A tudósok áttörést érhettek el a sötét anyag keresésében: egy Dél-Dakotában, mintegy 1,6 kilométer mélyen a föld alatt végzett kísérlet során a sötét anyag jelenlétére utaló jeleket figyeltek meg – bár egyelőre óvatosan fogalmaznak, és nem jelentették ki egyértelműen, hogy végre sikerült kimutatniuk ezt a nehezen megfogható kozmikus komponenst.
A kutatók egy olyan részecske-kölcsönhatást írtak le, amelyet a dél-dakotai Black Hills régió egyik egykori aranybányájában kialakított Sanford Földalatti Kutatóintézetben dokumentáltak. A jelenséget egy feltételezett részecske, a WIMP (a Weakly Interacting Massive Particle, azaz „gyengén kölcsönható masszív részecske” angol rövidítése) okozhatta. A fizikusok jelenleg ezt tartják a sötét anyag legvalószínűbb jelöltjének.
A csillagokat, a bolygókat, az embereket és mindent, amit magunk körül látunk, közönséges anyag alkotja. Ez azonban az univerzum összes anyagának csupán mintegy 15 százalékát teszi ki. A fennmaradó részt a sötét anyag adja, amely nem bocsát ki és nem is veri vissza a fényt, így az emberi szem és a távcsövek számára láthatatlan. A tudósok azonban a galaktikus léptékű gravitációs hatásokból pontosan tudják, hogy a sötét anyag létezik.
Sam Eriksen, a Bristoli Egyetem részecskefizikusa és a kutatást bemutató tanulmány vezető szerzője szerint ez az esemény „lehet a sötét anyag megfigyelésének legelső jele”.
A sötét anyagról úgy tartják, hogy csak rendkívül ritkán lép kölcsönhatásba a közönséges anyaggal. A jelenleg is zajló LUX-ZEPLIN (LZ) kísérlet – amelyben az észlelés történt – éppen az ilyen extrém ritka kölcsönhatások kimutatására szolgál, és kifejezetten a WIMP-ek keresésére optimalizálták. A detektor, amelyet az Egyesült Államok Energiaügyi Minisztériumának Lawrence Berkeley Nemzeti Laboratóriuma üzemeltet, tíz tonna folyékony xenont tartalmaz egy hatalmas, hengeres tartályban.
A kutatók olyan sötét anyagot keresnek, amely szóródik (visszapattan) a xenonatomokon. Amikor egy ilyen részecske szóródik, fényfelvillanásokat hoz létre, amelyek tulajdonságaiból a tudósok meg tudják állapítani, hogy pontosan milyen típusú részecske lépett kölcsönhatásba a xenonnal.
Egy Japánban tartott keddi tudományos konferencián bejelentett – és a Physical Review Letters folyóiratnak is benyújtott – tanulmányban a kutatók leírtak egy olyan észlelt kölcsönhatást (egy xenonatom és egy másik részecske között), amely pontosan úgy zajlott le, ahogy azt a WIMP-ek esetében feltételezik.
Beszámolójuk szerint amit megfigyeltek, az egy WIMP és egy xenon-atommag ütközése volt. A folyamat során kis mennyiségű energia adódott át, ami egy halvány UV-fényfelvillanást okozott a detektorban. Az ütközés hatására a xenon atommagja kilendült a helyéről – ezt a jelenséget a fizikában nukleáris visszalökődésnek (nuclear recoil) nevezik.
„Csak egyetlen esemény”
Bár a kutatók szerint a kölcsönhatás pontosan a WIMP-ektől elvárt módon zajlott, óvatosságra intettek: a megfigyelés még nem éri el azt a statisztikai küszöböt, amely a sötét anyag hivatalos felfedezésének bejelentéséhez szükséges. „Fontos hangsúlyozni, hogy mivel ez csak egyetlen esemény, egyelőre nem állítjuk biztosra, hogy sötét anyagról van szó” – mondta Eriksen.
A kutatók most azon dolgoznak, hogy kizárjanak minden más lehetséges fizikai magyarázatot. „Lehet, hogy valami egészen rendkívüli dologgal van dolgunk, de kivételesen szigorúnak kell lennünk, mielőtt levonnánk ezt a végső következtetést” – tette hozzá Alvine Kamaha, az UCLA asztrofizikusa, a tanulmány társszerzője.
A tudósok egyelőre bizonytalanok a sötét anyag pontos természetét illetően, ahogyan a sötét energiának nevezett, az univerzum tágulását gyorsító rejtélyes kozmikus erő is csupa kérdőjel. „Másodpercenként több millió sötétanyag-részecske haladhat át a testünkön, mégsem lépnek szinte soha kölcsönhatásba egyetlen atommal sem bennünk” – érzékeltette a kutatás nehézségét Kamaha.
Az egyik vezető hipotézis szerint a sötét anyag egy olyan részecsketípusból áll, amely a korai univerzumban keletkezett, és a mai napig jelen van. „Amikor galaxisokat és galaxishalmazokat figyelünk meg, azt látjuk, hogy úgy viselkednek, mintha sokkal nagyobb tömeget tartalmaznának, mint amennyi az általunk látható, megfigyelhető anyag. Tehát bár magát a sötét anyagot nem láthatjuk, azt egyértelműen megfigyelhetjük, mit tesz a gravitációja a környezetével” – magyarázta az asztrofizikus.
„A sötét anyagra úgy is gondolhatunk, mint egy kozmikus ragasztóra, amely lehetővé tette a Tejútrendszerhez hasonló galaxisok kialakulását. Sötét anyag nélkül az univerzum nagyon másképp fejlődött volna, és a Naprendszerünk létrejöttéhez vezető struktúrák talán sosem alakultak volna ki” – tette hozzá Kamaha.
A tudósok jelenleg is többféle módszerrel keresik a sötét anyagot. „Tanulmányozzuk a galaxisokra és az univerzumra gyakorolt gravitációs hatásait. Megpróbálunk sötétanyag-részecskéket mesterségesen is előállítani a részecskegyorsítókban. Emellett pedig mélyen a föld alatt – a kozmikus sugaraktól és a háttérsugárzástól védve – olyan közvetlen detektálási kísérleteket végzünk, mint amilyen az LZ is, várva arra a rendkívül ritka alkalomra, amikor egy sötétanyag-részecske végre kölcsönhatásba lép a közönséges anyaggal” – összegzett a kutató – írta a Reuters.
