Az évszázad fizikai felfedezése Debrecenben?

Úgy tűnik, magyar kutatók megtalálták a természet ötödik alapvető kölcsönhatását. Véletlenül.

Négy elemi kölcsönhatás irányítja az univerzumot: a gravitáció, az elektromágnesesség, illetve az atomokat összetartó erős és gyenge kölcsönhatások. Ezek működését az általunk érzékelhető világot leíró úgynevezett standard modell meglehetősen jól kezeli, ugyanakkor a modellnek van egy elég jelentős gyengesége. Az univerzum tömegének legalább nyolcvan százalékát adó sötét anyagot nem képes leírni. Azért hívják sötétnek, mert nem rendelkezünk olyan vizsgálati módszerrel, amellyel érzékelni tudnánk jelenlétét, meg tudnánk mérni tulajdonságait. Ugyanakkor szinte biztos, hogy létezik, másképpen ugyanis érthetetlen lenne a galaxisok mozgása és az univerzum tágulásának mikéntje.

Ezért számos fizikus felvetette egy eddig ismeretlen ötödik alapvető kölcsönhatás létezésének a lehetőségét, amelynek energiáját esetleg az elektromágnesesség energiáját hordozó fotonok analógiájaként sötét fotonnak elnevezett részecskék tartalmaznák. De ez, csakúgy mint maga az ötödik erő, eddig csupán elméletben létezett. Matematikai modellek formájában hasznosnak bizonyultak a részecskefizikai egyenletek megoldására, de kísérlet nem bizonyította valóságosságukat.

A debreceni Magyar Tudományos Akadémia Atommagkutató Intézet Krasznahorkay Attila vezette kutatócsoportja e sötét foton jelenléte után kutatott a Nature tudományos folyóirat beszámolója szerint, amikor az intézet elektron-pozitron spektrométerében hetes tömegszámú lítiummintákat bombáztak protonokkal. A besugárzás hatására a lítiumatommag nyolcas tömegszámú, rendkívül instabil berilliummá alakult, amely kisvártatva tovább-bomlott, elektron-pozitron párokat kisugározva magából.

Ebben még semmi meglepő nem volt. Amint azonban változtatni kezdték a besugárzás szögét, egy elsőre – és sokadikra is – műterméknek tűnő eredményt kaptak. A standard modell jóslatai szerint ugyanis a besugárzási szög emelkedésével csökkenniük kellett volna a kisugárzott elektron-pozitron párok számának. Ez egy ideig csökkent is, de 140 foknál hirtelen újra megemelkedett. Ez nem várt csúcsot képzett a grafikonon, majd nagyobb szögeknél újra visszaesett a kiszabadult elemi részecskék száma.

A kutatók szerint az elmúlt három évben rengetegszer lefuttatták a kísérletet, próbáltak minden lehetséges hibát kiküszöbölni, és mindannyiszor megjelent ez a csúcs a grafikonon. Mára teljesen biztosak benne, hogy „van ott valami”, a tévedés esélye egy a kétszázmilliárdhoz, tehát gyakorlatilag kizárt. A tavaly az interneten, majd idén a Physical Review Letters szakfolyóiratban publikált tanulmányuk szerint a berillium egy új, eddig ismeretlen részecske formájában adja le energiáját, majd ez a részecske bomlik el elektronra és pozitronra. Ki is számolták, hogy mekkora lehet e felfedezett részecske tömege és energiája. Eszerint igen kicsi lehet, tömege alig 34-szer nagyobb az elektronénál, energiája pedig 17 megaelektronvolt.

