A sötét oldal még a fotont is magához csábította
A sötét anyag létezésére ma már egymástól független csillagászati megfigyelések egész sora utal, a galaxisok forgási görbéitől és a galaxishalmazok dinamikájától kezdve a gravitációs lencsézésen át egészen a kozmikus mikrohullámú háttér finom szerkezetéig, azt azonban továbbra sem tudjuk, hogy az Univerzum anyagának jelentős részét adó láthatatlan komponens valójában miből áll. A probléma különösen azért érdekes, mert miközben gravitációs hatását kozmikus léptékben folyamatosan látjuk, a sötét anyag feltételezett részecskéit laboratóriumban mindeddig nem sikerült közvetlenül azonosítani, ezért az elmúlt évtizedekben egyre több, a Standard Modellen túli elképzelés került a kutatások középpontjába. Ezek egyike a sötét foton, amelynek neve könnyen azt a benyomást keltheti, mintha egyszerűen a fény valamilyen láthatatlan változatáról lenne szó, a mögötte álló fizikai elképzelés azonban ennél jóval kacifántosabb. A cikk a Physical Review Lettersben augusztus 13-án megjelent tanulmány alapján készült.
A közönséges foton az elektromágneses kölcsönhatás közvetítője, a sötét foton pedig egy feltételezett „sötét szektor” hasonló közvetítő részecskéje lenne, amelynek saját mezője és kölcsönhatása létezhetne anélkül, hogy közvetlenül része lenne az általunk ismert Standard Modellnek. Bizonyos elméletekben maga a sötét foton is alkothatja a sötét anyagot, más modellekben inkább a sötét szektor további részecskéi között közvetítene kölcsönhatást, de mindkét esetben ugyanaz a kérdés válik döntővé: ha ez a rejtett világ valóban létezik, hogyan kommunikálhat az általunk ismert részecskékkel?
Az egyik lehetséges kapcsolatot az úgynevezett kinetikus keveredés teremtheti meg, amely nagyon gyenge csatolást engedne meg a közönséges és a sötét foton között. A keveredés erősségét rendszerint egy rendkívül kis számmal jellemzik, és éppen ez magyarázhatná, miért nem vettük még észre a sötét fotont: olyan ritkán és olyan gyengén lépne kapcsolatba a közönséges anyaggal, hogy a legtöbb esetben gyakorlatilag észrevétlenül haladna át rajta. Ugyanez a parányi kapcsolat azonban különleges körülmények között felerősödhet, és a korai Univerzum forró plazmája pontosan ilyen környezetet teremthetett.
A Világegyetem fiatal korában a közönséges anyag még nem atomokból állt, hanem elektronokból, atommagokból és más töltött részecskékből álló forró plazmát alkotott, amelynek elektromágneses viselkedése lényegesen bonyolultabb egy egyszerű gázénál. A plazma részecskéi ugyanis nem egymástól függetlenül mozognak: az elektronok elmozdulása elektromos tereket hoz létre, ezek a terek további részecskéket gyorsítanak, így kollektív rezgések és hullámok jelennek meg, amelyek közül a sötét fotonok szempontjából különösen fontosak az elektronok sűrűségrezgéseihez kapcsolódó Langmuir-hullámok.
Mindez azért válik fontossá, mert a plazmában a közönséges elektromágneses mező terjedése is megváltozik, és a rendszer rendelkezik egy, az elektronsűrűségtől függő természetes frekvenciával, az úgynevezett plazmafrekvenciával. Miközben az Univerzum tágult és lehűlt, az anyag sűrűsége folyamatosan csökkent, így a plazmafrekvencia is változott, ezért egy adott tömegű sötét foton számára elkerülhetetlenül bekövetkezhetett egy olyan korszak, amikor saját rezgési tulajdonságai és a közönséges plazma elektromágneses tulajdonságai közel kerültek egymáshoz. Ilyenkor rezonancia jöhet létre, amely lehetővé teszi, hogy még az egyébként rendkívül gyenge kinetikus keveredés mellett is jelentős energia áramoljon a sötét fotonokból a közönséges plazmába.
Éppen erre épültek azok a korábbi kozmológiai korlátok, amelyek a sötétfoton-modellek jelentős részét kizárták. Ha ugyanis a sötét anyag sötét fotonokból állna, és ezek a megfelelő kozmikus korszakban nagy mennyiségű energiát adnának át az elektronoknak, akkor a közönséges anyag felmelegedne, ami megváltoztatná a Világegyetem termikus fejlődését, ennek pedig olyan nyomokat kellene hagynia a későbbi kozmológiai megfigyelésekben, amelyeket nem látunk. A logika tehát meggyőzőnek látszott: mivel nem tapasztaljuk a feltételezett extra fűtés következményeit, a sötét foton és a közönséges foton közötti keveredés csak rendkívül gyenge lehet.
