A világegyetem hiányzó tömegének, a sötét anyagnak az intenzív, világméretű keresése során eddig nem sikerült megtalálni a sötét, nagy tömegű csillagok tömegét vagy a furcsa, új, gyenge kölcsönhatású részecskék tömkelegét, de egy új jelölt lassan követőket és megfigyelési támogatást nyer.

Az úgynevezett SIMP-ket – erősen kölcsönható masszív részecskék – három évvel ezelőtt javasolta a Kaliforniai Egyetem, Berkeley elméleti fizikusa, Hitoshi Murayama, a japán Kavli Institute for the Physics and Mathematics of the Universe (Kavli IPMU) igazgatója és Yonit Hochberg, a UC Berkeley korábbi posztdoktora, aki jelenleg az izraeli Héber Egyetemen dolgozik.

Murayama szerint egy közeli galaktikus halmozódás közelmúltbeli megfigyelései bizonyíthatják a SIMP-k létezését, és arra számít, hogy a jövőbeni részecskefizikai kísérletek felfedeznek egyet közülük.

Murayama a SIMP-kről szóló legújabb elméleti elképzeléseit és azt, hogy az ütköző galaxisok hogyan támasztják alá az elméletet, egy meghívott előadáson beszélt decemberben. Texas Symposium on Relativistic Astrophysics (Relativistic Astrophysics) című 29. Texasi Szimpóziumon, Fokvárosban, Dél-Afrikában.

A csillagászok kiszámították, hogy a sötét anyag, bár láthatatlan, a világegyetem tömegének mintegy 85 százalékát teszi ki. Létezésének legbiztosabb bizonyítéka a csillagok mozgása a galaxisokban: A láthatatlan sötét anyag nélkül a galaxisok szétrepülnének. Egyes galaxisokban a látható csillagok olyan ritkák, hogy a sötét anyag a galaxis tömegének 99,9 százalékát teszi ki.

A teoretikusok először azt gondolták, hogy ez a láthatatlan anyag csak normális anyag, amely túl halvány ahhoz, hogy lássuk: barna törpéknek nevezett bukott csillagok, kiégett csillagok vagy fekete lyukak. Az úgynevezett masszív kompakt halo-objektumok – MACHO-k – azonban elkerülték a felfedezést, és az év elején a Subaru Teleszkóp által az Androméda galaxisról készített felmérés alapvetően kizárta a fekete lyukak jelentős felfedezetlen populációját. A kutatók a nagyon korai világegyetemből visszamaradt fekete lyukak, úgynevezett ősfekete lyukak után kutattak, olyan hirtelen fényesedések után kutatva, amelyek akkor keletkeznek, amikor a háttércsillagok előtt haladnak el, és gyenge lencseként viselkednek. Pontosan egyet találtak – túl keveset ahhoz, hogy jelentősen hozzájáruljanak a galaxis tömegéhez.

“Ez a tanulmány nagyjából kizárta a MACHO-k lehetőségét; azt mondanám, hogy nagyjából megszűnt” – mondta Murayama.

A WIMP-ek – a gyenge kölcsönhatású masszív részecskék – nem jártak jobban, annak ellenére, hogy több évtizede a kutatók figyelmének középpontjában állnak. Viszonylag nagynak kell lenniük – körülbelül százszor nehezebbnek, mint a proton – és olyan ritkán lépnek kölcsönhatásba egymással, hogy “gyengén” kölcsönhatónak nevezik őket. Úgy gondolták, hogy a gravitáció révén gyakrabban lépnek kölcsönhatásba a normál anyaggal, segítve a normál anyagot csomókba vonzani, amelyek galaxisokká nőnek, és végül csillagokat szülnek.

A SIMP-k önmagukkal lépnek kölcsönhatásba, de másokkal nem

A WIMP-ekhez és a MACHO-khoz hasonlóan a SIMP-k elméletileg nagy mennyiségben keletkeztek volna a világegyetem történelmének korai szakaszában, és azóta lehűltek az átlagos kozmikus hőmérsékletre. A WIMP-ekkel ellentétben azonban a SIMP-ek az elmélet szerint a gravitáción keresztül önmagukkal erősen, a normál anyaggal viszont nagyon gyengén lépnek kölcsönhatásba. A Murayama által felvetett egyik lehetőség szerint a SIMP a kvarkok új kombinációja, amelyek a protonhoz és neutronhoz hasonló részecskék, az úgynevezett barionok alapvető alkotóelemei. Míg a protonok és neutronok három kvarkból állnak, a SIMP inkább egy pionhoz hasonlítana, mivel csak kettőt tartalmazna: egy kvarkot és egy antikvarkot.

A SIMP kisebb lenne, mint egy WIMP, mérete vagy keresztmetszete olyan, mint egy atommagé, ami azt jelenti, hogy több van belőle, mint amennyi WIMP lenne. A nagyobb szám azt jelentené, hogy a normál anyaggal való gyenge kölcsönhatásuk ellenére – elsősorban a normál anyagról való szóródásuk révén, szemben a normál anyaggal való összeolvadással vagy a normál anyagba való bomlással – mégis ujjlenyomatot hagynának a normál anyagon, mondta Murayama.

