Kitartóan keresik a sötét anyagot a fizikusok. Mértékadó becslések szerint a világegyetem anyagának mintegy 22%-a sötét anyag. Azért sötét, mert nem bocsát ki fényt, sem másféle, számunkra érzékelhető sugárzást. Sötétnek nevezhetjük azért is, mert egyelőre a sötétben tapogatózunk mibenlétét illetően.
Ugyancsak ismeretlen jellege miatt kapta a sötét jelzőt az az energia, amely a gravitáció ellen hatva a világegyetem egyre gyorsuló tágulását okozza, ennek arányát 73%-ra teszik az össztömegben, így mindössze 5% marad a világegyetem látható, ismert összetevőire, a csillagokra. 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.
A sötét anyag létezésére a galaxisok mozgásából következtetnek. A megfigyelt mozgás magyarázatára 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 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, egyenként kis tömegük ellenére összességében nagy tömeget hordoznak, ez kb. a világegyetem össztömegének 10%-át teheti ki. A fennmaradó rész, az ún. hideg sötét anyag mibenlétére vonatkozóan viszont 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 a 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. Az axionok és a WIMP-ek egymás mellett is létezhetnek, az egyik létezése nem zárja ki a másikét. A régóta keresett WIMP-ek és axionok mellett újabb és újabb részecskék létezését is feltételezik.
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 sötét anyag részecskék hatnak kölcsön egymással. Vizsgálatuk harmadik lehetősége a létrehozásuk, előállításuk részecskegyorsítókban. Idén 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
A sötét anyagként szóba jöhető részecskék közé tartoznak az axionok. 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 hatnak kölcsön 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.
Tavaly a legnaroi olasz nemzeti laboratóriumban lézer nyalábot vezettek át erős mágneses téren. A nyaláb polarizáltsága megváltozott a mágneses térben, erre 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 kimutatására épített mérőrendszerben sem. A lézeres kísérlet axionos értelmezése akkor lesz meggyőző, ha valóban sikerül az axionok 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 pl. 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 a tény az axionok létét bizonyítaná.
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 föld alatti 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 kristály összeállítás, amely fényfelvillanással reagál a kristályba jutott részecskékbe. A kutatók WIMP-eket keresnek, ennek érdekében igyekeznek megvédeni a kristályt minden más részecskétől. Erre szolgál a berendezés feletti 700 méteres sziklaréteg, a gamma-sugarak útját 15 cm vastag ólom állja el, az ólomréteg után még egy 10 cm réz lap is véd az ólomból esetleg kilépő röntgen-sugarak 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 gamma-sugarak 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 előkészítés 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.
Hozzászólások