A most megjelent kutatás azonban arra mutat rá, hogy ebben az érvelésben nem feltétlenül maga a részecskefizika, hanem a plazma viselkedésének leírása lehetett túlságosan egyszerű.
A korábbi számítások jelentős része lineáris plazmaválaszt feltételezett, vagyis abból indult ki, hogy a sötét foton által gerjesztett elektromágneses hullám ugyan módosítja a plazmát, de maga a közeg lényegében az eredeti állapotában marad, ezért az energiaátadás folyamata tovább számítható ugyanazokkal az egyenletekkel. Kis perturbációk esetén ez teljesen indokolt közelítés, a probléma azonban éppen abból adódik, hogy a korábbi számítások szerint a rezonancia során átadott energia egyáltalán nem lenne kicsi: ha a sötét fotonok valóban annyi energiát pumpálnának a plazmába, amennyit ezek a modellek jósolnak, akkor előbb-utóbb magának a plazmának az állapota is jelentősen megváltozna, és ettől kezdve már nem lenne jogos úgy kezelni, mintha passzívan fogadná az energiát.
Anson Hook, Junwu Huang és Mohamad Shalaby ezért olyan numerikus plazmaszimulációkkal vizsgálta meg a folyamatot, amelyekben a töltött részecskék és az elektromágneses mezők egymásra gyakorolt hatása is dinamikusan fejlődhet. A szimulációk kezdetén valóban az történik, amit a korábbi lineáris elmélet jósol: a sötét foton energiája rezonánsan átkerül a plazmába, ahol egyre erősebb Langmuir-hullámok jelennek meg, vagyis az elektronok kollektív rezgéseinek amplitúdója gyorsan növekedni kezd. Amíg ezek a hullámok gyengék, a lineáris közelítés megfelelően működik, amikor azonban energiájuk összemérhetővé válik az elektronok termikus energiájával, a rendszer átlép egy olyan tartományba, ahol a hullámok már magát a közeget is átrendezik.
Ettől kezdve indul el az a visszacsatolás, amely az egész sötétfoton-problémát átírhatja. A nagy amplitúdójú plazmahullámok térben változó elektromos tere olyan erőt fejt ki a töltött részecskékre, amely sűrűbb és ritkább régiókat alakít ki, miközben az eredeti Langmuir-hullám energiája rövidebb hullámhosszú Langmuir-módusokba és ionakusztikus hullámokba is átkerül. A kezdetben viszonylag homogén plazma tehát strukturálttá válik, az elektronsűrűség helyről helyre változni kezd, és mivel a rezonancia szempontjából kulcsfontosságú plazmafrekvencia közvetlenül az elektronsűrűségtől függ, a rendszer egyes részei fokozatosan kicsúsznak abból a rezonanciafeltételből, amely eredetileg lehetővé tette a hatékony energiaátadást.
A folyamat különös önszabályozó rendszert hoz létre: a sötét fotonok által kiváltott rezonancia éppen azokat a változásokat hozza létre a plazmában, amelyek végül megszüntetik magát a rezonanciát. Minél több energia kerül át, annál erősebbek lesznek a plazmahullámok; minél erősebbek a hullámok, annál jobban átrendezik a plazmát; minél egyenetlenebbé válik a sűrűség, annál kevésbé teljesül mindenütt a rezonancia feltétele, így az energiaátadás rövid idő alatt telítődik ahelyett, hogy a lineáris számítások által jósolt hatalmas értékekig folytatódna.
Ez a különbség kozmológiai szempontból döntő, mert ha a sötét fotonok a korábban feltételezettnél sokkal kevesebb energiát tudnak átadni a közönséges anyagnak, akkor a korai Univerzum plazmája sem melegszik fel olyan mértékben, amilyet a korábbi modellek jósoltak. Ha pedig nincs jelentős extra fűtés, akkor annak hiányát a megfigyelésekben sem használhatjuk ugyanolyan erős érvként a sötét fotonok kizárására.
A kutatás szerint emiatt a korábban meghatározott korlátok egy része elképesztő mértékben gyengülhet: a sötét foton tömegének nagyjából tíz nagyságrendet átfogó tartományában a megengedett kinetikus keveredés felső határa körülbelül 3000-től akár tízmilliószorosig módosulhat, bizonyos összehasonlításokban pedig a korábbi következtetések akár százmilliószoros eltérést is jelenthetnek. Ez azért különösen jelentős, mert a sötétanyag-jelöltek kutatásában a tömeg és a kölcsönhatási erősség által meghatározott paraméterteret fokozatosan szűkítik a laboratóriumi kísérletek, a csillagászati megfigyelések és a kozmológiai számítások; ha egy korábban alkalmazott kozmológiai korlát lényegesen gyengébbnek bizonyul, akkor a térkép egy jelentős, már kizártnak tekintett része ismét kutathatóvá válik.
