Debreceni kutatók a sötétanyag nyomában

Rövidesen beindítják az Európai Atommag- és Részecskefizikai Központban, a CERN-ben, a világ legnagyobb gyorsítóját, a nagy hadronütköztetőt, az LHC-t. A CERN leendő igazgatója, Rolf Dieter Heuer nemrég a debreceni Atomkiben előadást tartott a részecskefizika jövőjéről.

Az LHC kutatásainak egyik fő célja az anyag felépítésére vonatkozó úgynevezett Standard Modell utolsó építőkövének, a Higgs-bozonnak, a megtalálása. Miközben ezt az utolsó építőkövet keresik, a kutatók már tudják, hogy a jelenleg ismert anyagi világunk az Univerzum tömegének mindössze csak az 5 %-át alkotja.

A maradék 95 %, amit sötétanyagnak és sötét energiának neveznek, még felfedezésre vár, mondta Dr. Heuer. Az új felfedezések valószínűleg a jelenlegi fizikai képünk teljes átalakulásához fognak vezetni.

Előadása után nagy érdeklődéssel fogadta az Atomki-ben elindított új kutatások eredményeit, amik olyan részecskék megfigyelését tűzték ki célul, amik a sötétanyag megsemmisülésekor keletkezhetnek, és jól ismert elektron-pozitron párra bomlanak. Ezek a részecskék mintegy „anyagi kaput” jelenthetnek az általunk ismert anyagi világ és a „sötét világ” között.

A sötét anyagról Dr. Krasznahorkay Attilát, a Kísérleti Magfizikai Osztály vezetőjét, a kutatások debreceni elindítóját kérdeztük.

Ma már általánosan elfogadott tény, hogy az általunk ismert anyagfajtákon túl a világegyetem nagy részét egy számunkra ismeretlen un. sötétanyag és sötét energia teszi ki. Ez a számunkra láthatatlan és érzékelhetetlen valami csak nagyon gyengén hat kölcsön a mi anyagi világunkkal, attól csaknem függetlenül létezhet, körülöttünk és akár bennünk is. Első hallásra hátborzongató lehetőség.

Egy kicsit talán hasonlít a szituáció a 100 évvel ezelőttire, amikor a radioaktív sugárzásokat felfedezték. Érzékszerveink számára azok is „láthatatlanok voltak”. Egyelőre csak annyit tudunk biztosan, hogy a sötétanyag és sötét energia nélkül a galaxisok és a világegyetem teljesen másképpen mozogna, mint ami a csillagászok megfigyeléseiből következik.

A tudomány történetében óriási jelentősége volt annak, amikor Newton felismerte, hogy a leeső almára ugyanaz a gravitációs erő hat, mint ami a Naprendszerünk bolygóit is összetartja. Ezen erők ismeretében a bolygók mozgása pontosan kiszámítható volt. Mi történt az óta?

A jelenlegi nagyon pontos csillagászati megfigyelések elemzésével arra a következtetésre jutottak a kutatók, hogy a távoli galaxisok csillagainak mozgását, azok sebességeit egyáltalán nem tudják értelmezni a mai ismereteinkkel. Szintén értelmezhetetlen jelenleg a világegyetem kísérletileg megfigyelt tágulása is. Ezek értelmezésére vezették be a sötétanyag és sötét energia fogalmát. Földi laboratóriumainkban azonban eddig még semmi jelét sem találtuk ezeknek, habár az utóbbi években több laboratóriumot is kiépítettek a vizsgálatokra. A világ legnagyobb laboratóriumában, a CERN-ben, egyedülálló lehetőségek nyílnak ezen egzotikus anyagfajták vizsgálatára is.

Vannak elméleti előrejelzések is ezen új anyagfajtára?

A Standard Modell szerint az anyag legalapvetőbb építőköveit két csoportba lehet sorolni. Az egyikbe magukat az elemi részecskéket (fermionokat), a másikba a kölcsönhatásokat közvetítő részecskéket (bozonokat) sorolják.

A részecskefizika úgynevezett szuperszimmetrikus (SUSY) modellje megduplázhatja a jelenleg ismert részecskék számát azzal, hogy minden fermionhoz egy új bozont, és minden bozonhoz egy új fermiont jósol. Ez több ezer új részecskét jelent, amiből jelenleg még egyet sem ismerünk.

Debrecenben milyen új részecskéket keresnek?

Sci-fi történeteket gyakran hallunk egy fajta időkapukról, amik segítségével különböző korokba juthatnak el a főhősök. Mi, itt, a debreceni Atommagkutató Intézet Kísérleti Magfizikai Laboratóriumában egy „anyagkaput” szeretnénk kimutatni az általunk ismert anyag és a sötét anyag között.

Ez a kapu egy eddig még ismeretlen részecske, egy kis tömegű bozon felfedezése lehetne, ami a sötétanyag- sötét antianyag megsemmisülésekor keletkezik, majd nagyon rövid idő alatt elektron-pozitron párra bomlik.

Feltételezésünk szerint ilyen részecske, kis valószínűséggel ugyan, de az atommagok átalakulásakor is keletkezhet, majd elektron-pozitron párra bomolhat. Kísérleteink célja ezen elektron-pozitron párok kimutatása, és segítségükkel a részecske tömegének és egyéb jellemző tulajdonságának meghatározása.

Az elektron-pozitron pár kimutatására, relatív szögének pontos mérésére több spektrométert is építettünk, ezek közül látható egy mögöttem.

Egy Debrecenben épített kis Van de Graaff típusú részecskegyorsító segítségével protonokat gyorsítunk, amik ebben a csőben, vákuumban jutnak el a Li-ból készített céltárgyunkig.

Ott magreakciót hoznak létre, aminek eredményeképpen nagyenergiás gamma sugárzások keletkeznek. Ez az energia azonban elegendő ahhoz is, hogy az általunk keresett bozon létrejöjjön, majd elektron-pozitron párra bomoljon. A keletkezett részecskék a vákuumból egy vékony falú szénszálas cső falán keresztül juthatnak ki.

Áthaladási helyüket Debrecenben épített helyzet érzékeny detektorokkal határozzuk meg. A részecskék azonosítására és energiájának mérésére pedig ezeket a speciális detektor teleszkópokat használjuk.

A detektorok által szolgáltatott elektromos jeleket számítógépek segítségével analizáljuk. Az egyszerre detektált elektronok és pozitronok becsapódási helyeinek ismeretében kiszámítjuk az általuk bezárt szöget, és ebből következtetünk az új részecskére.

Méréseink alapján kb. minden 100000 gamma sugárzás után keletkezhet egy új részecske. Nagyon fontos ezért, hogy a gamma-sugárzások zavaró hatását csökkentsük. Az elektronokat és a pozitronokat erős mágneses terekkel eltéríthetjük, míg a gamma sugárzásokra ezek a terek nem hatnak. Ilyen módon különböző mágneses spektrométereket is használunk ezen részecskék kimutatására. Erre láthatunk itt egy példát.

Ezt a spektrométert nemrég Hollandiából szállítottuk Debrecenbe, és itt Európai uniós források segítségével tervezzük átépíteni olyan módon, hogy az általunk keresett bozon kimutatására alkalmas legyen.

Az általunk ismert anyag és a sötétanyag kapcsolata szempontjából nagy jelentőséggel bírnak a Debrecenben végzett és végzendő kísérletek, amiknek támogatására nemcsak hazai, hanem Európai Uniós támogatásokat is felhasználnak. Ezen kísérletek a CERN igazgatójának érdeklődését is felkeltették, s azok folytatására biztatta a debreceni kutatókat.

Szilágyi Szabolcs