1. oldal
Az elmúlt évszázad során a fizikusok kiváló, meglepően működőképes elméleteket dolgoztak ki az anyagot felépítő atomok, és ezek kisebb alapegységei működésének leírására. Ugyanakkor közben az is kiderült, hogy az általunk ismert anyag nem egészen 5 százalékát teszi a világegyetem tömegének, amely a jelenlegi feltevések szerint nagyobb részben sötét energiából (73 százalék), kisebb részben pedig sötét anyagból (27 százalék) áll. A sötét energiát tartják felelősnek azért az erős antigravitációs hatásért, amely lehetővé teszi a világegyetem gyorsuló tágulását, a sötét anyag jelenléte pedig szükségszerű feltétele a megfigyelt galaxisok és galaxishalmazok létezésének.
A sötét anyag története 1933-ig nyúlik vissza, amikor Fritz Zwicky, a Caltech alkalmazásában lévő svájci asztrofizikus a Coma-galaxishalmaz vizsgálata közben valami nagyon különösre lett figyelmes: az általa megfigyelt galaxisok egyáltalán nem úgy mozogtak, ahogy szomszédaik gravitációs hatása alapján kellett volna. A kutató ezért a halmaz szélén lévő csillagrendszerek sebessége, valamint halmaz galaxisainak száma és azok együttes fényessége alapján is megkísérelte meghatározni a Coma össztömegét. A két tömegbecslés gyökeresen eltérő eredményt adott: a sebességek alapján a halmaz 400-szor nehezebbnek tűnt a távcsővel észlelhető adatokból kiszámolt tömegnél. Zwicky ebből úgy gondolta, hogy valami másnak is jelen kell lennie a halmazban.
A következő fordulatra a hetvenes évekig kellett várni, amikor Vera Rubin, a washingtoni Carnegie Intézet csillagásza az Androméda-galaxis csillagaival kapcsolatos spektrográfiai mérések során észrevette, hogy a rendszer szélén lévő csillagok ugyanolyan sebességgel mozognak, mint a galaxismag csillagai, ami viszont ellentmondott az elfogadott elméletek alapján várható eredménynek. Rubin ezt követően más galaxisokat is megvizsgált, és minden esetben azt tapasztalta, hogy a mért eredmények sehogy sem passzolnak a modellek alapján megjósolt sebességekhez: a galaxisok szélén található égitestek a megfigyelések alapján olyan gyorsan mozogtak, hogy pusztán a látható anyag gravitációja nem magyarázta meg, hogy miért maradnak pályájukon, és miért nem lőnek ki a világűrbe.
A Puskagolyó-halmaz két egymással ütköző galaxishalmazból áll, és számos erős bizonyítékot szolgáltat a sötét anyag létezésére
A kutató ebből arra következtetett, hogy vagy Newton gravitációs törvényeivel van a gond, vagy pedig valamiféle extra anyag is jelen van ezekben a csillagrendszerekben, amely azonban a csillagászati műszerek számára láthatatlan. Mivel a második feltevést valószínűbbnek tartotta, ezt az elméletet ismertette az Amerikai Csillagászati Társaság találkozóján 1975-ben. Előadásában sötét anyagnak nevezte a távcsövekkel láthatatlan és más módszerekkel is észlelhetetlen anyagfajtát.
Az azóta eltelt évtizedek során aztán számos további megfigyelés támasztotta alá Rubin elméletét, és időről időre újabb kísérletek történtek a sötét anyag fizikai kimutatására, azonban mindeddig csak létezésének áttételes következményeit sikerült észlelni. Minden jel arra utal, hogy a látható anyagon túl több mint ötször annyi másfajta tömeg is jelen van a világűrben. Ennek egy töredéke ugyan megmagyarázható központi csillaggal nem rendelkező, nomád bolygók, vándorló fekete lyukak, neutroncsillagok és egyéb égi különlegességek révén, azonban az eredményeket látva egyre bizonyosabbak a kutatók abban, hogy valami alapvető és általánosan elterjedt dolog hiányzik a képből.
Ahogy már említettük, magát a sötét anyagot, illetve annak feltételezett részecskéit mindeddig nem sikerült észlelni, bár számos próbálkozás történt ennek érdekében. Az elmúlt héten közzétették az egyik legjelentősebb ilyen kísérlet első három hónapjának eredményeit. A LUX-kísérlet (nagy földalatti xenondetektor) egy dél-dakotai egykori aranybányában, 1,6 kilométeres mélységben zajlik, minden idők legérzékenyebb sötétanyag-detektorával, ennek ellenére az első fázisban nem találták nyomát a keresett anyag részecskéinek a kutatók.
És hogy mik is lehetnek ezek a részecskék? A kutatók szerint a legvalószínűbb jelölt a WIMP, avagy a gyengén kölcsönható nagy tömegű részecske. A WIMP a feltételezések szerint nagy méretű (tömege a 100 GeV körülire tehető), és a neutrínóhoz hasonlóan a négy alapvető kölcsönhatás közül csak kettőnek, a gravitációnak és a többek közt a béta-bomlást okozó gyenge kölcsönhatásnak engedelmeskedik, vagyis az elektromágneses erők, illetve az atommagot összetartó erős kölcsönhatás erői nem hatnak rá.
