Csak bottal ütjük, vagy nyomon vagyunk? Elég erős a CERN részecskegyorsítója a sötét anyag felfedezéséhez, vagy egy egészen új generációs berendezésre lesz szükségünk? A korábbi cikk folytatásakáént körüljárjuk ezt a kérdéskört.
A világegyetem anyagának körülbelül 85 százaléka olyan formában létezik, amelyet közvetlenül még soha nem sikerült megfigyelnünk. A csillagászok sötét anyagnak nevezik, mert nem bocsát ki és nem nyel el számottevő mennyiségű fényt, jelenlétére azonban következtethetünk a galaxisok forgásából, a galaxishalmazok mozgásából, a gravitációs lencsehatásból és a világegyetem nagyléptékű szerkezetéből. A sötét anyag nélkül a galaxisok kialakulásáról és fejlődéséről alkotott jelenlegi képünk alapvetően hiányos lenne.
A részecskefizikusok évtizedek óta keresik, milyen részecskék alkothatják ezt a láthatatlan anyagot, és a lehetséges jelöltek között óriási különbségek vannak. Egyesek annyira könnyűek lehetnek, hogy a kimutatásukhoz rendkívül érzékeny elektromágneses berendezésekre van szükség, mások tömege a Higgs-bozonénak sokszorosa lehet, és olyan nagy energiájú ütközésekkel lehetne előállítani őket, amelyek már meghaladják a CERN jelenlegi képességeit.
Felmerül tehát a kérdés, hogy a világ legnagyobb részecskegyorsítója, a Nagy Hadronütköztető (LHC) elegendő lehet-e a sötét anyag felfedezéséhez, és ha nem, akkor a következő generációs gyorsítók képesek lesznek-e elérni azt az energiatartományt, ahol a keresett részecskék rejtőzhetnek.
Milyen részecskéket keresünk?
A sötét anyag egyik legismertebb jelöltje a WIMP, vagyis a gyengén kölcsönható, nagy tömegű részecske. Ezek a feltételezett részecskék a gravitáció mellett más, nagyon gyenge kölcsönhatásokban is részt vehetnének, tömegük pedig a proton tömegével összemérhető értéktől akár több ezerszer nagyobb értékig terjedhet. A WIMP-ek hosszú ideig különösen ígéretes jelöltek voltak, mert bizonyos elméleti modellekben a korai világegyetem természetes fejlődése éppen a ma megfigyelt sötétanyag-mennyiséget eredményezheti.
Egy másik lehetőség az axion, amelynek eredeti elméleti szerepe a részecskefizika egyik szimmetriaproblémájának megoldása volt. Az axion rendkívül könnyű lehet, akár milliárdszor vagy még sokkal kisebb tömegű, mint az elektron, mégis képes lenne jelentős sötétanyag-sűrűséget létrehozni, mert a korai világegyetemben hatalmas mennyiségben keletkezhetett. Az axionok kereséséhez ezért egészen más eszközök szükségesek, mint a nehéz részecskék előállításához.
A harmadik fontos jelölt a steril neutrínó. A már ismert neutrínók rendkívül könnyűek, és nagyon ritkán lépnek kölcsönhatásba az anyaggal, a feltételezett steril neutrínók pedig még ennél is nehezebben lennének észlelhetők. Egy megfelelő tömegű, például néhány kiloelektronvoltos steril neutrínó a sötét anyag egyik lehetséges alkotója lehetne. A kutatók olyan változatokat keresnek, amelyek a világegyetem története során elegendő mennyiségben keletkezhettek, és megfelelően lassan mozogtak ahhoz, hogy részt vegyenek a galaxisok kialakulásában.
A lehetőségek sora itt még korántsem ér véget. Léteznek elméletek sötét fotonokról, amelyek egy újfajta kölcsönhatást közvetíthetnének, könnyű sötétszektor-részecskékről, valamint rendkívül nagy tömegű részecskékről is, amelyek a világegyetem legkorábbi időszakában jöhettek létre. A sötét anyag akár több különböző részecskéből is állhat, és egyes elképzelések szerint ősi fekete lyukak is hozzájárulhatnak a teljes mennyiségéhez, bár ezekre szigorú megfigyelési korlátok vonatkoznak.
