Iratkozzon fel hírlevelünkre 
Itt állíthatja be, hogy a Google keresőben elsők között legyen az Origo.huA LUX-ZEPLIN kísérlet során egy különleges részecskekölcsönhatást rögzítettek, amelyet egyelőre nem tudnak ismert folyamatokkal megmagyarázni. Bár az esemény akár a sötét anyaghoz is kapcsolódhat, a statisztikai adatok még nem elegendőek a felfedezés bejelentéséhez.
A LUX-ZEPLIN (LZ) kísérlet kutatói a 2023 márciusa és 2024 áprilisa közötti adatokban egyetlen rendhagyó eseményre bukkantak. A jel épp ott jelentkezett, ahol a sötét anyag jelenlétére számítanak, és nagyon ritkák az ismert zavaró tényezők. Ez az LZ eddigi legígéretesebb eredménye, de önmagában még nem bizonyítja a sötét anyag észlelését.
Fotó: MARK GARLICK/SCIENCE PHOTO LIBRA / MGA
A sötét anyag nyomában: egyetlen esemény keltette fel a figyelmet
Az LZ egy hatalmas nemzetközi együttműködés, amely 39 intézmény 250 tudósát és mérnökét fogja össze. A detektor az Egyesült Államokban, egy dél-dakotai föld alatti kutatóközpontban működik, 1,6 kilométeres mélységben. A kísérlet során 10 tonna ultratiszta folyékony xenonnal keresik a WIMP-eket, amelyek gyengén kölcsönható, nagy tömegű részecskék. A tudósok úgy vélik, hogy ezekből állhat a sötét anyag.
„Egyetlen esemény alapján nem vonunk le elhamarkodott következtetéseket. Nem állítjuk, hogy észleltük a sötét anyagot. Találtunk azonban valami érdekeset, és erről szeretnénk kikérni a tudományos közösség véleményét”
– nyilatkozta Rick Gaitskell, az LZ szóvivője és a Brown Egyetem professzora.
A szakemberek 220 napnyi mérési adatot vizsgáltak. Korábban csak a WIMP-ek legegyszerűbb nyomait keresték az adatokban, az új elemzés viszont már a kölcsönhatások szélesebb körére is kiterjedt. Ide tartoznak azok az események, amelyek nagyobb energiát adnak le a detektorban.
Sam Eriksen, a tanulmány vezető szerzője szerint a hónapokig tartó precíz elemzéseknek köszönhetően már tökéletesen ismerik a berendezést és a háttérfolyamatokat, így egyetlen furcsa esemény is kiemelt figyelmet érdemel. A sötét anyag által kiváltott kölcsönhatások várhatóan nagyon ritkák, ezért már egy-két gyanús jel is hatalmas áttörést hozhat.
Mi a sötét anyag, és miért fontos?
Jelenlegi tudásunk szerint a sötét anyag nem nyel el, nem ver vissza és nem bocsát ki fényt, így távcsövekkel egyáltalán nem látható. A tömege és a gravitációs hatása azonban egyértelműen befolyásolja a csillagok és a galaxisok mozgását.
A becslések szerint a sötét anyag az univerzum teljes anyag- és energiatartalmának 27 százalékát adja. A csillagokat, bolygókat és élőlényeket felépítő közönséges anyag mindössze 5 százalékot tesz ki. Ha csak a megfogható tömeget nézzük, a sötét anyag a világmindenség anyagának 85 százalékát alkotja.
A fennmaradó részt nagyrészt a sötét energia teszi ki. Ezt nem szabad összetéveszteni a sötét anyaggal. A sötét anyag a gravitációjával építi a kozmikus rendszereket, a sötét energia viszont az univerzum gyorsuló tágulásáért felelős.
A sötét anyag jelentősége óriási, nélküle ugyanis nem lehetne megmagyarázni a galaxisok mozgását. Megismerése segíthet feltárni a világegyetem fejlődését, és a galaxisok kialakulását.
Mi utal a sötét anyag létezésére?
A sötét anyag létezésére először csillagászati megfigyelések utaltak. Fritz Zwicky 1933-ban a Coma-galaxishalmazt vizsgálta, és észrevette, hogy a halmaz galaxisai túl gyorsan mozognak. A látható anyag gravitációja nem lett volna elég az összetartásukhoz.
