A fizika Szent Grálját kutatják – Talán rábukkantak a sötét anyag nyomára

Harmincnégy nap alatt az eddig a legérzékenyebb méréseket tudták elvégezni a sötét anyag után kutatva.

A fizikának vannak Szent Gráljai. Ezek olyan jelenségek, amelyek léte az elméleti számítások alapján nagyon valószínű (sőt egyes esetekben szükségszerű), de ahhoz, hogy teljes bizonyossággal kijelenthető legyen, hogy valóban léteznek, közvetlenül is ki kell mutatni őket. Ilyenek voltak régebben a fekete lyukak vagy a legutóbbi időkig a gravitációs hullámok. Ezek már „megvannak”, a laikus, egyenletekben nem bízó ember számára is „fel vannak már fedezve”. Maradt azonban még néhány, egyelőre rejtőző kincs.

A legfontosabb közülük egyértelműen az úgynevezett sötét anyag, amely az univerzum tömegének öthatodát adja. Dacára annak, hogy a látható anyagnál sokkal több van belőle, mindeddig nem sikerült közvetlenül érzékelnünk. Ennek oka, hogy a hagyományos mérési módszereink a látható anyagra lettek kitalálva (ami nem is csoda, hiszen ezek világában élünk mindannyian). A sötét anyagot alkotó részecskék azonban olyan gyenge energiájú kölcsönhatásokba lépnek a látható anyag alkotóelemeivel, hogy ezt eddigi berendezéseink képtelenek voltak érzékelni.

De talán most egy számos országot összefogó tudományos konzorcium tudósai a Zürichi Egyetem és a heidelbergi Magfizikai Max Planck Intézet munkatársainak vezetésével áttörést értek el. Üzembe helyezték ugyanis az olaszországi Gran Sassó-i Nemzeti Laboratórium föld alatti, bunkerszerű termeiben felépített Xenon–1T detektort, amely az intézet honlapján publikált közlemény szerint máris soha nem tapasztalt „csendet” ért el. A csend központi fontosságú a sötét anyag utáni hajszában. Persze itt nem a köznapi értelemben vett, hangoktól mentes csendre kell gondolni, hanem a fizikai méréseket zavaró sugárzástól való mentességre.

A sötét anyag mindeddig kibújt a fizikusok szorításából, bár létét bizonyosságnak tekinthetjük, mert sok közvetett csillagászati mérés eredménye sötét anyag nélkül megmagyarázhatatlan lenne. Így ők egyre nagyobb, egyre mélyebbre helyezett, összességében egyre érzékenyebb detektorokat építettek. Ezek közé tartozott a Xenon-kollaboráció korábbi, Xenon–100 elnevezésű műszere is, de a most elkészült Xenon–1T teljesen más ligában focizik.

– Az eddigi legjobb sötétanyag-eredmények. És még csak most indultunk! – írták a tudósok diadalmasan közleményük első sorában. Magát a Xenon–1T-t (amely nevét onnan kapta, hogy a detektort cseppfolyósított xenongáz veszi körül) tavaly ősszel indították el, és először egy 34 napos próbamérést végeztek el a segítségével. E kutatás eredményeit hozta nyilvánosságra a minap a 136 tudós közreműködésével létrehozott Xenon-konzorcium, amelyben amerikai, német, olasz, svájci, izraeli, portugál, francia, holland, svéd és egyesült arab emírségekbeli kutatók vesznek részt.

Maga a detektor kívülről egy három emelet magas, hengeres fémtartálynak tűnik. A tartályt szupertiszta víz tölti meg, ez biztosítja a középen elhelyezkedő mérőműszer külső árnyékolását. Ezen belül van a mínusz 95 Celsius-fokos xenonnal körülvett érzékelő.

A detektort rejtő terem fölött magasodó hegy (a kamra 3600 méterrel a felszín alatt helyezkedik el) a kozmikus sugárzástól árnyékolja a műszert, de ez önmagában nem elég. A mérést ugyanis hátráltatja, sőt akár lehetetlenné is teheti a radioaktív sugárzás, amely természetes módon minden anyag sajátja kisebb-nagyobb mértékben. Ezt igyekszik kiszűrni (pontosabban a lehető legkisebb intenzitásra csökkenteni) a többszörös árnyékolás. A műszer a folyékony xenon részecskéi között fellépő kölcsönhatások eredményeképp létrejövő apró fényfelvillanásokat detektálja. Ezek pozíciójából és energiaadataiból próbálnak rájönni a tudósok arra, hogy a sötét anyag részecskéi váltották-e ki őket.

A tartály kéttonnányi folyékony xenonnal van megtöltve. Az elmélet szerint akkor érzékelhetők fényfelvillanások a xenonban, amikor a sötét anyagot alkotó (egyelőre hipotetikusan létező) úgynevezett gyengén kölcsönható nagy tömegű részecskék (weakly interacting massive particle, WIMP) kölcsönhatásba lépnek vele. Az eddigi kutatások nem találtak bizonyítékot a WIMP-ek (és így a sötét anyag) létezésére, de természetesen alapot biztosítottak a még célzottabb, még érzékenyebb mérések megtervezéséhez. Eddig a Xenon–1T-kísérlet sem vetetett eredményre, de ez korántsem meglepő.

– A WIMP-ek nem bukkantak föl a Xenon–1T első mérései közben, de nem is vártuk őket ilyen hamar – nyilatkozta Elena Aprile, az egyik kutató.

Hogy mekkora szerencse kell a sötét anyag felfedezéséhez, azt a Gizmodo portál egyik szerzőjének hasonlata jól szemlélteti: „Ez olyan, mintha kitennénk egy tálat a kertbe, és várnánk, hogy beleessen egy meteor. Ha 34 nap múlva sem esett bele, attól még nem jelenthetjük ki, hogy meteorok nem léteznek.”

A tudósok egyelőre boldogok azzal, hogy a radioaktív sugárzást nagyságrendekkel az eddigi rekord alá tudták szorítani. Ez lehetővé teszi, hogy később valóban világraszóló felfedezéseket tegyenek a Xenon–1T-vel.

Csúcs a Gran Sasso mélyén

2014 októberében tizenöt napon át az ismert világegyetem leghidegebb pontja volt az olasz Nemzeti Nukleáris Fizikai Intézet Gran Sasso laboratóriuma. Az elképesztően alacsony hőmérséklet egy elképesztően ritka radioaktív bomlási folyamat megfigyeléséhez szükséges. A kutatóintézetben az abszolút nullához közeli hőmérsékletre, 6 milli-Kelvin-fokra, azaz mínusz 273,144 Celsius-fokra hűtöttek le egy réztartályt, amelynek egy köbméter az űrtartalma és 400 kilogramm a tömege. Ez az első kísérlet, amelynek során egy ilyen tömegű anyagot ilyen hosszú ideig sikerült az abszolút nullához közeli hőmérsékleten tartani. (MTI)