A legnagyobb különbség a jelöltek között a tömegükben van, és ez határozza meg, hogy milyen kísérletekkel érdemes keresni őket.
Elég erős a CERN?
A Higgs-bozont 2012-ben fedezték fel a CERN-ben, amikor a Nagy Hadronütköztető protonokat ütköztetett egymással 7–8 teraelektronvolt, rövidítve TeV energián. A Higgs-bozon tömegének megfelelő energia körülbelül 125 gigaelektronvolt, vagyis 0,125 TeV. A két szám közötti különbség abból adódik, hogy a protonok összetett részecskék, és az ütközés energiájának csak egy része fordítódik egy adott új részecske létrehozására.
Az LHC a legutóbbi működési időszakában 13,6 TeV ütközési energiát ért el, ami körülbelül 110-szerese a Higgs-bozon tömegének megfelelő energiának. Ezzel már ma is képes lehet többféle feltételezett sötétanyag-részecske előállítására. Ha például egy WIMP tömege 100 GeV, akkor két ilyen részecske létrehozásához legalább 200 GeV energiának kell rendelkezésre állnia az ütköző részecskék tényleges kölcsönhatásában. Egy 1000 GeV tömegű WIMP-pár esetében az elméleti küszöb 2000 GeV, azaz 2 TeV.
Az LHC tehát mindkét példában elegendő teljes ütközési energiával rendelkezik, de az előállítás valószínűsége és a detektorok érzékenysége határozza meg, vagyis hogy a részecskéket valóban megtalálhatjuk-e. A sötétanyag-részecskék várhatóan észrevétlenül távoznának a detektorból, ezért a kutatók a hiányzó energiát és lendületet vizsgálják, amelyet a többi, már ismert részecske mozgásából lehet kiszámítani. A módszerrel új, láthatatlan részecskék jelenlétére lehet következtetni, de egy ilyen felfedezés után további bizonyítékokra lenne szükség annak megállapításához, hogy valóban a kozmikus sötét anyag egyik alkotóját találták meg.
A részecskegyorsítók ütközési energiája
(Az FCC-ee és az FCC-hh tervezett értékek; az FCC megépítéséről még nincs végleges döntés.)
A CERN következő nagy fejlesztése a High-Luminosity LHC, vagyis a nagy luminozitású LHC lesz, amelynek működését a jelenlegi tervek szerint 2030 körül kezdik meg. Ennél a berendezésnél a fő előrelépés az ütközések számának jelentős növelése lesz, miközben az ütközési energia lényegében a jelenlegi tartományban marad. A tervezett fejlesztés az eredeti LHC-tervhez képest körülbelül tízszeres összegyűjtött adatmennyiséget céloz meg, ami jelentősen javíthatja a nagyon ritka részecskefolyamatok kimutatásának esélyét.
| Gyorsító | Ütközési energia | Milyen jelöltek kereshetők? |
|---|---|---|
| LHC – jelenlegi | 13,6 TeV | WIMP-ek, sötét fotonok, könnyebb sötétszektor-részecskék, egyes nehéz steril neutrínók |
| HL-LHC – fejlesztés alatt | 14 TeV | Hasonló jelöltek, mint az LHC-nél, de a több ütközés miatt ritkább folyamatok is kimutathatók lehetnek |
| FCC-ee – tervezett | 0,09–0,365 TeV | Könnyű sötét fotonok, egyes steril neutrínók és gyengén kölcsönható részecskék, nagy pontosságú mérésekkel |
| FCC-hh – hosszú távú terv | 100 TeV | Több TeV tömegű WIMP-ek, nehéz közvetítő részecskék és más nagy tömegű sötétszektor-jelöltek |
Ez különösen fontos a sötét anyag keresésében, mert elképzelhető, hogy a megfelelő energiát már elértük, a keresett részecskék azonban olyan ritkán keletkeznek, hogy az eddigi ütközések között még nem sikerült felismerni őket.
Mi jön az LHC után?
