Fénysugár a sötétben
Három év elteltével, alapos ellenőrzés után is úgy tűnik, hogy magyar fizikusok felfedeztek egy új, X17-nek nevezett részecskét, ami ráadásul egy bozon, vagyis kölcsönhatásokban részt vevő részecske: ez az ötödik kölcsönhatási erő azonosításához is vezethet. Az univerzum anyagának csupán 4,6 százalékát ismerjük, a maradék, sötétnek nevezett anyagból kaphattak el egy részecskét a debreceni kutatók. Ezért Nobel-díj is járhat – majd egyszer.
Három évvel ezelőtt mi is írtunk róla (2016 júniusában), hogy az MTA debreceni Atommagkutató Intézetében (Atomki) Krasznahorkay Attila vezetésével áttörést értek el. A felfedezést azóta további kísérletek támasztották alá, bár teljes megerősítésére nem kerülhetett sor, ehhez ugyanis még nincsenek meg a szükséges eszközök.
A 2015-ben az arXiven, majd a Physical Review Lettersben, a fizika egyik legrangosabb folyóiratában publikált eredményeknek az adott lendületet, hogy felfigyeltek rájuk a Kaliforniai Egyetem tudósai. A magyar tudósok felfedezését Jonathan Feng, a Kaliforniai Egyetem professzoránakvezetésével alaposan megvizsgálták, és pontosnak találták őket. Ennek hatására kísérletekbe kezdtek többek közt az amerikai Thomas Jefferson Nemzeti Részecskegyorsító Központban, az Európai Nukleáris Kutatási Szervezetnél (CERN) és a Róma melletti Nemzeti Atomfizikai Intézetben is. Csakhogy a megvalósítás lassan halad, mert a magyar kutatók felfedezésének lényege egy olyan spektrométerben rejlik, amivel a keresést kiterjesztették egy eddig nem vizsgált tartományra. Az érdeklődő laborok tehát egyelőre csak a műszerépítésnél tartanak. A magyar csoport egyébként már korábban utána akart járni az egy holland tudós, F. W. N. de Boer által a 2000-es évek elején megfigyelt anomáliának, amely egy ismeretlen könnyű részecske létezésére utalt.
– A magfizikusok sokkal kisebb gerjesztési energiával dolgoznak, az egytizedével, mint ami az X17-é, ezekhez vannak berendezéseik. A részecskefizikában viszont ezerszer nagyobb energiákat vizsgálnak, így egyikük eszköztára sem igazán jó a kimutatásra; mi a senki földjén kutakodunk – mondja Krasznahorkay Attila.
Tudunk róla, de nem látjuk
Hogy értsük a felfedezést, egy-két alapfogalmat tisztázni kell. A sötét anyag és erő meglétére többek között a gravitációs kölcsönhatás miatt következtettek a tudósok: miután a newtoni és kepleri törvényekkel meg tudtuk magyarázni a bolygók mozgását és látszólag mindent, kiderült, hogy a csillagok és galaxisok mozgása nem stimmel, erősebb gravitációs vonzásra utal. Ebből arra következtettek, hogy a világegyetemben létezhet egy extra anyag, ráadásul nagy mennyiségben. Ez kapta a sötét anyag és sötét energia nevet: csillagászati műszerekkel közvetlenül nem figyelhető meg, mert nem bocsát ki és nem nyel el elektromágneses sugárzást, jelenlétére csak a látható anyagra és a háttérsugárzásra kifejtett gravitációs hatásból következtethetünk. Az univerzum tömegének csupán 4,6 százalékát alkotja az általunk megismert anyag (és ebből 3,6 százalék a galaxisok közötti teret kitöltő, ritka gáz), a többit nem tudjuk érzékelni, de itt van mindenhol. Valószínűleg többféle részecskét takar, de törvényszerűségeit nem ismerjük, elméleti fizikusok már azt is felvetették, hogy nemcsak ötödik, de hatodik, hetedik kölcsönhatási erő is létezhet.
Anyagi világunkat kétféle részecske építi fel, a fermionok és a bozonok: az előbbiek közé tartozik például az elektron vagy annak antirészecskéje, a pozitron; az utóbbiak a kölcsönhatásokat közvetítik. A természet négy alapvető, ismert kölcsönhatása a gravitációs, az elektromágneses, az erős és a gyenge kölcsönhatás. A gravitáció a leggyengébb erő, viszont végtelen a hatótávolsága, így meghatározza a világegyetem nagy léptékű szerkezetét, közvetítő részecskéje a graviton. Az elektromágneses kölcsönhatás a töltéssel rendelkező részecskék között hat, közvetítő részecskéje a foton, ami elektromos mezőt hoz létre, mozgásával pedig mágneses mező születik. Az úgynevezett erős kölcsönhatás a legrövidebb hatótávolságú, az atommagban egyben tartja a nukleonokat (például proton, neutron), közvetítését a gluonok végzik. A gyenge kölcsönhatás szintén rövid hatótávolságú, számos bomlási jelenségért felelős, például a radioaktivitásáért, közvetítő részecskéi a W- és a Z-bozonok. Mind a négy erő megtalálható az atommagban, és valószínűleg az ötödik is.
