mondhatnánk, hogy semmi, persze nem tehetjük, mert ez egy tudományos oldal…
Évtizedek óta keressük az univerzum egyik legrejtélyesebb összetevőjét, amelynek gravitációs hatását a galaxisok mozgásában és a világegyetem szerkezetében is megfigyelhetjük, de magát az anyagot mindeddig egyetlen kísérlet sem tudta közvetlenül kimutatni. Mi történik akkor, ha a következő évtizedekben sem járunk sikerrel? Lehetséges, hogy rossz helyen keressük, vagy a gravitációról alkotott elképzeléseinket kell újragondolnunk?
A modern kozmológia egyik legnagyobb problémája, hogy az univerzum anyagának túlnyomó részét nem ismerjük. A csillagok, bolygók, csillagközi gázfelhők, fekete lyukak és minden olyan anyag, amelyből mi magunk is felépülünk, a világegyetem teljes energia- és anyagtartalmának mindössze körülbelül öt százalékát képviselik. A fennmaradó rész nagyjából 27 százaléka a sötét anyagnak nevezett összetevő, 68 százaléka pedig a sötét energia, amelyet a világegyetem gyorsuló tágulásának magyarázatára vezettek be.
A sötét anyag elnevezése trükkös, mert nem egyszerűen olyan anyagról beszélünk, amely nem bocsát ki látható fényt. A jelenlegi elképzelések szerint olyan összetevőről van szó, amely elektromágneses kölcsönhatás révén alig vagy egyáltalán nem lép kapcsolatba a közönséges anyaggal, miközben gravitációs hatása jelentős. Nem világít, nem veri vissza a fényt, és a megszokott csillagászati műszerekkel nem figyelhető meg közvetlenül.
Létezésére mégis több, egymástól független megfigyelés utal, és ezek együttesen olyan meggyőző bizonyítékrendszert alkotnak, hogy a sötét anyag a modern kozmológia standard modelljének egyik alapvető összetevőjévé vált.
Csakhogy van egy komoly probléma: eddig még senki sem mutatta ki közvetlenül, hogy pontosan milyen részecske vagy fizikai jelenség áll a sötét anyag mögött.
Egy láthatatlan tömeg, amely összetartja a galaxisokat
A sötét anyag történetének egyik meghatározó fejezete a galaxisok forgásának vizsgálatával kezdődött. A csillagászok azt tapasztalták, hogy a spirálgalaxisok külső részein található csillagok sokkal gyorsabban keringenek, mint amire a látható anyag tömege alapján számítani lehetne. Ha egy galaxisban kizárólag a megfigyelhető csillagok és gázfelhők gravitációja határozná meg a mozgásokat, akkor a központtól távolodva a keringési sebességnek általában csökkennie kellene, hasonlóan ahhoz, ahogyan a Naprendszer külső bolygói lassabban keringenek a Nap körül, mint a belsők. A galaxisok jelentős részénél azonban nem ezt látjuk. A külső csillagok sebessége sok esetben közel állandó marad, ami arra utal, hogy a látható csillagokon és gázon túl további gravitáló tömeg is jelen van.
A legegyszerűbb magyarázat szerint a galaxisokat hatalmas, láthatatlan anyaghalók veszik körül, amelyek jóval messzebbre terjednek, mint a csillagokból álló fényes korong.
A sötét anyagra utaló bizonyítékok azonban nem korlátozódnak a galaxisok forgására. A galaxishalmazokban megfigyelhető mozgások, a gravitációs lencsehatás, a kozmikus mikrohullámú háttérsugárzás apró hőmérsékleti eltérései és a galaxisok nagy léptékű eloszlása egyaránt arra utalnak, hogy az univerzumban sokkal több gravitáló anyag található, mint amennyit közvetlenül látunk. A gravitációs lencsehatás különösen fontos, mert a tömeg meghajlítja a téridőt, és ezzel eltéríti a távoli objektumokból érkező fényt. A csillagászok így a fény útjának torzulásából következtethetnek a tömeg eloszlására, függetlenül attól, hogy az adott tömeg világít-e.
A híres Lövedék-halmazban például két galaxishalmaz ütközése során a forró, röntgensugárzó gáz jelentős része lelassult, miközben a gravitációs lencsehatásból meghatározott tömeg nagyobb része máshol koncentrálódott. Ez erős érv amellett, hogy a rendszerben a közönséges gáztól eltérően viselkedő, láthatatlan tömegösszetevő található.
Miért nem találtuk még meg?