Mindez tehát már tavaly megjelent egy rangos fizikai lapban, de sok vizet nem zavart. Egészen addig, míg az Irvine-i Kaliforniai Egyetem – a nemzetközi tudományos közösségben láthatóan sokkal komolyabban vett – tudósai egy hónappal ezelőtt ugyancsak a fizikai tanulmányok gyors közzétételét szolgáló Arxiv szerveren publikálták a saját számításaik eredményét. Ebben a cikkben alaposabb vizsgálatnak vetették alá a magyar eredményeket, s minden tekintetben pontosnak találták őket. „Előhoztuk a magyarok felfedezését a viszonylagos ismeretlenségből” – nyilatkozta a saját szerepükről a Nature-nek a vezető kaliforniai kutató, Jonathan Feng. Néhány nappal később még konferenciát is összehívtak a felfedezés megvitatására, tehát igen komolyan vették az eredményeket. A találkozón részt vevő fizikusok, bár szkeptikusak voltak a felfedezést illetően, a beszámolók szerint jelentős izgalomba jöttek, és egymást érték a kísérleti ötletek, amelyek segítségével igazolni vagy cáfolni lehetne a hipotézist.

Az izgalom oka az, hogy a végkövetkeztetés kérdésében az amerikaiak nem értenek egyet a debreceni fizikusokkal. Szerintük ugyanis amit a magyarok találtak, az nem a sötét foton, hanem az úgynevezett fotofóbikus X bozon, egy másik, eddig csak elméleti síkon létező elemi részecske. Márpedig ez a részecske egy rendkívül rövid – az atommag átmérőjénél csak néhányszor nagyobb – hatótávú erőt hordozhat, amely különbözik minden eddig ismert alapvető kölcsönhatástól. Ez a bozon az elektronokhoz és a neutronokhoz kapcsolódhat. Feng és munkatársai jelenleg is keresik a jelenség egyéb magyarázatait, de eddig úgy tűnik, hogy ez az új bozon – és az új erő – a „legkézenfekvőbb magyarázat”.

Még semmi sem dőlt el, a Nature által megkérdezett, személyesen nem érintett tudósok leginkább szkepszisüket, de folyamatos figyelmüket hangsúlyozták. A bizonyítékra talán már egy évet sem kell várni. A világ legjelentősebb részecskefizikai laboratóriumai, az amerikai Thomas Jefferson Nemzeti Részecskegyorsító Központ, a CERN Genf melletti Nagy Hadronütköztetője, a Róma mellett Frascatiban működő Nemzeti Atomfizikai Intézet, illetve a szibériai Novoszibirszkben fagyoskodó Budker Magfizikai Intézet mind ráugrottak az új részecske vadászatára.

A talán történelmi felfedezés vezető kutatója, Krasznahorkay Attila, az MTA Atommagkutató Intézet főosztályvezetője válaszolt lapunk kérdéseire.

– A hírek szerint nem e felfedezés volt a kísérleteik eredeti célja. Pontosan milyen kérdés megválaszolására kezdtek vizsgálódni?
– A kísérleteink célja egy, az irodalomban korábban megfigyelt anomália, egy belső párkeltési folyamat vizsgálata volt, amely egy ismeretlen könnyű részecske bomlására utalhatott. Az atommag nagy energiás gerjesztett állapotaiból rendszerint gammasugárzás kibocsátásával tud alapállapotba kerülni. Előfordulhat azonban az is, hogy az atommagban egy elektron-pozitron pár keletkezik, és ezek viszik el a rendelkezésükre álló energiát. Ezt a folyamatot nevezzük belső párkeltésnek. A folyamatban megfigyelhető mennyiségeket, például a két részecske egymáshoz viszonyított szögét a kvantum-elektrodinamika segítségével pontosan értelmezni lehet. A legnagyobb valószínűséggel ezek a részecskék egymáshoz képest kis szögben lépnek ki. A relatív szögük növekedésével a kilépési valószínűségük rohamosan csökken. A kísérletek során azonban találtak olyan eseteket is, amikor ez a kilépési valószínűség lassabban csökkent, mint várható volt. A jelenséget a szerzők egy új részecske keletkezésével és elbomlásával magyarázták. Ezeket a kísérleti adatokat szerettük volna ellenőrizni.

