Sötét titkot találtak a tudósok az univerzumban

Az univerzum tömegének 85 százalékát alkotó sötét anyag összefügghet a számunkra szintén egzotikus antianyaggal, méghozzá a WIMP-eken – a gyengén kölcsönható nagytömegű részecskéken – keresztül.

A modern kozmológia előtt álló egyik legnagyobb kihívás a sötét anyag mibenlétének megfejtése. Tudjuk, hogy létezik – sőt, a világegyetem több mint 85%-át ez alkotja –, de sosem láttuk közvetlenül, és még mindig nem tudjuk, mi is az valójában. A Journal of Cosmology and Astroparticle Physics kozmológiai és csillagászati-részecskefizikai szakfolyóiratban most megjelent egy olyan közlemény, amelyben a kutatók az antianyag megfogható nyomai után kutattak a kozmoszban, és 

a gyengén kölcsönható nagytömegű részecskék (WIMP-ek, Weakly Interacting Massive Particles) olyan új, korábban meg nem figyelt osztályát azonosították, amely a sötét anyag alkotója lehet.

A tanulmány azt sugallja, hogy a kozmikus sugárzásban nemrég megfigyelt antiatommagok összeférhetők a WIMP-ek létezéséről alkotott hipotézisekkel, sőt: ezek a részecskék még annál is furcsábbak lehetnek, mint ahogy eddig gondoltuk.

A gyengén kölcsönható nagytömegű részecskék olyan új, korábban meg nem figyelt osztályát azonosították, amely a sötét anyag alkotója lehet.
Fotó: Science Photo Library via AFP

A sötét anyag keresése

„A WIMP-ek létezését elméleti síkon eddig is feltételeztük, de megfigyelni még nem tudtuk őket, és ideális jelöltek a sötét anyag alkotórészecskéinek szerepére – magyarázza Pedro De la Torre Luque részecskefizikus, a madridi Elméleti Fizikai Intézet munkatársa. – 

Ezek a részecskék egymással és a többi részecskével csak a gravitáció, illetve az ún. gyenge kölcsönhatás révén lépnek interakcióba. Ez utóbbi a négy alapvető fizikai erő közül az, amely csak nagyon kicsi hatótávolságokon működik.”

Néhány évvel ezelőtt a tudományos közösség új csodaként ünnepelte a WIMP-eket, amelyek a sötét anyaggal szemben támasztott valamennyi elvárásnak eleget tettek, és miután a fizikusok elképzelték, milyenek is lehetnek ezek a részecskék és hogyan tudnánk őket detektálni, az az általános vélekedés terjedt el, hogy rövidesen közvetlen bizonyítékunk lesz a létezésükre. Ám nem így történt: az utóbbi évek kutatásai e hipotetikus részecskék egész osztályainak létezését zárták ki az elvégzett kibocsátási mérések alapján. Mára már, ha a létüket nem is kérdőjelezték meg teljes egészében, a lehetségesnek tartott WIMP-féleségek száma jelentősen összezsugorodott, és a lefülelésükre alkalmasnak vélt technológiák zöme is kudarcot vallott. „A számos korábban felvetett és legjobb szándékkal felvázolt modell közül mára a legtöbbet el kellett vetnünk, és alig néhány maradt talpon” – kommentálta De la Torre Luque.

Egy közelmúltbeli felfedezés azonban új reményt ébresztett. „Ezek az új megfigyelések az AMS-02 jelű kísérletből származnak – folytatta De la Torre Luque. A kozmikus sugárzást vizsgáló AMS-02 (Alpha Magnetic Spectrometer) kísérlet a Nemzetközi Űrállomáson zajlik. – A projektvezetők arról számoltak be, hogy antiatommagokra, konkrétan antihéliumra utaló nyomokat találtak a sugárzásban, amire senki sem számított.”

Felvétel a Nemzetközi Űrállomásról
Fotó: NASA

Mi valójában az antianyag?