A sötét anyag keresésének egyik legfontosabb iránya hosszú időn keresztül a WIMP-részecskékre összpontosított. Ezek feltételezett, viszonylag nagy tömegű részecskék, amelyek a gravitáción kívül a gyenge kölcsönhatáson keresztül is kapcsolatba léphetnének a közönséges anyaggal. Az elképzelés szerint a Földön másodpercenként óriási mennyiségű sötétanyag-részecske haladhat keresztül, de kölcsönhatásuk annyira ritka, hogy szinte mindegyik észrevétlenül áthalad a bolygón, a testünkön és a mérőberendezéseken.
A kutatók ezért rendkívül érzékeny detektorokat építettek mélyen a föld alatt, ahol a felszínt érő kozmikus sugárzás nagy részét a felettük található kőzetréteg elnyeli.
Az egyik legjelentősebb ilyen berendezés a dél-dakotai Sanford föld alatti kutatólaboratóriumban működő LUX-ZEPLIN, röviden LZ kísérlet, amely több tonna folyékony xenont használ. A kutatók azt figyelik, hogy egy feltételezett sötétanyag-részecske ütközik-e valamelyik xenonatom magjával, és okoz-e olyan apró energiaváltozást, amelyet a műszerek képesek érzékelni. Hasonló elven működik az olaszországi Gran Sasso föld alatti laboratóriumában található XENONnT kísérlet is. A detektorok érzékenysége az elmúlt évtizedekben hatalmasat fejlődött, és a kutatók egyre kisebb kölcsönhatási valószínűségeket tudnak vizsgálni. A várt, egyértelmű sötétanyag-jelet azonban mindeddig nem sikerült megbízhatóan azonosítani.
A sötét anyag létezésére tehát még nincs bizonyítékunk, de az nagyon fontos, hogy a legegyszerűbb részecskemodellek egyre nagyobb része kizárható, legalábbis a vizsgált tömeg- és kölcsönhatási tartományokban. A fizikusok így fokozatosan olyan lehetőségek felé fordulnak, amelyek néhány évtizeddel ezelőtt még jóval kevésbé álltak a kutatások középpontjában.
Lehet, hogy egészen másféle részecskét keresünk?
Az egyik legfontosabb alternatíva az axion, egy rendkívül könnyű, hipotetikus részecske, amelyet eredetileg nem is a sötét anyag problémájának megoldására vezettek be, hanem az erős kölcsönhatás egyik különös szimmetriaproblémájának magyarázatára. Később a kutatók felismerték, hogy az axionok bizonyos tulajdonságok mellett megfelelő sötétanyag-jelöltek lehetnek. Ha a sötét anyag valóban ilyen rendkívül könnyű részecskékből áll, akkor a keresés módszereit alapvetően meg kell változtatni. A hagyományos részecskeütközések helyett például azt lehet vizsgálni, hogy erős mágneses térben az axionok átalakulhatnak-e kimutatható elektromágneses sugárzássá.
Más elképzelések szerint a sötét anyag nem egyetlen részecskefajtából áll, hanem egy egész, eddig ismeretlen részecskecsaládból. Elképzelhető egy úgynevezett sötét szektor, amelyben a részecskék egymással kölcsönhatásba léphetnek, miközben a közönséges anyaggal csak rendkívül gyengén kapcsolódnak össze. Ebben az esetben a sötét anyag fizikája sokkal összetettebb lehet annál, mint amit az egyszerű, egyetlen új részecskére épülő modellek feltételeznek.
Léteznek olyan elméletek is, amelyek ultrakönnyű részecskékből álló, nagy hullámhosszúságú sötét anyagot feltételeznek. Ezekben a modellekben a sötét anyag kvantumos hullámtulajdonságai galaktikus léptékben is jelentőssé válhatnak, és befolyásolhatják a galaxisok belső szerkezetét.
Egy további lehetőség, hogy a sötét anyag egy része ősi fekete lyukakból áll. Ezek a világegyetem rendkívül korai időszakában keletkezhettek volna, még jóval az első csillagok megszületése előtt. Az ilyen objektumok lehetséges tömegtartományait azonban számos csillagászati megfigyelés erősen korlátozza, ezért egyáltalán nem biztos, hogy jelentős részét adhatják a hiányzó tömegnek.
A különböző elképzelések közös vonása, hogy jelenleg még egyik sem rendelkezik olyan közvetlen kísérleti bizonyítékkal, amely egyértelműen azonosítaná a sötét anyag természetét.
Mi van akkor, ha nem az anyag hiányzik, hanem a gravitációról alkotott elméletünk nem teljes?
