Ha ezt megerősítik, sanszos lehet a magyar Nobel-díj

Mai ismereteink szerint a látható univerzum több mint 13 milliárd éve az ősrobbanással jött kétre

A Magyar Tudományos Akadémia debreceni Atommagkutató Intézetének kísérleti eredménye szenzációként robbant az elméleti fizika világában. A magyar magfizikusok a titokzatos sötét fotonnal kapcsolatos vizsgálataik közben egy eddig ismeretlen részecske nyomára bukkantak. Amerikai kutatók felvetették, hogy talán az ötödik fundamentális kölcsönhatást sikerült meglelniük a magyar fizikusoknak. Ha a feltevés igaznak bizonyul, akkor az alapjaiban írhatja át a fizikai világról alkotott ismereteinket.

A természet alapvető kölcsönhatásai

A jelenlegi tudásunk szerint négy alapvető kölcsönhatást ismerünk a természetben: az erős és a gyenge kölcsönhatást, az elektromágneses kölcsönhatást, valamint a gravitációt. Részecskefizikai szempontból

a kölcsönhatások a közvetítő részecskék, avagy a bozonok útján valósulnak meg a hagyományos anyagot felépítő elemi részecskék között,

amelyeket fermionoknak is nevezünk. Egy kölcsönhatást tehát két anyagi részecske, azaz fermion között úgy képzelhetjük el, hogy az anyagi részecskék egymás között az adott kölcsönhatásnak megfelelő bozonokat cserélnek ki, aminek a hatására a fermionok állapota megváltozik, és ezzel a kölcsönhatás bekövetkezett.

Mai ismereteink szerint a látható univerzum több mint 13 milliárd éve, az ősrobbanással jött létre. Az univerzum nagyobb részét a titokzatos sötét anyag töltheti ki Forrás: Smithsonian

A hétköznapi életben csak a számtalan mikroszkopikus kölcsönhatási folyamat eredményeképpen létrejött makroszkopikus kölcsönhatást észleljük. Azt, hogy az adott kölcsönhatás milyen, alapvetően a közvetítő részecskék tulajdonságai határozzák meg. Például

a közvetítő részecske átlagos élettartama és tömege meghatározza, hogy milyen távolságokra juthat el,

így determinálja, hogy az adott kölcsönhatás milyen távolságokon belül érzékelhető. Mikroszkopikus léptékben a gravitáció a leggyengébb erő, amely minden tömeggel rendelkező részecske között hat, hatótávolsága végtelen, így ez a kölcsönhatás határozza meg az univerzum nagyléptékű szerkezetét, feltételezett közvetítő részecskéje a graviton.

Fényleni kezdenek az első csillagok a korai univerzumban. A gravitációs kölcsönhatás határozza meg az univerzum nagyszerkezetét Forrás: Stanford University/John Wise, Tom Abel, Ralf Kaehler

Az elektromágneses kölcsönhatás a töltéssel rendelkező részecskék között hat, közvetítő részecskéje a foton. A gyenge kölcsönhatás felelős számos atomi bomlási jelenségért, például a béta-bomlásért. Ellenpárja,

az erős kölcsönhatás tartja egyben a nukleonokat az atommagban,

pontosabban a kvarkok közötti erős kötésért felelős. Ez a legrövidebb hatótávolságú és egyben a legerősebb erő is, amelynek közvetítésért a gluonok a felelősek.

Az atommag körül az elektronok felhőt alkotnak Forrás: Wikimedia Commons

A fizika legújabb kutatási eredményei fényében azonban a felvázolt kép egyre többször kérdőjeleződik meg, hiszen számos olyan megfigyelés áll rendelkezésünkre, amely arra utal, hogy az univerzum anyagának egy jelentős részéről – a sötét anyagról – szinte egyáltalán nincsenek még ismereteink.

A sötét anyag kihívása?

A csillagászati megfigyelésekből egyértelműen tudjuk, hogy az univerzumban látható anyag a gravitáció hatására szokatlanul viselkedik. A látható anyagra vonatkozó megfigyeléseinkből arra következtetünk, hogy az univerzum anyagának jelentős részét – közel 80%-át – kell, hogy kiadja az a sötét anyag, amelyet ugyan közvetlenül nem látunk, de közvetetten érzékeljük, mégpedig a gravitációs hatásán keresztül, amelyet a hagyományos anyagra gyakorol. De vajon miből áll ez a sötét anyag?

Egy kép a szimulációból: a sötét anyag hálózata (kék színnel) mentén csomósodó fénylő gázanyag Forrás: MIT/Illustris, Nature

A korai kutatások központi kérdése a nagy tömegű, igen gyengén kölcsönható részecskék, mint a sötét anyag lehetséges építőköveinek keresése volt. Mivel nem sikerült ilyeneket felfedezni,

a kutatások a kisebb energiák felé mozdultak el,

azonban szó szerint sötétben tapogatózva, hiszen csupán feltételezéseink vannak a sötét anyaggal kapcsolatosan, ezért szinte bárhol kereshetjük a sötét anyagot alkotó részecskék nyomait.