– Mi alapján tervezték meg a kísérletet?
– Az esetleges új részecske kimutatására vonatkozó kísérletünk alapelve a következő volt. Egy kis tömegű, semleges, rövid élettartamú részecske elektron-pozitron párra való bomlását vizsgáljuk nagy energiás atommagátmenetben. Nyugvó részecske esetén, az energia és az impulzus megmaradása miatt, az elbomló részecskéből keletkező elektron-pozitron pontosan egymással ellentétes irányban fog kirepülni. Ha az elbomló részecske mozog, akkor a sebességek összeadásának megfelelően a kilépő részecskék közötti szög is megváltozik. Minél nagyobb sebességgel mozog a részecske, annál kisebb szögben fog az elektron-pozitron pár egymáshoz képest mozogni. Így az elektron és pozitron mozgásiránya által bezárt szögben – a szögkorrelációjukban – egy adott szögnél éles maximum várható. Ez alapján ha a részecske jól meghatározott energiájú magátmenetben keletkezett, a tömege egyértelműen meghatározható.

– Hogyan dőlt el, hogy nem új részecske, hanem új kölcsönhatás áll az eredmények hátterében? Ez meglepte önöket?
– Az eredmények hátterében változatlanul egy új részecske áll. Ez a részecske közvetíthet egy új kölcsönhatást, hasonlóan ahhoz, ahogy a foton közvetíti az elektromágneses kölcsönhatást a töltött részek között, vagy a feltételezett sötét foton a sötét anyag részecskéi között, amelyek össztömege a világegyetemben ötször nagyobb, mint a látható anyagé. Az elmúlt években a sötét fotonra nagyon sok elméleti előrejelzést tettek. A kísérleteink célja ennek a sötét fotonnak a kísérleti kimutatása volt.

– A fizika alapproblémája, hogy a klasszikusan négy alapvető erőt egy elméletben egyesítse. Hogy változik meg ez a probléma, hogy most már öt ilyen erő van?
– Ez a probléma továbbra is fenn fog maradni. Az új kölcsönhatás megismerésével viszont megnyílik a lehetőségünk egy új világ megismeréséhez, amely itt van körülöttünk, de nem érzékeljük, nem veszünk róla tudomást. Pedig nagyon fontos lenne a megismerése, mivel – bár nagyon gyengén – kölcsönhatásban áll a látható világunkkal.

– E felfedezés milyen hatást fog gyakorolni a fizikai világképünkre?
– Jelenleg nagyon nehéz megjósolni. Mindenesetre eléggé nyugtalanító, hogy a látható anyagi világ, amelyet jelenleg már többé-kevésbé ismerünk, az univerzum tömegének csak öt százalékát alkotja. A maradék kilencvenöt százalékról, amely sötét anyagból és sötét energiából áll, szinte semmit sem tudunk. A fizikai törvényeink ugyanis csak az előbbi öt százalékra vonatkoznak. Ki tudja, milyen törvények érvényesek a maradék kilencvenöt százalékra? Semmi kétségem sincs afelől, hogy a természet még nagyon sok meglepetést tartogathat számunkra

– Merre tovább?
– Az atommag mint egy nagyon speciális femtolaboratórium tartalmazza az összes eddig ismert kölcsönhatást, sőt valószínűleg az eddig ismeretlen ötödik kölcsönhatást is. Ez lehetőséget ad arra, hogy teljesen új felfedezéseket tegyünk. Azonban ha pontosabban meg akarunk ismerni egy új részecskét, akkor tisztább körülmények között kell előállítani. Például elektronok és pozitronok ütköztetésével, vagy meg kell figyelni az elektron-pozitron párok megjelenését a különböző, nagyobb tömegű részecskék bomlástermékei között. E módszerek segítségével feltérképezhetjük, hogy az új részecskénk a már ismert részecskékkel milyen kölcsönhatásban van. Így következtethetünk annak természetére, hogy valójában mit is fedeztünk fel: a sötét fotont vagy valamilyen más, az ötödik kölcsönhatást közvetítő részecskét.