A CERN következő nagy gyorsítóprogramjának előnyben részesített terve a Future Circular Collider, röviden FCC. A tervezett berendezés egy körülbelül 91 kilométer kerületű föld alatti alagútban kapna helyet, szemben az LHC jelenlegi 27 kilométeres gyűrűjével. A program két egymást követő szakaszból állna, amelyek egészen eltérő kutatási lehetőségeket kínálnának.
Az első szakaszban elektronokat és pozitronokat ütköztetnének egymással, körülbelül 90–365 GeV energián. Ez kevesebb, mint az LHC energiája, mégis rendkívül fontos előrelépés lehet, mert az elektronok elemi részecskék, így az ütközések sokkal tisztább, pontosabban értelmezhető mérési környezetet biztosítanak. Az FCC-ee elsősorban a Higgs-bozon és más ismert részecskék tulajdonságait vizsgálná nagy pontossággal, miközben olyan új, gyengén kölcsönható részecskéket is kereshetne, amelyek jelenléte apró eltéréseket okoz az ismert folyamatokban.
A második, jóval későbbre tervezett szakaszban ugyanebben az alagútban egy új protonütköztető, az FCC-hh működhetne, amelynek célzott ütközési energiája körülbelül 100 TeV lenne. Ez több mint hétszerese a jelenlegi LHC energiájának, és jelentősen megnövelné az előállítható új részecskék tömegtartományát. A több TeV tömegű WIMP-ek egyes típusai, valamint a sötét anyag és a közönséges anyag közötti kölcsönhatást közvetítő nehéz részecskék is elérhetőbbé válhatnának.
A 2026 májusában elfogadott európai részecskefizikai stratégia az FCC elektron–pozitron változatát jelölte meg a CERN következő nagy projektjének előnyben részesített lehetőségeként. A megépítésről szóló végleges döntést 2028 körül várják, az első működési szakasz pedig jóváhagyás esetén a 2040-es évek közepén kezdődhetne. A 100 TeV-os protonütköztető ennél jóval távolabbi lehetőség, amelynek megvalósítása külön döntésektől és technológiai fejlesztésektől függ.
A 100 TeV-os gyorsító már olyan tartományt is megnyitna, amely a mai berendezések számára gyakorlatilag hozzáférhetetlen. Ha például egy feltételezett sötétanyag-részecske tömege 10 TeV, akkor egy részecskepár létrehozásához legalább 20 TeV hasznos ütközési energia szükséges. A jelenlegi LHC ezt nem tudná elérni, míg az FCC-hh elvileg igen. A tényleges felfedezési lehetőség itt is a részecskék kölcsönhatásaitól és keletkezési valószínűségétől függne.
A CERN jövőbeli gyorsítója tehát jelentős lépés lenne a nehéz sötétanyag-jelöltek keresésében, de a lehetséges részecsketömegek teljes tartományát ez sem fedné le.
Mi következhet a 100 TeV után?
Ha a sötét anyag részecskéi még a 100 TeV-os gyorsító számára is túl nehezek lennének, akkor a fizikusoknak újabb technológiai határokat kellene átlépniük. Egy lehetséges következő szint a több száz vagy akár ezer TeV energiájú ütköztetők világa lenne, amelyekhez a jelenleginél erősebb mágnesekre, új gyorsítási eljárásokra és rendkívül nagy mérnöki létesítményekre lehetne szükség.
A nagyobb körgyorsítók építésének azonban komoly fizikai és gazdasági korlátai vannak. A töltött részecskék körpályán történő mozgatásához erős mágneses tér szükséges, és a keringő részecskék sugárzás formájában energiát veszíthetnek. A protonok esetében ez a veszteség jóval kisebb, mint az elektronoknál, de a nagyobb energiák eléréséhez egyre fejlettebb mágnesekre és gyorsítótechnológiára van szükség.
Az egyik kutatott alternatíva a müonütköztető. A müon az elektronhoz hasonló elemi részecske, de körülbelül 207-szer nehezebb nála, ezért körpályán sokkal kevesebb energiát veszít sugárzás formájában. Egy 10 TeV energiájú müonütköztető bizonyos részecskefizikai folyamatok vizsgálatában akár egy 100 TeV-os protonütköztetővel is versenyképes lehetne, mivel a müonok elemi részecskék, és az ütközési energia közvetlenebbül használható fel új részecskék létrehozására.