A Világegyetem energiájának 74%-át ez a sötét energia teszi ki, további 22%-ot pedig az ugyancsak ismeretlen sötét anyag. Az ismert anyagformák mindössze 4%-ot képviselnek, ennek nagyobb része a galaxisok közötti teret kitöltő, roppant ritka gáz, a csillagok és más, ismert objektumok csupán 0,4%-kal részesednek a Világegyetem energiájából Forrás: NASA

A fizikusok intenzív kutatásokkal igyekeztek a feltételezett sötét foton nyomára bukkanni,

amely a sötét anyag részecskéi közötti kölcsönhatást írná le elektromágneses analógiára.

Feltehetően nagyon kis mértékben, de a hagyományos anyaggal is kölcsönhatásba léphet a sötét foton, nem csupán a sötét anyag részecskéivel.

A kvantumfizika nagy kérdése, mint például a sötét anyag problematikája, még megoldásra várnak Forrás: CERN

Mivel elképzelhető, hogy a sötét foton tömege elegendően kicsi ahhoz, hogy atommagátmenetek során is létrejöjjön, a debreceni kutatócsoport is ilyen átmenetek vizsgálatával igyekezett a hipotetikus sötét fotont megkeresni.

A magyar kísérleti felfedezés

A hazai kutatócsoport protonokkal bombázott vékony Li-7 (lítium) céltárgyat, amelyben ennek hatására egy instabil Be-8 (berilliumizotóp) keletkezett, és ennek a 18,15 MeV-os átmenete meglepő eredményeket tartogatott.

Ismerkedés az energiaegységekkel

A részecskegyorsítókkal való „barátkozáshoz” elengedhetetlen a magfizikában és részecskefizikában használatos energiaegységek megismerése. 1 elektronvolt (eV) az a mozgási energia, amelyre egy elektron 1 volt feszültségkülönbséget befutva szert tesz. Többszörösei: ezerszerese a kiloelektronvolt (keV); milliószorosa, vagyis a keV ezerszerese a megaelektronvolt (MeV); a MeV ezerszerese a gigaelektronvolt (GeV). Újabban már a TeV egységre is szükség van a gyorsítók leírásánál, ez a teraelektronvolt, az eV billiószorosa, a GeV ezerszerese (1 TeV = 103 GeV = 106 MeV = 109 keV = 1012 eV).

A magyar kutatók a Be-8 atommag legerjesztődésekor keletkező elektron-pozitron párok szögeloszlását vizsgálták. A legerjesztődés során keletkező foton belső párkeltéssel elektron-pozitron párt kelt, amelynek a szögeloszlása egy sima, jól ismert görbével írható le. Azonban a legnagyobb meglepetésre nem ezt tapasztalták, hanem nagy szögeknél élesen kiugró értékeket mértek, ami nem volt megmagyarázható a belső párkeltés folyamatával.

Elektron-pozitron spektrométer a debreceni Atomkiban Forrás: MTA Atomki

A kutatócsoport feltevése szerint a legerjesztődésben egy eddig ismeretlen részecske keletkezett,

amely elektron-pozitron párra bomlott a megfigyelt szögkorrelációval. Az ismeretlen részecske tömegét 17 MeV-ra becsülték. Az elmúlt három évben számtalanszor pontosítottak a mérési módszeren, kiküszöbölve minden szóba jöhető hibaforrást, és mivel mindig ugyanazt az eredményt kapták, a hazai kutatók egészen biztosak az eredmény helyességében.

Mit találtak a hazai kutatók?

A megfigyelés összhangban van egy új, kis tömegű, semleges részecske feltételezésével, amely akár a keresett sötét foton is lehet. A kísérletben talált részecske csatolási állandója azonban kisebb, mint amit elméletileg a sötét fotontól vártak, így aztán amerikai kutatók egy csoportja azt feltételezi, hogy a 17 MeV-os részecske nem a sötét foton, hanem egy ún. „protonfóbiás X bozon” részecskét sikerült felfedezni, amely kevésbé kötődik a protonokhoz (ezért protonfóbiás).

Peter Higgs Nobel-díjas brit atomfizikus, aki megjósolta a róla elnevezett és a tömegért felelős bozon létezését Forrás: AFP/Fabrice Coffrini

Míg a sötét foton (ahogyan a hagyományos foton) az elektronokhoz és a protonokhoz, addig a protonfóbiás X bozon az elektronokhoz és a neutronokhoz csatolódik, és feltehetően extrém rövid hatótávolságú kölcsönhatást hordozhat.

A sötét anyag Tejút körüli eloszlásának (kék szín) művészi illusztrációja Forrás: Wikimedia Commons

Az amerikai kutatók egyelőre más lehetséges részecskéket is számba vesznek, de véleményük szerint a legvalószínűbb magyarázat a protonfóbiás X bozon lehet, amely pedig ha megerősítést nyer,

egy ötödik fundamentális kölcsönhatás feltételezését és felfedezését jelentheti.

Ez a lehetőség hozta lázba a fizikusok közösségét világszerte.

Hogyan tovább?

A nemzetközi kutatói közösség élénken igyekszik megfejteni a magyarok által talált kísérleti eredmény elméleti hátterét. Eközben számtalan csoport készül hasonló kísérlettel, hogy megerősítsék a felfedezett részecske létezését, és részleteiben vizsgálják a tulajdonságait, hogy valóban eldönthető legyen a kérdés, valóban ez a részecske-e a természetben létező ötödik alapvető kölcsönhatás közvetítője és hírnöke? A hazai kutatócsoport ugyancsak tovább folytatja a méréseit az eredmények jobb megértése végett.