis WIMP-felhőt bocsát ki, és a Naprendszert állandó WIMP-szél éri. A Föld a Nap körüli pályáján mozogva periodikusan belemegy a nyalábba, majd eltávolodik tőle. A DAMA kísérlet eredményeit másutt nem sikerült reprodukálni, a fizikusok többsége nem is fogadja el az eredményt, valamilyen mérési hibát gyanítanak. 2003-tól már a továbbfejlesztett, 250 kg-os detektorral mérő DAMA/LIBRA kísérlet gyűjti az adatokat.

Egy amerikai szakmai tanácskozáson 2007 májusában a 170 résztvevő több mint fele arra fogadott, hogy öt éven belül sikerül észlelni sötét anyag részecskéit. A nagyszámú, eltérő technikát alkalmazó kísérletre utalva Rocky Colb professzor, a terület egyik vezető kutatója úgy vélekedett, vagy megtudjuk öt éven belül, hogy a mi sötét anyag, vagy sohasem fogjuk megtudni.

Cikksorozatunk csütörtökön megjelenő, következő részében arról olvashatnak, hogy keresik a sötét anyagra utaló jeleket a csillagászati megfigyelések során.

Jéki László