Ahhoz, hogy megértsük, miért fontosak ezek az antiatommagok a WIMP-ek és a sötét anyag szempontjából, először tisztáznunk kell, mi is az az antianyag. Az antianyag az anyag olyan formája, amelyben minden elemi részecske a mi közönséges elemi részecskéink ellentettpárja. A töltéssel rendelkező részecskék esetében ez ellentétes töltést is jelent – az antielektronok, vagyis a pozitronok pozitív, az antiprotonok pedig negatív töltésűek –, és ha a mi közönséges anyagunk és az antianyag találkozik, akkor intenzív gamma-sugárzás kibocsátása mellett megsemmisítik, „annihilálják” egymást. Bár univerzumunk túlnyomórészt hagyományos anyagból áll, kis mennyiségű antianyag is jelen van benne, néha közelebb is, mint gondolnánk: például a pozitronemissziós tomográfia nevű orvosi képalkotó eljárás antielektronokat, vagyis pozitronokat kibocsátó kontrasztanyagokkal működik.

A világegyetemben található antianyag egy része a tudósok vélekedése szerint az ősrobbanáskor keletkezett, de ma is folyamatosan keletkezik antianyag a világűrben, méghozzá bizonyos különleges események során, ezért a megfigyelése mindenféleképpen nagy jelentőséggel bír. 

Ha valahol antirészecskéket látunk létrejönni a csillagközi közegben, ahol amúgy nem sok mindenre számítanánk, akkor jó okunk van azt gondolni, hogy ott valami érdekes zajlik

– hangsúlyozta De la Torre Luque. – Ezért találtuk annyira izgalmasnak az antihélium jelenlétét.”

Mit figyeltek meg a tudósok a kísérletben?

Az AMS-02 kísérletben megfigyelt antihélium atommagok ugyanis szép eséllyel a WIMP-ekből képződnek. Az elmélet szerint a WIMP részecskék találkozása néha annihilációval végződik: elpusztítják egymást, de közben energiakibocsátás mellett anyag- és antianyagrészecskéket is termelnek. De la Torre Luque és munkatársai több WIMP modellt is ellenőriztek, hogy a jóslataik összeférhetők-e a megfigyelésekkel.

A tanulmány megerősítette, hogy az antihélium egyes előfordulásait az ismert asztrofizikai folyamatokkal csak bajosan lehet magyarázni.

„Az elméleti jóslatokból azt gondoltuk volna, hogy ugyan a kozmikus sugarak a csillagközi közeget kitöltő gázzal kölcsönhatásba lépve képezhetnek antirészecskéket, az ilyen módon keletkező antiatommagok, különösen az antihélium mennyisége rendkívül csekély – ismertette De la Torre Luque. – Pár évtizedenként számítottunk egy-egy antihélium-észlelésre, ám az AMS-02-ben máris tíz antihélium-eseményt figyeltünk meg, ami sok nagyságrenddel több, mint ami a szabványos kozmikussugár-kölcsönhatásokból következne. Ezért véljük úgy, hogy az észlelt antiatommagok inkább WIMP-annihilációs eseményekről árulkodhatnak.”

És ez még nem minden. Az AMS-02 kísérletben megfigyelt antihélium atommagok két különböző izotópot – azonos rendszámú, de különböző tömegszámú elemváltozatot – képviselnek: antihélium-3 és antihélium-4 egyaránt előfordul közöttük. Az antihélium-4 jóval nehezebb, egyben jóval ritkább is.

Antianyag létrejötte (illusztráció)
Fotó: Xinhua via AFP

Ismeretes, hogy a nehezebb antiatommagok képződése annál valószínűtlenebb, minél nagyobbak, különösen ha egyedül a kozmikus sugarakat vesszük számításba lehetséges keletkezési mechanizmusként. E nagyobb antiatommagok sűrű egymásutánban való többszöri észlelése ezért már önmagában is figyelmeztető jel. „A WIMP-ek még a legoptimistább modell szerint is csak az antihélium-3 tapasztalt mennyiségét tudnák magyarázni, az antihélium-4-ét végképp nem” – jegyezte meg De le Torre Luque. 

Ezért a fizikusoknak most az eddig felvetett WIMP-eknél még egzotikusabb részecskét – vagy részecskék egész osztályát – kell elképzelniük.

A WIMP-ek története tehát még koránt sem zárult le. Még sok pontos megfigyelésre van szükség, és valószínűleg az elméleti modellt is át kell formálni vagy ki kell terjeszteni. Lehet, hogy a sztenderd modell által elismert részecskék birodalmába egy új, sötét zónát kell beillesztenünk, ahol különösnél különösebb, egzotikus elemi alkotók kapnak majd helyet.