Ebből azonban nem következik, hogy megtaláltuk volna a sötét anyagot, és még az sem, hogy a sötét foton valóban létezik. Az új eredmény ennél pontosabb állítást tesz: azt mutatja meg, hogy az egyik legerősebb módszer, amellyel a sötétfoton-modellek bizonyos tartományait korábban kizártuk, figyelmen kívül hagyhatott egy olyan nemlineáris plazmafizikai visszacsatolást, amely jelentősen csökkenti a sötét és a közönséges szektor közötti energiaátadást. Egy korábbi kizárás feloldása tehát nem bizonyíték egy részecske létezésére, viszont azt jelenti, hogy olyan tartományokban is érdemes lehet új kísérleteket tervezni, ahol eddig úgy gondoltuk, hogy a kozmológia már eleve kizárta a sötét fotont.
A kérdés azért válik egyre fontosabbá, mert a sötétanyag-kutatás hosszú ideig legnépszerűbb részecskejelöltjei közül többnek egyre szűkebb maradt a megengedett paramétertere, miközben közvetlen kimutatásukra tett rendkívül érzékeny kísérletek sem hoztak egyértelmű eredményt. Emiatt az ultrakönnyű sötétanyag-jelöltek, az axionok, az axionszerű részecskék és a sötét fotonok egyre nagyobb figyelmet kapnak, ezek keresésére pedig a hagyományos részecskedetektoroktól eltérő módszereket lehet használni, például nagy érzékenységű mikrohullámú rezonátorokat, szupravezető kvantumrendszereket vagy akár természetes asztrofizikai plazmákat.
A tanulmány jelentősége ráadásul túlmutathat a sötét anyagon, mert ugyanaz a fizikai tanulság más asztrofizikai környezetekben is érvényes lehet. Neutroncsillagok magnetoszférájában, fehér törpék környezetében és más sűrű vagy erősen magnetizált plazmákban szintén vizsgálják hipotetikus részecskék elektromágneses módusokká történő átalakulását, és ha az energiaátadás elég erős ahhoz, hogy megváltoztassa a plazma állapotát, akkor ott is könnyen előfordulhat, hogy a lineáris számítások olyan folyamatot jósolnak hosszú időn keresztül, amely a valóságban saját maga módosítja vagy szünteti meg azokat a feltételeket, amelyek között létrejöhetett.
A sötét foton története ezért a sötétanyag-kutatás egyik alapvető nehézségére világít rá: amikor olyan részecskéket próbálunk megismerni, amelyeket közvetlenül még nem sikerült kimutatni, a rájuk vonatkozó korlátok jelentős részét közvetett asztrofizikai és kozmológiai következtetésekből építjük fel, ezek megbízhatósága pedig attól is függ, mennyire pontosan értjük azt a közeget, amelyben a feltételezett részecskéknek viselkedniük kellett. Ebben az esetben éppen a korai Univerzum plazmájának bonyolult, nemlineáris reakciója lehet az a részlet, amely alapvetően módosítja a következtetést.
A sötét foton tehát továbbra is hipotetikus részecske, és jelenleg nincs bizonyíték arra, hogy ebből állna a sötét anyag, az új számítások azonban azt sugallják, hogy jóval nagyobb terület maradhatott számára a lehetséges részecskefizikai paraméterek között, mint amekkorát az elmúlt évek kozmológiai korlátai alapján feltételeztünk. Ha pedig a sötét anyag valóban egy rendkívül gyengén kapcsolódó rejtett szektor része, könnyen elképzelhető, hogy a megfejtéshez nem pusztán érzékenyebb detektorokra lesz szükségünk, hanem annak pontosabb megértésére is, hogyan viselkedik a közönséges anyag akkor, amikor a láthatatlan világ mégis megpróbál energiát átadni neki.
Megjegyzés: A közönséges foton vákuumban tömegtelen, plazmában azonban a terjedő elektromágneses gerjesztés úgy viselkedhet, mintha effektív tömege lenne. Ennek nagyságát a plazmafrekvencia határozza meg. A korai Univerzum tágulásával az elektronsűrűség csökkent, ezért ez az effektív „fotontömeg” is változott. Így előállhatott egy olyan pillanat, amikor a plazmában terjedő közönséges foton effektív tömege ≈ a sötét foton valódi tömege.