A sötét anyag keresésének van egy másik, alapvetően eltérő iránya is. Eszerint elképzelhető, hogy a galaxisok mozgásának magyarázatához nem feltétlenül új részecskékre, hanem a gravitáció működésének pontosabb megértésére van szükség.
Newton gravitációs törvénye és Einstein általános relativitáselmélete rendkívül sikeres a Naprendszerben, a kettőscsillagok mozgásának leírásában és számos más csillagászati jelenség magyarázatában. A kérdés az, hogy a gravitáció ugyanezeket a szabályokat követi-e minden körülmények között, különösen a galaxisok rendkívül gyenge gravitációs gyorsulásokkal jellemezhető külső tartományaiban.
Az egyik legismertebb alternatív elképzelés a módosított newtoni dinamika, vagyis a MOND, amelyet Mordehai Milgrom dolgozott ki az 1980-as években. A MOND szerint bizonyos rendkívül kis gyorsulásoknál a megszokott gravitációs leírás módosításra szorulhat. Ez az elképzelés több galaxis forgási görbéjét meglepően jól képes leírni, és összefüggést teremt a látható anyag eloszlása és a megfigyelt mozgások között.
A probléma az, hogy a MOND egyszerű formája nem ad kielégítő, egységes magyarázatot minden olyan jelenségre, amelyet a sötét anyaggal értelmezünk. Különösen nehézséget jelentenek a galaxishalmazok, a kozmikus mikrohullámú háttérsugárzás szerkezete és a világegyetem nagyléptékű fejlődése.
A módosított gravitáció különböző relativisztikus változatai továbbra is aktív kutatási területet jelentenek, de egyelőre egyik sem váltotta fel sikeresen a sötét anyagot tartalmazó standard kozmológiai modellt. Ezért a két lehetőség jelenleg nem egyformán alátámasztott: a sötét anyag feltételezése több, egymástól független megfigyelést képes egyszerre magyarázni, miközben a módosított gravitációs elméleteknek még számos nyitott problémával kell szembenézniük. Azonban meg kell állapítani, hogy közvetlen részecskekimutatás hiánya önmagában nem döntené el ezt a vitát, hiszen egy olyan részecske is okozhat gravitációs hatást, amelyet a jelenlegi detektorok egyszerűen nem képesek érzékelni.
Elérhetjük a mérés fizikai határait?
A következő évtizedekben a sötétanyag-detektorok érzékenysége tovább javulhat, de van egy érdekes akadály, amelyet a kutatóknak előbb-utóbb figyelembe kell venniük. A Napban, a légkörben és különböző kozmikus folyamatokban hatalmas mennyiségű neutrínó keletkezik. Ezek a rendkívül gyengén kölcsönható részecskék szinte akadálytalanul haladnak át a Földön, de nagyon ritkán mégis ütközhetnek egy atommaggal. Egy ilyen ütközés jele bizonyos detektorokban rendkívül hasonlíthat ahhoz, amit egy feltételezett sötétanyag-részecske okozna.
Ahogy a műszerek érzékenysége javul, a neutrínók által kiváltott események egyre jelentősebb hátteret alkotnak. Ezt a problémát gyakran neutrínópadlónak nevezik, bár a kutatók ma már inkább neutrínóködről beszélnek, mert nem egy átléphetetlen fizikai határról van szó. A neutrínók okozta háttér megfelelő statisztikai módszerekkel, irányérzékeny detektorokkal és különböző mérési technikák kombinálásával részben elkülöníthető lehet a sötét anyag jelétől. A nehézség azonban jól mutatja, hogy a sötét anyag keresése során egy bizonyos ponton a kutatóknak olyan mérési stratégiákat kell kidolgozniuk, amelyek az ismert részecskék természetes hátteréből képesek kiválasztani egy esetleges új fizikai jelenséget.
Mi történik, ha további ötven évig sem találunk semmit?
Tegyük fel, hogy a következő fél évszázadban újabb föld alatti detektorok épülnek, a részecskegyorsítók egyre nagyobb energiákat érnek el, a csillagászati megfigyelések pedig minden korábbinál részletesebben térképezik fel a világegyetem gravitációs szerkezetét. A sötét anyag részecskéjét mégsem találjuk meg. Ez a helyzet komoly következményekkel járna a részecskefizika számára, de nem feltétlenül jelentené a sötét anyag elméletének összeomlását.