2. oldal
Ebből aztán az is következik, hogy az atomokból álló anyaggal rendkívül ritkán kerül interakcióba, ami érthető módon meglehetősen nehézkessé teszi kimutatását. Hogy kicsit könnyebben elképzelhető legyen, mennyire kevéssé hajlandók az anyaggal való kölcsönhatásra a WIMP-ek, tegyük fel, hogy a rendelkezésünkre áll egy 200 fényév élhosszúságú ólomkocka: ha egy sötétanyag-részecskét átengednénk ezen a gigantikus mennyiségű ólmon, 50 százalék lenne annak az esélye, hogy a WIMP úgy távozik a túloldalon, hogy közben az égvilágon semmivel nem került interakcióba.
A LUX detektora egy csaknem 2 méter magas és 1 méter széles, duplafalú tartály, amely 368 kilogramm, mínusz 106 fokra hűtött cseppfolyós, illetve gáz állapotú xenont tartalmaz. Amennyiben a WIMP-ek léteznek, minden másodpercben jelentős mennyiségben haladnak át a tartályon. Kellő számú WIMP esetén ezek közül egy-egy beleütközhet valamelyik xenon atommag egyik protonjába vagy neutronjába, és gyenge kölcsönhatása léphet azzal. Egy ilyen ütközés hatására egyrészt fotonok bocsátódnának ki, másrészt elektronok szabadulnának el, amelyeket aztán a detektoron belül kialakuló erős elektromos mező felfelé, a gáz fázisú xenon felé sodorna. A gázban zajló folyamatok során aztán az elektronok hatására elektrolumineszcens fotonok keletkeznének, vagyis egy WIMP-pel való ütközés esetén két felvillanást észlelnének a rendszer ultraérzékeny detektorai: az elsődleges fotonjelet, majd az elektronok nyomán keletkező fotonokat.
Annak érdekében, nehogy a kozmikus sugárzás, a Nap sugárzása, illetve bármely másfajta forrás beérkező részecskéi megzavarják a kísérletet és téves riasztást okozzanak, a teljes rendszert mélyen a felszín alá rejtették, a xenontartályt pedig vastag vízpajzzsal vették körül. A LUX azonban az alapos tervezés ellenére működése első három hónapja alatt semmiféle eredményt nem produkált, ami viszont önmagában is rendkívül fontos, hiszen megkérdőjelezi az utóbbi évek állítólagos sötétanyag-észleléseit. Legutóbb idén áprilisban, a minnesotai CDMS-kísérlet szakértői számoltak be három biztatónak tűnő ütközési eseményről. A LUX-kísérlet szóvivője, Daniel McKinsey, a Yale fizikusa szerint viszont, amennyiben a CDMS eredményei valósak, a LUX-nak 1500 WIMP-et kellett volna észlelnie az első fázisban.
Bár a sötét anyag tényleges detektálása valószínűleg nagyobb visszhangot váltott volna ki mind tudományos, mind laikus körökben, és nem mellesleg jó eséllyel Nobel-díjat ért volna, az eredménytelenség is sokat elárulhat a mindeddig hiába kutatott anyag természetével kapcsolatban. Ahogy Katherine Mack, a Melbourne-i Egyetem kozmológusa elmondta, a sötét anyag részecskéinek tulajdonságaival kapcsolatban annyi különféle feltevés verseng egymással, mint égen a csillag: a szakértők széles skálán mozgó tömegadatokat, és különféle mértékű normál anyaggal való interakcióra való hajlandóságot feltételeznek. Rick Gaitskell, a LUX vezető kutatója úgy véli, hogy a sötétanyag-detektorok, illetve más kísérletek révén a következő két évtizedben a létező feltevések legalább felét sikerülhet érdemben megvizsgálni, és az eredmények függvényében elvetni vagy elfogadni ezeket.
Fontos előrelépést jelenthetnek a jövőben például a részecskegyorsítós kísérletek. A Nagy Hadronütköztető kutatói nagysebességű részecskeütköztetések során igyekeznek létrehozni a sötét anyag részecskéit. Amennyiben ez sikerülne, az esemény energiamérlegén keresztül lehetne detektálni az anyag jelenlétét, mivel az energia egy része látszólag „hiányozna”, hiszen a detektorok által észlelhetetlen részecskék hordoznák azt.
Más kutatócsoportok bányák helyett az űrbe helyezik detektoraikat. Az Alpha Magnetic Spectrometer (AMS) a Nemzetközi Űrállomás külső burkolatán foglal helyet, és a vele találkozó részecskék tömegét, sebességét, típusát, illetve töltését méri. A szakértők elsődlegesen nagy energiájú elektronok és pozitronok után kutatnak a detektor révén, mivel a sötétanyag-részecskék egymással való ütközései során ilyenek keletkeznek. Idén áprilisban az AMS kutatói arról számoltak be, hogy sikerült találniuk ennek megfelelő részecskéket, az azonban egyáltalán nem biztos, hogy ezek forrása valóban a sötét anyag, mivel más módon is keletkezhetnek hasonló energiájú elektronok és pozitronok.
Eddig tehát nincs egyértelmű eredménye a különös részecskék utáni vadászatnak, a kudarcok ugyanakkor segíthetnek kigyomlálni a pillanatnyilag még jelentős számban létező elméletek javát, más feltevéseket pedig megerősíthetnek, napról napra tovább szűkítve azt a konceptuális teret, amelyben a sötét anyag bujkál. A fizikusok többsége ugyanis egyetért abban, hogy előbb-utóbb sikerül detektálni az anyagot, ha pedig esetleg erre mégsem kerülne sor, és kiderülne, hogy nem is létezik, az még jelentősebb következményekkel járna, hiszen más magyarázatot kellene keresni a minket körülvevő világ működésére.
