Magyar fizikusok felfedezték a természet ötödik kölcsönhatását

A debreceni kutatók megismételték három évvel ezelőtti korszakalkotó kísérletüket, és ugyanazt kapták: egy új elemi részecskét és a természetet irányító, eddig ismeretlen erőt fedeztek fel. 

Ha mindez igaznak bizonyul, és erre egyre nagyobb az esély, az nyilvánvalóan Nobel-díjat fog eredményezni.

Krasznahorkay Attila és munkatársai a korábban a Magyar Tudományos Akadémiához tartozó debreceni Atommagkutató Intézetből (Atomki) három évvel ezelőtt lettek világhírűek. Akkor azt írta róluk a Nature, hogy „véletlenül” felfedezték az univerzumot mozgató ötödik erőt, amely talán valamilyen módon a sötét anyag és a sötét energia mibenlétét magyarázza meg. A kísérleteik során kimutatott, korábban soha nem látott részecskéről akkoriban a legtöbben úgy tartották, hogy maga lehet a sötét foton.

Azóta eltelt három év, és sokan próbálták megcáfolni az eredményeket, de senkinek sem sikerült. Az Atomki nemrégiben új részecskegyorsítót, Krasznahorkay kutatócsoportja pedig még érzékenyebb detektort szerzett be, hogy megismételhessék a kísérletet. 

A napokban a nemzetközi sajtóban is újra a figyelem középpontjában került eredmények megértéséhez nem árt röviden kitérni arra, hogy a fizika úgynevezett standard modellje szerint négy alapvető kölcsönhatás (vagy erő) irányítja az univerzumot: a gravitáció, az elektromágneses, a gyenge és az erős kölcsönhatás (utóbbi kettő az atomokat és az elemi részecskéket tartja egyben). A sötét anyag tulajdonságai azonban nem magyarázhatók pusztán e kölcsönhatásokat figyelembe vevő egyenletek segítségével, így számos fizikus véleménye szerint létezhet egy ötödik alapvető kölcsönhatás. 2016-ig azonban senki sem találta meg ezt.

Az ezredforduló után megkeresett minket egy holland kollégám azzal, hogy ő gyanítja, létezik egy, az elektron tömegénél 18-szor nehezebb részecske, és ezt szeretné kimutatni az Atomki eszközeinek segítségével. Én örömmel fogadtam őt, de sajnos hosszú évek próbálkozásának dacára sem sikerült eredményeket elérnie. Sajnos úgy vélem, az emiatt érzett elkeseredés is hozzájárulhatott korai halálához – kezdte a felfedezés történetét Krasznahorkay Attila az Indexnek.

Pontosabb mérések

2015-ben azonban fordulópont következett, hiszen teljesen új spektrométert építettek az Atomkiban. Ma már tudják, hogy a korábbi kudarc oka az volt, hogy miközben ezt a feltételezett, az elektronnál 18-szor nehezebb részecskét keresték, nem nyitották elég szélesre a keresés ablakát. Krasznahorkay először 2012-ben hozta nyilvánosságra egy konferencián, hogy 17 megaelektronvolt (MeV) környékén látnak egy új részecskét. Ezt a kísérletet később sokszor, egyre pontosabb méréseket lehetővé tévő körülmények között megismételték.

Végül bebizonyosodott, hogy 17 MeV-nél, tehát az elektron tömegének 34-szeresénél határozott effektus látható a spektrumon, amint az megjelent az egyik legtekintélyesebb fizikai folyóiratban 2016-ban. Erre felbolydult a fizikusvilág, és hirtelen még a laikus világsajtó is az Atomki felfedezésével lett tele. Számos elmélet született az eredmények magyarázatára, illetve cáfolatára, de egyik sem nyert eddig bizonyítást.

