A sötét anyag axionokból áll?

A múlt héten, amikor egy olasz laboratórium tudósai bejelentették, hogy a detektorukban megjelenő váratlan jelek axionok néven régóta keresett szubatomi részecskékből származhatnak, kollégáik óvatosan optimisták voltak: a fizikában az új részecskék állítólagos észlelései gyakran elhalványulnak, amint a kutatók több adatot gyűjtenek. És vannak más, prózaibb magyarázatok is a jelenségekre. Ezzel szemben az axionok létezésére vonatkozó elméleti érvek sok fizikus számára meggyőzőek. A hipotetikus részecskék pedig a sötét anyag, a rejtélyes anyag, amely az anyagi világegyetem nagy részét alkotja, egyik vezető jelöltje. Az axionok létezésének megerősítése áttörést jelentene a részecskefizikában – és olyan felfedezést, amely messzemenő hatással lenne az univerzum összetételének és történetének megértésére.

Az axionok története az 1970-es években kezdődött, amikor a fizikusok a Standard Modell – az ismert részecskéket és kölcsönhatásaikat leíró keretrendszer – kidolgozásakor észrevettek valami furcsát az erős magerővel kapcsolatban, amely a kvarkokat köti össze az atommagokban lévő protonokat és neutronokat alkotva. Ez az erő valahogy úgy szabályozza a neutronok szerkezetét, hogy azok tökéletesen szimmetrikusak legyenek. Másképpen fogalmazva, bár a neutron semleges, a benne lévő kvarkok töltést hordoznak – és ismeretlen okokból ez a töltés hihetetlenül egyenletesen oszlik el (a legújabb mérések szerint legalábbis egy a milliárdból egy részen belül). A részecskefizika nyelvén a neutronról azt mondják, hogy töltés-paritás (CP) szimmetriával rendelkezik: ha minden töltését pozitívról negatívra fordítanánk, miközben a viselkedését tükörben is néznénk, nem lenne észrevehető hatása. A kérdés, hogy a részecske miért rendelkezik ezzel az elrendezéssel, az “erős CP-probléma” néven vált ismertté.”

Majd 1977-ben Helen Quinn és a néhai Roberto Peccei, akik akkoriban mindketten a Stanford Egyetemen dolgoztak, megoldást javasoltak: talán létezik egy addig ismeretlen mező, amely áthatja az egész teret, és elnyomja a neutron aszimmetriáját. Később Frank Wilczek és Steven Weinberg elméleti fizikusok arra a következtetésre jutottak, hogy ha a Standard Modellt úgy módosítanák, hogy lehetővé tegye egy ilyen mező létezését, az egy új, axionnak nevezett részecske létezését jelentené. (Wilczek egy mosószer márkáról kapta az elnevezés ötletét.) Az axionnak nem lenne kvantummechanikai “spinje”, így bozon lenne. Tömege, bár nem nulla, hihetetlenül kicsi lenne.

Az axionok eltűnően apró tömegük ellenére olyan nagy számban léteznének, hogy a fizikusok hamarosan rájöttek, hogy az univerzumból “hiányzó” tömeg nagy részét ezekkel lehetne magyarázni: Az 1930-as évekre visszanyúló csillagászati megfigyelések szerint a látható anyag – galaxisok, csillagok, bolygók és így tovább – a kozmosz teljes tömegének kevesebb mint egyhatodát teszi ki, a többit a sötét anyag teszi ki. Ennek a sötét anyagnak a természete azóta is heves viták tárgya.

“Az axion valójában nagyon jó sötétanyag-jelölt” – mondja Peter Graham a Stanfordról. Túl azon a várakozáson, hogy a kozmosz el lenne árasztva a részecskékkel, az axionok természetesen “sötétek” lennének, ami azt jelenti, hogy alig lépnének kölcsönhatásba a közönséges anyaggal. “Az univerzum szeret axionokat termelni”, mondja Graham, “és úgy szereti őket termelni, hogy úgy viselkedjenek, mint a hideg sötét anyag, amiről tudjuk, hogy létezik.”

