A sötét anyag megértésére és felépítésének meghatározására irányuló kísérletek már sok évtizede zajlanak a laboratóriumokban, de a kutatók dolgát nehezíti, hogy a megfigyelés nehezen kivitelezhető, mivel a titokzatos részecskék jelenlétét csak az Einstein által leírt relativitáselmélet szabályainak alkalmazása teszi nyilvánvalóvá. A közvetlen detektálást eddig viszont nem sikerült teljes bizonyossággal kivitelezni, bár történtek áttörések és lehetséges bizonyítások az elmúlt években, például a XENON1T kísérlet során Olaszországban tavaly júniusban.

Ahogy Konrad Lehnert, a NIST (National Institute of Standards and Technology, az Egyesült Államok Kereskedelmi Minisztériumához tartozó kísérleti laboratórium) fizikusa írja:

"Az univerzum négyötöde, úgy tűnik, olyasmiből épül fel, amit egyáltalán nem lehet atomnak nevezni, vagy, pontosabban fogalmazva, nem azok az alapvető részecskék alkotják, amelyeket ismerünk."

Arra, hogy a sötét anyag valójában milyen szubatomi egységekből áll össze, már léteznek teóriák: egyike a lehetséges jelölteknek az axion, amit Frank Wilczek fizikus (az időkristály feltalálója) egy népszerű mosószerről nevezett el, mondván, hogy az ugyanúgy tisztázni tud egy problémát. A hipotetikus axion nem rendelkezik spinnel, tömege elenyésző és gyenge kölcsönhatással kapcsolódik a környezetéhez, ezért jóformán észlelhetetlen, de magyarázatot ad a 70'es évek óta vitatott erős CP (charge-parity) problémára, ami a quarkokból felépülő egységek alapvetően szimmetrikus jellegét megtörő jelenségeket írja le.

De hogyan lehet megfigyelni az axionokat és a valóságban is bizonyítani a létezésüket?

Erre egy módszer kínálkozik, valahogyan meg kell mérni azt a nagyon gyengén észlelhető oszcillációt, amit az axion az elektromos jelekben generál bizonyos frekvencián. Ez a frekvencia 500 megahertz-től akár 500 gigahertz-ig terjedhet, vagyis az átfésülése sok időt vesz igénybe, de a munka már évekkel ezelőtt megkezdődött a NIST-nél és más kutatóintézetekben is. A detektálás mostantól könnyebben sikerülhet, a fizikusok ugyanis olyan eszközt építettek, amely az eddigieknél még sokkal érzékenyebb észlelésre képes.

A kvantumkristály csapdába ejtett ionokból áll, melyeknek oszcillációját és spinjét összehangolták: a mágneses térbe kényszerített 150 berilliumion önmagától rendeződik el egy kétdimenziós felületté (Coulomb kristállyá). A kvantum elnevezést az indokolja, hogy az ionok qubitokként funkcionálnak: a spinjük lehet felfelé mutató, lefelé mutató, vagy mindkettő egyszerre a szuperpozíció állapotában, de a kísérlet során az ionok spinje ugyanabba az irányba mutatott, így nyilvánvalóan látszott, mikor lézersugárral gerjesztett állapotukban az összefonódott részecskék perdülete egyszerre irányt váltott. Bár az összefonódott qubitek információjának kiolvasása nehéz feladat, de a kutatóknak sikerült a spin mérésével az elmozdulás mértékéről számot adó adatokhoz, a 'memóriához' hozzáférni és így ellenőrizni a lézer által okozott mozgás lenyomatát.

Az ionkristály más eszközöknél, például a különféle szupravezető áramköröknél pontosabban és más frekvenciákon tudja leolvasni az elektromos jelekben halványan érzékelhető változásokat, ezért a jövőben akár arról is számot adhat, ahogy a sötét anyag (legyen az axion, vagy más, egyelőre hipotetikus részecske) kapcsolatba lép a normál anyaggal és gyenge kölcsönhatás alakul ki közöttük. A kutatók azt tervezik, hogy az ionok számát több ezerre növelik, így háromdimenziós kristály jöhet létre, ami sokszorosára emeli az eszköz érzékelő képességét.

A kutatások pedig tovább zajlanak nem csak a NIST laboratóriumában, hanem a xenon alapú detektorokkal kivitelezett projektek (XENONnT és LUX-ZEPLIN) segítségével, vagy a Dali (Dark-photons & Axion-Like particles Interferometer) kísérlet során is, ez utóbbi esetében a 6 és 60 GHz közötti frekvenciatartományban nyomoz majd az axionok után egy nemzetközi kutatócsapat.

(Fotó: S. Burrows/JILA, Wikimedia Commons, Getty Images/floriana)

További cikkek a témában:

Magyar fizikusok megtalálhatták az ötödik alapvető erőt A fizika eddig négy alapvető erőt ismert: gravitáció, elektromágnesesség, gyenge kölcsönhatás és erős kölcsönhatás. Ezek mellé sorakozhat most fel egy új erő, amely segíthet megérteni a sötét anyag működését.
Így számolnak be a külföldi oldalak az elmúlt évek legnagyobb magyar tudományos felfedezéséről A Daily Mailtől a Popular Mechanicsig, a CNN-től a BBC-ig minden magyar és nemzetközi újság lehozta a szenzációs hírt: magyar kutatók felfedezhették az ötödik alapvető erőt, ami - ha tényleg létezik - teljesen megváltoztathatja a fizika szabályait. Azért voltak szkeptikusabbak is.
Több mint ezerkétszáz potenciális sötét-anyag lelőhelyet azonosíthattak Hatalmas sötét anyag csomók tarkíthatják a kozmoszt, és ahol igazán sűrűn van jelen ez a rejtélyes szubsztancia, a valóság szemmel láthatóan eltorzul.