Később, az 1970-es években Vera Rubin a spirálgalaxisokat tanulmányozta. A galaxisok peremén lévő csillagok a vártnál sokkal gyorsabban mozogtak, de így sem repültek ki a csillagközi térbe. Ezt a jelenséget kizárólag egy hatalmas, láthatatlan tömeg jelenléte magyarázhatta meg.
A kutatók később az úgynevezett gravitációs lencsehatást hívták segítségül. A hatalmas galaxisok gravitációja elhajlítja a mögöttük lévő égitestek fényét. Ebből a fénytörésből pontosan kiszámolható a térség tömegeloszlása, így a láthatatlan anyag is feltérképezhető. Ennek egyik legismertebb példája a Lövedék-halmaz. Itt két galaxishalmaz ütközött össze, a folyamat során pedig a látható forró gáz és a láthatatlan tömeg különvált egymástól. Ez a sötét anyag létezésének eddigi legtisztább bizonyítéka, bár részecskéket itt sem észleltek közvetlenül.
A modern csillagászati programok már óriási területeket vizsgálnak. Az Európai Űrügynökség Euclid űrtávcsöve több milliárd galaxist figyel meg. A fényük apró torzulásaiból a tudósok térképet készíthetnek a sötét anyag eloszlásáról.
Hogyan keresik a sötét anyag részecskéit?
A csillagászati mérések csak a sötét anyag gravitációs hatását mutatják meg; azt viszont nem tudjuk, hogy pontosan milyen részecskék alkotják. A WIMP csak egy lehetséges jelölt a sok közül. Eddig egyetlen ilyen részecskét sem sikerült kísérletileg igazolni.
- A közvetett vizsgálatok olyan különleges sugárzásokat keresnek, amelyek a feltételezett részecskék ütközésekor keletkezhetnek. A gond csak az, hogy ilyen jeleket hagyományos csillagászati források is kibocsáthatnak.
- A részecskegyorsítókban megpróbálják mesterségesen létrehozni a keresett részecskéket. Ha sikerülne is, azok azonnal, észrevétlenül távoznának a detektorokból, létezésüket csak a mérésekből hiányzó energia jelezné.
- A harmadik módszer a közvetlen észlelés. Ezek a kísérletek azt figyelik, hogy a sötét anyag vajon ütközik-e közönséges atommaggal. Pontosan ezt a ritka jelenséget keresi az LZ kísérlet is.
A föld alatti elhelyezkedés megóvja a berendezést a világűrből érkező kozmikus sugárzástól. A központi detektort emellett egy hatalmas víztartály és a külső érzékelők rendszere is védi, míg a hamis jeleket számítógépes programokkal szűrik ki.
Fotó: Greg Stewart, SLAC National Accelerator Laboratory
Még nem beszélhetünk a sötét anyag tényleges felfedezéséről
Ha a mostani jelet tényleg a sötét anyag okozta, akkor a WIMP részecske nagyon nehéz:
tömege több mint kétszázszorosa lenne egy protonénak.
Ez az eredmény egy teljesen újfajta kölcsönhatásra utalna a sötét és a közönséges anyag között.
Az LZ mérése a statisztikában 2,6 szigmás eredményt ért el, ami annyit jelent, hogy mindössze 0,5 százalék esély van a tévedésre.
A fizikában azonban sokkal szigorúbbak a szabályok: egy valódi felfedezés bejelentéséhez legalább 5 szigmás bizonyosság szükséges.
Aaron Manalaysay amerikai fizikus szerint a szigorú ellenőrzések alapján a jel valódinak tűnik, a kutatók mégis óvatosak: elképzelhetőnek tartják, hogy csak egy ritka, eddig ismeretlen háttérfolyamatot észleltek.
Az adatgyűjtés természetesen folytatódik, így az újabb mérések döntik majd el a felfedezés sorsát. A kutatók addig is csupán egy izgalmas nyomként, nem pedig a sötét anyag egyértelmű bizonyítékaként tekintenek a mostani eseményre.
Az LZ-detektor működési elve egyszerű. Ha egy WIMP és egy xenonatommag ütközik, apró fényfelvillanás kíséretében elektronok szabadulnak fel. Az elektromos tér az elektronokat felfelé sodorja, így egy második villanás is létrejön. A fényeket a detektorkamra aljára és tetejére telepített speciális érzékelők észlelik.