A “hideg” egy fontos kikötés: Az axionok, amelyeket a kutatók állítólag az olaszországi Gran Sasso Nemzeti Laboratóriumban a XENON1T kísérlettel észleltek, valószínűleg a Napunk belsejében keletkeztek. Nagy energiájúak lennének, és így valószínűtlen, hogy sötét anyagkomponensek lennének. A sötét anyag axionoknak lassan mozgónak vagy hidegnek kellene lenniük, így össze tudnának halmozódni, hogy gravitációsan irányítsák a galaxisok fejlődését – ahogyan azt a sötét anyagról feltételezik. Az elméletalkotók azt gyanítják, hogy ilyen axionok a korai világegyetemben keletkezhettek. Sőt, mivel a hideg axionok keletkezését feltételező folyamatok kapcsolatban állhatnak az univerzum korai növekedési lendületével – az inflációnak nevezett rendkívüli méretnövekedéssel -, e megfoghatatlan részecskék megtalálása és további tanulmányozása segíthet a fizikusoknak megérteni az ősrobbanást követő első pillanatokat. Bár az axionok felfedezése nem bizonyítaná, hogy az infláció megtörtént, Graham szerint értékes betekintést nyújtana a korszak fizikájába. “Számomra ez az izgalmas az axionokban” – teszi hozzá.

Mégis a tudósok óvatosan reagálnak – beleértve a XENON1T csapat tagjait is. Csak annyit tudnak biztosan, hogy meglepően sok elektron “visszacsapódását” látták a kísérlet szívét képező hatalmas, folyékony xenont tartalmazó üstben. Hogy mi késztette az elektronokat ugrásra, arról még lehet vitatkozni. Ha a neutrínóknak nevezett szubatomi részecskéknek előre nem látható mágneses tulajdonságaik vannak, akkor ez az elrendeződés magyarázatot adhat a megfigyelt eredményekre. Vagy a magyarázat lehet evilágibb is: a xenon pusztán tríciummal lehetett szennyezett – a hidrogén nehezebb formájával, amelynek természetes sugárzása zavarhatta a XENON1T-nél észlelt jelet. Ráadásul az anomális jelhez tartozó megbízhatósági szint csak “3,5 szigma” – ami azt jelenti, hogy 5000-ből egy az 5000-hez az esélye annak, hogy a “jel” valójában csak zaj, inkább statisztikai ingadozások, mint valódi új fizika eredménye. Ez az esély jól hangzik, de jóval alacsonyabb, mint a részecskefizikában hagyományosan a jogos felfedezésekhez kapcsolódó egy a 3,5 millióhoz, azaz “öt szigma” standard.

A XENON1T kutatói a további adatok felhalmozásán és a kísérletük korszerűsítésén túl a látszólagos jelben bekövetkező éves változásokra fognak figyelni. A napaxionok miatt ennek a jelnek ingadoznia kellene, ahogy a Föld kering a Nap körül. Eközben megerősítő bizonyítékokat hozhat a Washingtoni Egyetemen működő Axion Dark Matter Experiment (ADMX) vagy a CAST (CERN Axion Solar Telescope) nevű kísérlet a Genf melletti CERN-ben. Az ADMX-nek már sikerült új korlátokat állítania az axion tömegére vonatkozóan, a CAST pedig 2003 óta vadászik napelemes axionokra.

Ha az axionokról kiderül, hogy léteznek, az “az elméleti fizika diadala lenne – hogy ilyen esztétikai érveket hoztunk fel, és a természet azt mondja: “Igen, így van”” – mondja Wilczek, aki a Massachusetts Institute of Technology-n dolgozik, és 2004-ben az erős magerővel kapcsolatos elméleti munkájáért a fizikai Nobel-díj egyik kitüntetettje volt. Szerinte az axionok létezése a Standard Modellen túli új fizikára utalna, amit ő és kollégái már évtizedek óta várnak. Wilczek szerint újfajta antennákat lehetne építeni a korai univerzumban keletkezett axionok keresésére. Ha ezeket az axionokat sikeresen meg lehet mérni, az “új fejezetet nyitna a csillagászatban”, teszi hozzá, mert a részecskék viselkedése fényt deríthetne a galaxisok kialakulására és “talán más meglepő dolgokra is.”

Míg az ilyen fejlesztések valószínűleg Nobel-díjat érnének, Wilczek nem csinál helyet a polcán egy második éremnek. De ha egy újabb Nobel-díj kerülne az útjába, azt mondja, “nem utasítaná vissza”

.