A negatív kísérleti eredmények ugyanis nem minden lehetséges sötétanyag-modellt zárnak ki egyszerre. Mindegyik detektor meghatározott tömegtartományban és bizonyos típusú kölcsönhatásokra érzékeny, ezért mindig maradhatnak olyan lehetőségek, amelyek kívül esnek a műszerek vizsgálati tartományán. A kutatók ugyanakkor kénytelenek lennének egyre komolyabban megvizsgálni, hogy az alapfeltevések közül melyik lehet hibás. Valóban egyetlen új részecskefajtát kell keresnünk? Biztosan létezik a sötét anyag és a közönséges anyag között olyan kölcsönhatás, amely laboratóriumban kimutatható? Lehetséges, hogy a sötét anyag természetének megértéséhez a gravitáció kvantumos leírására is szükség lesz?
A következő évtizedek csillagászati felmérései szintén fontos szerepet játszhatnak. Az Európai Űrügynökség Euclid űrtávcsöve, a Vera C. Rubin Obszervatórium és más nagyszabású kutatási programok a galaxisok eloszlását, mozgását és a gravitációs lencsehatást minden korábbinál pontosabban vizsgálhatják. Tegyük hozzá, hogy ezek a megfigyelések nem feltétlenül fogják közvetlenül azonosítani a sötét anyagot, de segíthetnek meghatározni, hogy milyen tulajdonságokkal kell rendelkeznie, és mely elméletek nem egyeztethetők össze a világegyetem megfigyelt szerkezetével.
Az is elképzelhető, hogy a döntő felfedezés nem egy hagyományos sötétanyag-detektorban, hanem egy egészen más célra épített műszerben születik meg. A tudomány történetében számos alkalommal fordult elő, hogy egy új jelenséget olyan mérés során fedeztek fel, amely eredetileg más kérdés megválaszolására irányult.
A sötét anyag talán nem is olyan, amilyennek elképzeltük
A sötét anyag problémájának egyik legfontosabb tanulsága, hogy különbséget kell tennünk egy megfigyelt jelenség és annak feltételezett magyarázata között. A galaxisok mozgása, a gravitációs lencsehatás és a kozmikus háttérsugárzás szerkezete valós, mérhető jelenségek. Azt azonban, hogy mindezeket pontosan milyen fizikai mechanizmus hozza létre, még nem értjük teljesen. A jelenlegi bizonyítékok alapján a sötét anyag létezése a legerősebb és legátfogóbb magyarázat, de annak részecskefizikai természetéről továbbra sincs közvetlen tudásunk.
A helyzet bizonyos szempontból emlékeztet a neutrínók történetére. Wolfgang Pauli 1930-ban egy addig ismeretlen részecske létezését feltételezte, hogy megmagyarázza a radioaktív béta-bomlás során tapasztalt energiaeloszlást. A neutrínót végül csak 1956-ban sikerült kísérletileg kimutatni, és később kiderült, hogy tulajdonságai sokkal összetettebbek, mint azt eredetileg gondolták.
A sötét anyag esetében azonban a bizonytalanság még nagyobb, hiszen nem tudjuk, hogy egyetlen részecskét, több különböző összetevőt vagy valamilyen alapvetően új fizikai jelenséget keresünk.
Az is lehetséges, hogy a sötét anyag részecskéi valóban léteznek, de a közönséges anyaggal a gravitáción kívül gyakorlatilag semmilyen mérhető kapcsolatban nem állnak. Ebben az esetben a közvetlen laboratóriumi kimutatás rendkívül nehéz, esetleg bizonyos modellekben elvileg is hozzáférhetetlen lehet, miközben gravitációs hatásukat továbbra is megfigyelhetjük. A tudomány számára ez különös helyzetet teremtene: egy olyan összetevő tulajdonságait kellene rekonstruálnunk, amely alapvetően befolyásolja a világegyetem fejlődését, de amelynek részecskéit soha nem sikerül közvetlenül megfigyelnünk. A következő évtizedek kutatásai ezért arról is szólnak majd, hogy meddig terjednek a jelenlegi fizikai elméleteink magyarázó erejének és a mérési módszereinknek a határai.
Ha végül soha nem sikerül közvetlenül kimutatni a sötét anyagot, attól még a gravitációs hatásai nem tűnnek el. A világegyetem ugyanúgy fog működni, ahogyan eddig, nekünk pedig olyan fizikai elméletet kell találnunk, amely minden megfigyelést következetesen képes megmagyarázni.
És könnyen lehet, hogy ennek az elméletnek a kidolgozása végül sokkal nagyobb felfedezéshez vezet, mint egyetlen új részecske azonosítása.
További olvasnivaló és tudományos háttér: LUX-ZEPLIN kísérlet · XENON Collaboration · ESA – Euclid · Particle Data Group – részecskefizikai összefoglalók.