Új, még csodálatosabb eredmények

A kutatás pedig nem állt le, sőt most ért el abba az állapotba, amikor az ötödik kölcsönhatás felfedezését nemcsak valamiféle elméleti lehetőségként, hanem nagyon is valószínű tényként kell említenünk. Krasznahorkay Attila csoportja nemrégiben feltöltött a megjelenés előtt álló tanulmányok megosztására használt arXiv preprintszerverre egy újabb tanulmányt, amely az eredeti kísérlet módosított megismétlésének eredményeit tartalmazza. Az új eredményeket megint csak képtelenség volt megmagyarázni a standard modell segítségével, így tovább erősödött az új részecske és vele együtt az új erő felfedezésének valószínűsége.

Időközben az Atomki egy új részecskegyorsítót kapott, amivel az új kísérleteinket végezhettük. Teljesen újjáépítettük a spektrométerünket. Új, pontosabb eszközöket, detektorokat szereztünk be. Nagy örömünkre sikerült ezzel a korábbi eredményeket reprodukálni. Idén pedig egy új kísérletet terveztünk, ami sorsdöntőnek bizonyult –  folytatta a fizikus.

„Hélium-4 atommagot hoztunk létre, amelynek eredményeként nagyobb energiájú részecskék szabadultak fel belőle, mint korábban a berillium-8-ból. A kiszabaduló részecske nagyobb sebességgel mozog, és kisebb szögben lép ki a gyorsan mozgó X17 részecskéből. Míg a berilliumnál 140 fokos szögben érkeztek az elektron-pozitron párok a detektorba, a héliumnál 115 fokos volt a becsapódás relatív szöge.”

Ez az érték pontosan megfelelt az elméleti számítások alapján vártnak, így bebizonyosodott, hogy ugyanarról a részecskéről és így ugyanarról a kölcsönhatásról van szó, mint korábban. A mért tömegtartományba a részecskefizika standard modellje nem jósol új részecskét, tehát ez valami nagyon új és ismeretlen részecske lehet.

Az elektron tömege nagyjából fél MeV, a müoné 140, közöttük eddigi tudásunk szerint nem kellene lennie semmilyen részecskének. De mégis van, Debrecenben találták meg. Most az új részecske tulajdonságait igyekeznek pontosan meghatározni, hogy a számos elmélet közül kiválaszthassák azt, amely a létét magyarázza. Úgy tűnik, hogy a felfedezett részecske egy új típusú bozon. Márpedig az eddig ismert bozonok egy-egy alapvető kölcsönhatást hordoznak (például az elektromágnesességet hordozó foton vagy az erős kölcsönhatást hordozó gluon).

Az új részecske lehet a sötét foton, de akár lehet más is, például az amerikai kollégák által felvetett „protonfóbiás részecske”. Ezt ma még nem lehet eldönteni. A világ számos laboratóriumában dolgoznak azon, hogy reprodukálják a kísérletet, de egyelőre még csak az Atomki rendelkezik erre alkalmas spektrométerrel. Az új részecske energiája ugyanis valahol a magfizikusok és a részecskefizikusok által vizsgált energiatartomány között van félúton, így egyik társaság eszköztára sem igazán jó a kimutatására. Még éveket kell várni arra, hogy megépítsék azokat a berendezéseket, amelyek végérvényesen pontot tehetnek a rejtély végére.

Az egyszerű mérési hiba esélye ma már elhanyagolható, főként a héliumos kísérlet tökéletesen megerősítő eredményei után. A mostani világszenzációt kirobbantó CNN-cikk címében az Irvine-i Kaliforniai Egyetem egyik fizikusát idézi, aki már évek óta követi Krasznahorkayék eredményeit, és meg van győződve arról, hogy ez valóban egy új részecske, és valóban új kölcsönhatás. Szerinte nem is kérdés, hogy ezért Nobel díjat fognak kapni. 

Feltettük a kérdést Krasznahorkay Attilának, hogy mennyire reménykedik a Nobel-díjban. Ő azt felelte erre: az esély megvan, de még sok időnek kell eltelnie, míg odáig jutunk. Lassan őrölnek a Nobel-bizottság malmai. Most a legfontosabb feladat, hogy megérjük, míg esetleg felmerül a díjazásunk. A frakkomat még nem adtam tisztítóba, addig szerintem ki is fogom nőni.