137454
A tudomány hírei
Vissza
2016. 02. 01.

A sötét fotonra utaló jeleket figyeltek meg Debrecenben

Kimagasló kísérleti eredményeket értek el az MTA Atomki debreceni kutatói, amiket a rangos Physical Review Letters-ben publikáltak. Egy Debrecenben épített elektron-pozitron spektrométerrel vizsgálták a nagy-energiás atommag-átmenetekben keletkező elektron-pozitron párok szögkorrelációját. Ezek elvileg jól leírhatók egy sima lefutású görbével.  A 8Be 18.15 MeV-es átmenete esetén azonban nagy szögeknél szignifikáns, csúcsszerű eltérést tapasztaltak, amit a jelenlegi magfizikai ismeretek alapján nem lehet értelmezni. Ugyanakkor összhangban van egy új, kis-tömegű semleges részecske feltételezésével, aminek a tulajdonságai jól egyeznek az elméletileg várható sötét fotonéval.

Csillagászati megfigyelések alapján a Világegyetem gravitáló tömegéhez ötször nagyobb járuléka van az olyan anyagi részecskéknek, amelyeket még nem sikerült felfedezni (sötét anyag), mint azoknak, amelyeket ismerünk (látható anyag).  A sötét anyagnak jelenleg csak a gravitációs, vonzó hatását ismerjük.  Ezen láthatatlan anyag építőköveinek azonosítása jelenleg a nagyenergiás fizika egyik legégetőbb problémája, de az óriási erőfeszítések ellenére eddig még nem sikerült pozitív eredményeket elérni. A konkrét eredmények helyett csak a kihívás erősödött, és az a tudat, hogy a természet még igen sok felfedezni valót rejtegethet.

A sötét anyagra vonatkozó korábbi elméletekben központi szerepet játszottak a gyengén kölcsönható nagy tömegű részecskék, a WIMP-ek. Ezek kimutatása azonban mindezidáig nem sikerült, így a kutatások élvonala a kisebb tömegek irányába tolódott el. Jelenleg már nagy mennyiségű elméleti előrejelzés áll rendelkezésünkre ezen kisebb tömegű részecskékre is. A részecske tömegét azonban ezek csak gyengén korlátozzák, ezért a kísérleti vizsgálatokat egy nagyon széles energiatartományban, 10 MeV-től- 1 GeV-ig kezdték el.  Tűt keresünk a szénakazalban. Igaz, hogy már az energiatartomány jelentős részét ki is zárták, de még mindig sok kísérletet terveznek a világ nagy laboratóriumaiban a lehetséges részecske kimutatására.


Az öt detektor-teleszkópból álló elektron-pozitron pár spektrométer (jobbra), a hozzájuk tartozó gázrendszerrel (jobbra lent), elektronikával, és adatgyűjtő rendszerrel (balra)
Az öt detektor-teleszkópból álló elektron-pozitron pár spektrométer (jobbra), a hozzájuk tartozó gázrendszerrel (jobbra lent), elektronikával, és adatgyűjtő rendszerrel (balra)

A sötét anyag részecskéi közötti kölcsönhatás leírására vezették be, az elektromágneses kölcsönhatás közvetítő részecskéjének az analógiájára, az úgynevezett sötét fotont, aminek a keresése az utóbbi években egyre nagyobb erőkkel folyik. Az elmélet szerint a sötét foton gyengén ugyan, de kölcsönhatásban áll a látható világunkkal is. Lehetséges-e, hogy a fenti kapcsolatot megteremtő részecske tömege elegendően kicsi ahhoz, hogy atommag átmenetekben is előállíthassuk? Jelenleg ezt a lehetőséget sem kísérleti adatok, sem elméleti becslések nem zárják ki. Ez volt az indítéka annak, hogy a debreceni kutatók az Atomkiban, Krasznahorkay Attila vezetésével, kutatási programot indítottak a fenti részecske keresésére.

Az atommag legerjesztődésekor keletkező elektron-pozitron párok szögkorrelációját vizsgálták. A debreceni kutatók egy olyan új elektron-pozitron pár-spektrométert építettek,  aminek a hatásfoka nagyságrendekkel jobb a korábbi, hasonló berendezésekénél. Ezzel a spektrométerrel  a vizsgált szögkorrelációban a belső párkeltésből várt eloszláshoz képest, egy speciális nagy energiájú magátmenet esetén, szignifikáns, csúcsszerű eltérést tapasztaltak. Ezt jelenlegi ismereteink szerint nem tudjuk magfizikai eredetűként értelmezni.  A szögkorrelációban kapott csúcs viszont értelmezhető egy 16,7 MeV/c2 tömegű, és az adott magátmenet jellemzői miatt, 1-es spinű, pozitív paritású, izoskalár, semleges részecske bomlásával, aminek a kísérletileg meghatározott csatolási állandója is jól egyezik a sötét fotonra előrejelzettel.

A méréseket az Atomki nemrég átadott Tandetron gyorsítójánál egy új elektron-pozitron spektrométer segítségével fogják folytatni. A programot a Nemzeti Kutatási, Fejlesztési és Innovációs Hivatal, valamint az Európai Unió is támogatja az ENSAR program keretében.

 

Az eredményeket bemutató szakcikk ide kattintva olvasható.

További információ

Krasznahorkay Attila
Főosztályvezető, MTA Atommagkutató Intézet
Debrecen, Bem tér 18/c

Telefon: +36 52 509249
E-mail: kraszna@atomki.hu