A legnagyobb technikai akadály a müonok rendkívül rövid élettartama, amely nyugalmi állapotban mindössze 2,2 mikromásodperc. A kutatóknak ezeket a részecskéket nagyon gyorsan kellene előállítaniuk, összegyűjteniük, felgyorsítaniuk és ütköztetniük, miközben a bomlásukból származó sugárzást is kezelni kell. A müonütköztető ezért jelenleg egy távoli kutatási és fejlesztési elképzelés, amelynek megvalósíthatóságát még bizonyítani kell.
A még távolabbi jövőben a plazmaalapú gyorsítás is szerepet kaphat. Ennél a módszernél lézerek vagy részecskenyalábok elektromos hullámokat keltenek egy ionizált gázban, és ezek rendkívül nagy gyorsítóteret hozhatnak létre. A technológia hosszú távon lehetőséget kínálhat arra, hogy a mai gyorsítókhoz képest sokkal rövidebb berendezésekben érjenek el nagy részecskeenergiákat. Egy teljes értékű, nagy energiájú plazmaütköztető megépítéséhez azonban még számos problémát kell megoldani, különösen a nyalábok minőségének, stabilitásának és hatékony gyorsításának területén.
Egy további lehetőség, hogy a sötét anyag egyes összetevői olyan nagy tömegűek, hogy földi gyorsítóval történő előállításuk belátható időn belül elérhetetlen marad. Bizonyos elméletek akár milliárd vagy billió GeV tömegű részecskéket is megengednek, amelyek a világegyetem legkorábbi, rendkívül nagy energiájú időszakában keletkezhettek. Ezeket elsősorban közvetett módszerekkel, például feltételezett bomlástermékeik, kozmikus sugárzási jelek vagy a korai világegyetemre gyakorolt hatásaik alapján lehetne keresni.
Lehet, hogy a megoldás már a Földön van
A sötét anyag keresésének van egy másik útja is, amelyhez nincs szükség egyre nagyobb gyorsítókra. Ha galaxisunkat valóban sötétanyag-részecskékből álló kiterjedt haló veszi körül, akkor ezek a részecskék a Naprendszeren és a Földön is folyamatosan áthaladhatnak. A megfelelő detektoroknak tehát elegendő lehet megvárniuk, amíg valamelyik részecske rendkívül ritka kölcsönhatásba lép a műszer anyagával.
A WIMP-ek keresésében ilyen módszert alkalmaznak a nagy föld alatti detektorok, például az LZ és a XENONnT kísérletek, amelyek több tonna folyékony xenon segítségével próbálják érzékelni a sötét anyag és az atommagok közötti rendkívül ritka ütközéseket (korábbi cikk az LZ detektorrol Egyetlen villanás a föld mélyén – Kozmosz ). A berendezéseket mélyen a föld alatt helyezik el, hogy a kozmikus sugárzás minél kevésbé zavarja a méréseket. A kutatók az atommagok apró visszalökődését keresik, amely fény- és elektromos jeleket kelthet a detektorban.
Az axionok kereséséhez más módszert használnak. Az ADMX és más hasonló kísérletek erős mágneses térben próbálják az axionokat rendkívül gyenge mikrohullámú jelekké alakítani. A berendezések érzékenysége olyan nagy, hogy a kutatók rendkívül kis teljesítményű elektromágneses jeleket keresnek, miközben a detektorokat nagyon alacsony hőmérsékleten működtetik. Egy ilyen felfedezéshez a részecskegyorsító energiájának növelése helyett a mérési pontosságot és az érzékenységet kell tovább javítani.
A steril neutrínók esetében pedig a csillagászati megfigyelések lehetnek különösen fontosak. Bizonyos elméleti változataik rendkívül ritkán elbomolhatnak, és a bomlás során meghatározott energiájú röntgenfoton keletkezhet. A galaxisok és galaxishalmazok röntgensugárzásának vizsgálata ezért olyan jeleket tárhat fel, amelyek egy eddig ismeretlen részecske létezésére utalhatnak. A kutatóknak ilyenkor gondosan el kell különíteniük a feltételezett új részecske jelét az ismert csillagászati folyamatok sugárzásától.