Szögben a lényeg
A magyar kutatók a korábbi kísérleteikben protonnal bombáztak egy vékony Li-7 (lítium) céltárgyat. Ez gerjeszti az atommagot, aminek folytán egy másik atommag alakul ki (Be-8, berillium), de ez instabil, gyorsan leadja a felesleges energiát, általában gamma sugárzás (nagy frekvenciájú elektromágneses sugárzás) kibocsátásával, de minden tízezredik esetben egy elektron-pozitron pár is keletkezik. Ezt nevezik belső párkeltési folyamatnak, és a kvantum-elektrodinamika szerint azt történik, hogy a részecskék a legnagyobb valószínűséggel egymáshoz képest kis szögben lépnek ki az atommagból, a szög növekedésével egyre kevesebb ilyen pár keletkezik. Ez a folyamat tehát leírható egy sima lefutású görbével, de a kísérletek során már korábban is bukkantak anomáliára.
A magyar tudósok ennek utánajárva kiterjesztették a megfigyelés szögtartományát, és találtak egy szokatlan csúcsot 140 foknál, aminél megint sok elektron-pozitron pár szabadult ki az atommagból. A nagyobb szögeknél aztán újfent visszaesett a párok száma. A kutatók ezt azzal magyarázták, hogy a berillium egy új, eddig ismeretlen bozon formájában adta le energiáját, majd ez a részecske bomlott elektronra és pozitronra. Az új bozonnal egy új, ismeretlen kölcsönhatásra is bukkantak, nagyon leegyszerűsítve azért, mert ezt nem lehet megmagyarázni az eddigi modellekkel. A kutatócsoport 2012-ben fedezte fel a jelenséget, majd három éven keresztül folyamatosan pontosított a mérési módszeren, de mindig ugyanazt az eredményt kapta.
Ez a kölcsönhatási erő az elektromágnesesnél gyengébb, a gravitációsnál erősebb, hatótávolsága nagyon rövid, közvetítő bozonja könnyű, tömege alig 34-szer nagyobb az elektronénál, energiája pedig 17 megaelektronvolt, ezért kapta az X17 nevet.
Új kísérletek
Az elmúlt három évben az Atomki új részecskegyorsítót indított, a kutatócsoport pedig újjáépítette az említett spektrométert: minden detektorát kicserélték, és így is észlelték ugyanazokat az eredményeket, illetve egy új kísérletet is végeztek. Ezúttal hélium-4 atommagot hoztak létre, amelyből nagyobb energiájú részecskék szabadultak fel, így a 140 helyett 115 fokos volt a spektrométerbe csapódás relatív szöge – és ez pontosan megfelelt a számítások alapján elvártnak.
A héliumos kísérlet kapcsán még komolyabban veszik a magyar eredményeket, a CERN három kutatást állított a témára, de jelenleg bővítik a Nagy Hadrönütköztető kapacitásait, vagyis a bizonyításra csak 2026 után kerülhet sor.
– A Róma melletti Frascatiban már elkezdtek dolgozni az X17-tel kapcsolatban. Ez egész más kísérlet, pozitronokat és elektronokat ütköztetnek, tehát fordítva próbálják előállítani. Ez a részecske erősebben kapcsolódik a neutronokhoz, mint az elektronokhoz, vagyis ennek a folyamatnak kisebb a valószínűsége, ezért sokkal hosszabb mérési időket kell használni az értékelhető eredményekhez. Viszont tisztább folyamat. Ha így is sikerül előállítani, az nagy áttörés lesz – mondja Krasznahorkay Attila.
Most a CNN is beszámolt a kutatásokról: azt, hogy ez Nobel-díjat is érhet, Jonathan Feng nyilatkozta. Lényegében ők állították fel az ötödik erő elméletét. Feng szerint az elmúlt három évben a fizikusok szerte a világon arra törekedtek, hogy hibát találjanak a magyarok munkájában, de egyelőre nem sikerült.
– Természetesen tovább próbálkozunk, most fogadták el a pályázatunkat München mellett egy nagy fluxusú atomreaktor kutatólaboratóriumában, ahol teljesen más reakcióval állítjuk majd elő a részecskéket, neutronokat használva a magreakció létrehozására – sorolja a terveket Krasznahorkay Attila. – Szeretnénk többféle módon bizonyítani az X17 létezését.