Egy ilyen ujjlenyomatot lát az Abell 3827 halmazon belül négy ütköző galaxisban, ahol meglepő módon a sötét anyag lemaradni látszik a látható anyagtól. Szerinte ezt az egyes galaxisokban lévő sötét anyag közötti kölcsönhatásokkal lehet magyarázni, amelyek lelassítják a sötét anyag összeolvadását, de a normál anyag, alapvetően a csillagokét nem.

“Az egyik módja annak, hogy megértsük, miért marad le a sötét anyag a fényes anyagtól, az, hogy a sötét anyag részecskéi valójában véges méretűek, szétszóródnak egymáshoz képest, így amikor a rendszer többi része felé akarnak mozogni, visszaszorulnak” – mondta Murayama. “Ez megmagyarázná a megfigyelést. Ez az a fajta dolog, amit az én elméletem jósol, miszerint a sötét anyag egy újfajta kvarkok kötött állapota.”

A SIMP-ek a WIMP-elmélet egyik fő hiányosságát is kiküszöbölik: a sötét anyag eloszlásának magyarázatát a kis galaxisokban.

“Volt egy régóta fennálló rejtély: Ha megnézzük a törpegalaxisokat, amelyek nagyon kicsik, meglehetősen kevés csillaggal, akkor valóban a sötét anyag dominál bennük. És ha végigmegyünk a numerikus szimulációkon, hogy a sötét anyag hogyan halmozódik össze, akkor mindig azt jósolják, hogy a középpont felé van egy hatalmas koncentráció. Egy csúcs” – mondta Murayama. “De a megfigyelések azt mutatják, hogy a koncentráció laposabb: egy mag a csúcs helyett. A mag/csúcs problémát tekintették az egyik fő problémának a sötét anyaggal kapcsolatban, amely a gravitáción kívül nem lép kölcsönhatásba egymással. De ha a sötét anyagnak véges mérete van, mint egy SIMP-nek, akkor a részecskék “összecsapódhatnak” és szétszóródhatnak, és ez valójában ellaposítaná a tömegprofilját a középpont felé. Ez egy újabb “bizonyíték” az ilyen elméleti elképzelésre.”

Folyamatban lévő kutatások a WIMP-ek és axionok után

Földi kísérleteket terveznek a SIMP-ek keresésére, főként olyan gyorsítókban, mint a genfi CERN nagy hadronütköztetője, ahol a fizikusok folyamatosan keresik az új előrejelzéseknek megfelelő ismeretlen részecskéket. Egy másik kísérlet a Japánban tervezett nemzetközi lineáris ütköztetőben szintén alkalmas lehet a SIMP-k keresésére.

Miközben Murayama és kollégái finomítják a SIMP-k elméletét és keresik a megtalálásuk módját, a WIMP-k keresése is folytatódik. A Large Underground Xenon (LUX) sötétanyag-kísérlet egy dél-dakotai földalatti bányában szigorú határokat szabott arra, hogyan nézhet ki egy WIMP, és egy továbbfejlesztett LZ nevű kísérlet tovább fogja feszegetni ezeket a határokat. Daniel McKinsey, a UC Berkeley fizikaprofesszora az egyik társfelelőse ennek a kísérletnek, szorosan együttműködve a Lawrence Berkeley Nemzeti Laboratóriummal, ahol Murayama a kar vezető tudósa.

A fizikusok más sötétanyag-jelölteket is keresnek, amelyek nem WIMP-ek. A UC Berkeley oktatói két kísérletben is részt vesznek, amelyekben egy axionnak nevezett hipotetikus részecskét keresnek, amely megfelelhet a sötét anyag követelményeinek. A Cosmic Axion Spin-Precession Experiment (CASPEr), amelyet Dmitry Budker, a fizika professor emeritusa, aki jelenleg a németországi Mainz-i Egyetemen dolgozik, és Surjeet Rajendran elméleti kutató, a UC Berkeley fizikaprofesszora vezet, az axionmező által okozott perturbációkat tervezi keresni a nukleáris spinben. Karl van Bibber, az atommérnöki tudományok professzora kulcsszerepet játszik az Axion Dark Matter eXperiment – High Frequency (ADMX-HF) kísérletben, amely egy erős mágneses térben lévő mikrohullámú üregben lévő axionokat próbál detektálni, amint azok fotonokká alakulnak át.

“Természetesen nem szabad feladnunk a WIMP-ek keresését”, mondta Murayama, “de a kísérleti határok egyre fontosabbak. Ha egyszer eljutunk arra a mérési szintre, ahol a közeljövőben leszünk, még a neutrínók is a kísérlet hátterévé válnak, ami elképzelhetetlen.”

A neutrínók olyan ritkán lépnek kölcsönhatásba a normál anyaggal, hogy becslések szerint 100 billió repül át a testünkön másodpercenként anélkül, hogy észrevennénk, ami rendkívül megnehezíti a kimutatásukat.

“A közösség konszenzusa az, hogy nem tudjuk, meddig kell elmennünk, de legalább erre a szintre le kell jutnunk” – tette hozzá. “De mivel határozottan nincsenek jelei a WIMP-ek megjelenésének, az emberek mostanában szélesebb körben kezdenek gondolkodni. Álljunk meg, és gondoljuk át újra a dolgot.”