Maga a CERN is egyre nagyobb figyelmet fordít a kisebb tömegű, nagyon gyengén kölcsönható részecskékre. A NA64 kísérlet például a részecskeütközésekből hiányzó energiát keresi, és a 2026-ban ismertetett fejlesztési tervek szerint a következő működési időszakban jelentősen növelnék az összegyűjtött adatok mennyiségét. Ezek a kísérletek olyan részecskék nyomára is vezethetnek, amelyek előállításához a jelenlegi gyorsítók energiája elegendő, de kimutatásukhoz sokkal nagyobb érzékenység szükséges.
A sötét anyag kutatásának jövője ezért több, egymást kiegészítő irányban halad. A CERN jelenlegi és következő generációs gyorsítói a nehezebb részecskék és új kölcsönhatások keresésében játszhatnak meghatározó szerepet, a föld alatti detektorok a galaxisunkban már jelen lévő sötét anyagot próbálják közvetlenül érzékelni, az elektromágneses rezonátorok a rendkívül könnyű részecskéket kutatják, a csillagászati műszerek pedig a világegyetem hatalmas anyageloszlásában keresik a feltételezett részecskék nyomait.
A döntő kérdés végül az, hogy a sötét anyag részecskéinek tömege és kölcsönhatásai melyik tartományba esnek. Ha a WIMP-ek valamelyik jelenleg is vizsgált változata alkotja a sötét anyagot, akkor a CERN jelenlegi vagy következő gyorsítói is elvezethetnek a felfedezéshez. Ha sokkal nehezebb részecskékről van szó, akkor új gyorsítótechnológiákra vagy közvetett megfigyelésekre lehet szükség. Ha pedig a megoldás az axionokban vagy más nagyon könnyű részecskékben rejlik, akkor elképzelhető, hogy egy viszonylag kis méretű, rendkívül érzékeny laboratóriumi berendezés fogja megoldani a modern fizika egyik legnagyobb rejtélyét.
A Higgs-bozon felfedezéséhez több évtizednyi gyorsítófejlesztésre és hatalmas energiájú ütközésekre volt szükség. A sötét anyag esetében ma még azt sem tudjuk, hogy a következő áttörést egy 100 kilométeres részecskegyorsító, egy föld alatti detektor vagy egy csillagászati megfigyelés hozza-e el. A következő évtizedek kísérletei éppen ezt próbálják eldönteni. A jövő fizikája még sok izgalmakat tartogat a számunkra.
források:
CERN – Dark Matter Searches at the LHC. A sötétanyag-részecskék gyorsítós keresése, a vizsgált modellek és a kísérleti korlátok. CERN – LHC Dark Matter Working Group.
CERN – High-Luminosity LHC. A 2030 körül induló fejlesztés, a megnövelt ütközésszám és a kutatási lehetőségek. CERN – HL-LHC Media Kit.
CERN – Future Circular Collider. A 91 kilométeres tervezett gyorsító, az FCC-ee és a későbbi FCC-hh programja, valamint az ütemezés. CERN – Future Circular Collider.
European Strategy for Particle Physics (2026). A következő európai részecskegyorsító kiválasztásának hivatalos stratégiai dokumentációja. European Strategy for Particle Physics.
Future Circular Collider Feasibility Study (2025). Részletes tudományos tanulmány az FCC fizikai céljairól, a várható energiákról és a kutatási lehetőségekről. FCC Feasibility Study – European Physical Journal C.
Joachim Kopp – Sterile Neutrinos as Dark Matter Candidates (2022). A steril neutrínók mint sötétanyag-jelöltek, lehetséges keletkezésük és megfigyelési jeleik. CERN Document Server – Sterile Neutrinos.
CERN – OSQAR. Axionok keresése mágneses térben, a nagy energiájú ütköztetőktől eltérő kísérleti módszerrel. CERN – OSQAR Experiment.
