Sötét anyag vagy nem?

A Nemzetközi Űrállomás (ISS) fedélzetén dolgozó AMS berendezés most közölt első eredményei még nem tekinthetők végleges válasznak, de nagyon biztatóak.

A nemzetközi együttműködésben épült, egymilliárd dolláros Alfa Mágneses Spektrométer (Alpha Magnetic Spectrometer, AMS) 2011-ben, az Endeavour utolsó repülése, az űrrepülőgépes program utolsó előtti útja (STS-134) során került fel az ISS-re.

Az AMS detektor az űrállomás külső részén. A programot Svájcból, a nukleáris kutatások európai szervezetéből (CERN) irányítják, s ide futnak be a mérési adatok is. (Kép: NASA)

Az AMS elsődleges célja, hogy a részecskefizikusok közelebb kerüljenek annak a kiderítéséhez, miből is áll az úgynevezett sötét anyag. Az elnevezés arra utal, hogy ez a fajta anyag nem bocsát ki és nem nyel el elektromágneses sugárzást, csak a „látható” anyagra gyakorolt tömegvonzása alapján érhető tetten. A csillagászok már régóta gyűjtik a bizonyítékokat a sötét anyagra, és több különböző is akadt belőlük. A galaxishalmazok tagjainak a sebessége például túl nagy ahhoz, hogy csupán a bennük fénylő anyag tömegvonzása össze tudná tartani őket. A halmazok a háttérben, még távolabb látszó galaxisok fényét gravitációsan lencsézik, s ennek a mértéke is jelentős mennyiségű sötét anyagra utal. Csakúgy, mint a galaxisok forgási sebessége, ami a középpontjuktól való nagy távolságokban is számottevő, vagyis itt is kell egy plusz összetartó gravitációs vonzóerő. A világegyetem keletkezését és fejlődését leíró kozmológiai modell működéséhez pedig szükség van a sötét anyagra, különben nem álltak volna össze ilyen hamar az univerzumban megfigyelhető struktúrák, a galaxisok és halmazaik. A legújabb eredmények szerint tömegét tekintve mintegy 5,5-szer több sötét anyag van a világegyetemben, mint az általunk megszokott „normális” anyag.

Azonban hogy milyen elemi részecskék alkotják a sötét anyagot, az mind a mai napig rejtély. Az egyik legnépszerűbb jelöltek az ún. szuperszimmetrikus részecskék. A szuperszimmetria elmélete (SUSY) szerint minden részecskének van egy szuperszimmetrikus megfelelője. Ezek csak gravitációs és gyenge kölcsönhatásban vesznek részt, közvetlen kísérleti kimutatásuk még várat magára (a CERN Nagy Hadronütköztetőjében 2015 után próbálkoznak majd újra vele). Az egzotikus, gyengén kölcsönható, nagytömegű részecskék (weakly interacting massive particles, WIMP) találkozásukkor megsemmisülnek (annihilálódnak), mivel egyúttal saját antirészecskéik. Végső soron egy elektron-pozitron párt és gamma-fotont bocsátanak ki.

Az űrállomáson levő AMS kutatási programjának első, a szuperszimmetrikus részecskékre vonatkozóan biztató eredményei a Physical Review Letters folyóiratban jelennek meg. Közvetett bizonyítékként értelmezhető a különféle energiákon (0,5 GeV és 350 GeV között) észlelt pozitronok (az elektronok antirészecskéi) száma és irány szerinti eloszlása. Ha a sötét anyag egyenletesen oszlik el galaktikus környezetünkben, akkor a WIMP-ek annihilációjából származó pozitronok minden irányból egyforma számban kell érkezzenek, és időbeli változás sem figyelhető meg bennük. Épp ezt mutatták ki az AMS méréseivel. A bizonyíték ugyanakkor még nem perdöntő, hiszen a beérkező pozitronok származhatnak például a környékünkön levő pulzárokból is. Hogy ez így van-e, arra további, még nagyobb energiákon végzett mérések adhatnak választ, ahol a kétféle modell jóslatai nagyban eltérnek. Ha a sötét anyag a felelős, akkor a szuperszimmetria elmélete szerint a pozitronok száma 350 GeV fölött már csökkenésnek kell induljon. Idővel a nagyon ritka, akár ezer 1000 GeV-es események is elegendő számban állnak majd rendelkezésre a statisztikához, mivel az AMS egy hosszú távra, két évtizedesre tervezett kísérlet – hála az ISS elnyújtott működési élettartamának.

Az első 18 hónapos működése alatt az AMS mintegy 25 milliárd részecske becsapódását regisztrálta a 0,5 GeV és 350 GeV közötti tartományban. Ezek közül 400 ezer volt pozitron. A pozitronok részarányát mutatja a fenti grafikon az energia függvényében. A piros körök az új, az eddigieknél sokkal pontosabb mérések. (Kép: CERN)

Kapcsolódó cikkek:
A sötét anyagot kereső „detektív”
Késni fog a shuttle-flotta végleges nyugdíjazása
STS-134: Sikeres leszállás
Mire jó a Nemzetközi Űrállomás? (2. rész)
REJTVÉNY: A fekete Tadzs Mahal
MEGFEJTÉS: A fekete Tadzs Mahal
Egy gigantikus lencse
WMAP: kilenc év után vége
Az ősrobbanás nyoma, nagy felbontással

Kapcsolódó linkek:
A sötét anyagra utaló lehetséges jel? (Sky & Telescope)