2016.05.27. - Az ötödik kölcsönhatás nyomára bukkanhattak egy magyar laborban?

Amerikai elméleti fizikusok szerint az MTA debreceni Atommagkutató Intézetében egy radioaktív bomlási kísérlet során megfigyelt anomália a természet ötödik, egyelőre csak sejtett alapvető kölcsönhatásának a nyoma lehet.

Krasznahorkay Attila (MTA Atommagkutató Intézetét, Debrecen) és kollégái idén januárban meglepő új eredményről számoltak be a Physical Review Letters c. rangos folyóiratban. A cikkben egy új, az elektronnál mindössze 34-szer nehezebb bozon felfedezését jelentették be, de ez akkor nem keltett túl nagy feltűnést. 2016. április 25-én azonban amerikai elméleti fizikusok egy csoportja Jonathan Feng (University of California, Irvine) vezetésével az arXiv-on megjelentetett egy preprintet, amellyel a magyar eredményt jóval tágabb összefüggésbe helyezték, hiszen azt mondják, hogy a debreceni adatok egyetlen korábbi kísérletnek sem mondanak ellent, és a mérés valójában a természet ötödik alapvető kölcsönhatásának létezését bizonyítja. Négy nappal később Feng két kollégája bemutatta az elképzelésüket a SLAC National Accelerator Laboratory (Menlo Park, California) által szervezett konferencián, ahol Bogdan Wojtsekhowski (Thomas Jefferson National Accelerator Facility, Newport News, Virginia) elmondása szerint a kutatók ugyan szkeptikusak voltak Fengék ötletét illetően, de nagyon lelkesen fogadták, és sokan javaslatokkal is előálltak arról, hogyan lehetne ellenőrizni azt. Európai és amerikai csoportok is azon a véleményen vannak, hogy egy éven belül igazolni vagy cáfolni tudják a magyar eredményt.

Jelenlegi tudásunk szerint a természet négy alapvető kölcsönhatása a gravitációs, az elektromágneses, az erős és a gyenge kölcsönhatás, a fizikusok azonban egy ideje már úgy vélik, hogy létezhet egy ötödik is. Az elmúlt évtizedben az új kölcsönhatás utáni keresés felgyorsult, mivel a részecskefizika ún. sztenderd modelljének keretei között nem tudunk számot adni a sötét anyagról, amelyről úgy véljük, hogy az Univerzum tömegének egy jelentős, a magáról elektromágneses sugárzással hírt adó komponensnél jóval nagyobb részét teszi ki. A teoretikusok számos egzotikus részecskét és kölcsönhatás-közvetítőt alkottak meg elméletben, ezek közé tartozik az elektromágneses kölcsönhatást közvetítő közönséges foton analógiájára a "sötét foton" is.

Krasznahorkay Attila szerint ők csak a sötét fotonok létezésére kerestek bizonyítékot, Fengék véleménye azonban az, hogy valami mást találtak. A magyar kutatók 7-es tömegszámú lítium-izotópokat tartalmazó céltárgyat bombáztak protonokkal, aminek következtében 8-as tömegszámú instabil berillium-izotópok jöttek létre, amelyek aztán elbomlottak, a bomlás közben pedig elektron-pozitron párok keletkeztek. A sztenderd modellnek megfelelően azt kellett volna tapasztalniuk, hogy a detektált párok száma csökken, ahogyan a keletkezett és szétrepülő elektron-pozitron pár trajektóriái közti szög nő. Krasznahorkay és kollégái azonban arról számoltak be, hogy körülbelül 140°-nál egy váratlan csúcs tapasztalható a szög szerinti eloszlásban.

Az MTA debreceni Atommagkutató Intézetének elektron-pozitron spektrométere.
[MTA AI]

Krasznahorkay szerint a kiugrás azt bizonyítja, hogy az instabil berillium-izotópok egy kicsiny része a többletenergiáját egy új részecske formájában veszíti el, amelyik aztán elektron-pozitron párrá bomlik el. Kollégáival ki is számolta a részecske tömegét, ami 17 MeV-nek (megaelektronvoltnak) adódott. A debreceni kutatók biztosak a kísérletük eredményében, mivel az elmúlt három évben - minden elképzelhető hibaforrást kiküszöbölve - sokszor megismételték azt. Annak az esélye, hogy a szög szerinti eloszlásban a csúcs véletlenül jelenik meg, egy a kétszázmilliárdhoz.

A magyarok véleményével szemben Feng és munkatársai azt mondják, hogy a 17 MeV tömegű részecske nem sötét foton. Az új és a korábbi kísérleti eredmények elemzése után arra a következtetésre jutottak, hogy a részecske inkább egy ún. "protofobikus X bozon" (protophobic X boson). Egy ilyen részecske nagyon rövid, mindössze az atommag átmérőjének néhányszorosát elérő hatótávolságú kölcsönhatást közvetítene, és a sötét - illetve közönséges - fotonnal ellentétben nem az elektronok és a protonok, hanem az elektronok és a neutronok között. Feng csoportja más részecskéket is vizsgál, hogy azok magyarázhatják-e a magyarok által detektált anomáliát, a legegyszerűbb lehetőségnek azonban a protofobikus bozont tartják.

Jesse Thaler, az MIT (Massachusetts Institute of Technology, Cambridge) elméleti fizikusa szerint a Feng csoportja által felvetett szokatlan csatolás miatt ő személy szerint szkeptikus az új részecske létezését illetően, és egészen biztosan nem ez jutott volna először eszébe a sztenderd modell kiterjesztésével kapcsolatban. Mindenesetre figyelemmel fogja kísérni a fejleményeket, mivel lehet, hogy mégis ez az első kézzelfogható jelzés a látható univerzumon túli világ fizikájáról.

Valójában már nem kell sokáig várni annak eldöntésére, hogy a 17 MeV tömegű részecske vajon létezik-e vagy sem. A Jefferson Laboratory által koordinált DarkLight elnevezésű kísérletet, amelyben elektronokkal bombáznak hidrogéngázt, pontosan a 10 és 100 MeV közötti tömegű sötét fotonok detektálására tervezték. A DarkLight kollaboráció szóvivője, Richard Milner (MIT) szerint ezek után főleg a 17 MeV körüli tartományra fognak koncentrálni, és körülbelül egy éven belül vagy megtalálják a jelzett részecskét, vagy behatárolják a közönséges anyaggal való kölcsönhatásának erősségét. A feltételezett bozon nyomára akadhatnak a CERN-ben is (LHCb kísérlet), ahol kvark-antikvark bomlásokat tanulmányoznak, vagy két másik kísérletben, amelyekben pozitronokkal bombáznak fix céltárgyakat. Az egyik helyszín az INFN Frascati National Laboratory Róma közelében, a másik pedig a Budker Institute of Nuclear Physics a szibériai Novoszibirszkben.

Rouven Essig, a new yorki Stony Brook University elméleti fizikusa, a SLAC konferencia egyik szervezője úgy véli, hogy a bozon "nem várt" tulajdonságai valószínűtlenné teszik a létezésének megerősítését, a teszteket azonban üdvözli, hiszen őrültség lenne, ha nem próbálnánk egy másik kísérlettel is ellenőrizni az eredményt, tudva, hogy a természet már korábban is sokszor meglepett bennünket...

Forrás:

• Nature News 2016.05.25.