Láthatatlan részecskék gyanúját tisztázhatta a korai univerzum forró plazmája, átírva a kozmikus rejtélyek vizsgálatát. Kiderült, hogy a feltételezett sötét fotonok mégsem fűtötték fel a fiatal kozmoszt, így a fizikusoknak teljesen másként kell keresniük a sötét anyagot. A Physical Review Letters folyóiratban megjelent új elméleti és szimulációs kutatás rámutatott: a plazma sajátos, nemlineáris viselkedése leállította a részecskék átalakulási folyamatát, mielőtt az érdemi hőmérséklet-emelkedést okozhatott volna.
A modern asztrofizika egyik legrégebbi és legégetőbb kérdése, hogy miből áll a világegyetem tömegének döntő többsége. A megfigyelhető anyag – a csillagok, bolygók és gázfelhők – mindössze a mindenség tömegének töredékét teszi ki. A fennmaradó rész jelentős hányadát a sötét anyag adja, amely elektromágneses kölcsönhatás hiányában nem bocsát ki és nem ver vissza fényt, jelenlétére kizárólag gravitációs hatásaiból következtetnek a kutatók. Az elmúlt évtizedekben számos elméleti modell született e rejtélyes összetevő magyarázatára, és az egyik legígéretesebb elképzelés a sötét foton elmélete volt.
A sötét fotonok elmélete és a rezonáns átalakulás gátja
A sötét foton hipotézise azon alapul, hogy a sötét anyagnak saját, a normál anyagtól eltérő kölcsönhatásai lehetnek. Ebben a modellben a sötét foton a közönséges foton – vagyis a fény részecskéjének – egyfajta nehezebb, gyenge kölcsönhatású ikertestvéreként működik. A korábbi fizikai számítások úgy becsülték, hogy a korai univerzumban a sötét fotonok és a rendes fotonok közötti rezonáns átalakulás óriási energiát adhatott át a kozmikus gáznak. Mivel a csillagászati megfigyelések nem mutatták ki e kozmikus felmelegedés nyomait, a fizikusok szigorú korlátozásokat határoztak meg: úgy vélték, a sötét foton létezése csak rendkívül szűk tömegtartományban lehetséges.
Az új szimulációk viszont felülírták ezt az évtizedes feltételezést. A kutatócsoport részecske-a-cellában (Particle-in-Cell) elnevezésű számítógépes modellezést alkalmazott, amellyel a korai univerzum elektron-ion plazmájának mikroszkopikus dinamikáját vizsgálták. A részletes szimulációk megmutatták, hogy amikor a sötét fotonok elkezdenek közönséges plazmahullámokká (úgynevezett Langmuir-hullámokká) alakulni, a plazma energiája gyorsan növekszik. Amint a hullámok energiája eléri a plazma termikus energiájának szintjét, belépnek a nemlineáris fizikai hatások, amelyek megváltoztatják a folyamat lefolyását.
Nemlineáris plazmahullámok és a kozmikus termosztát
A plazmában fellépő úgynevezett ponderomotív erők miatt a nagy amplitúdójú hullámok további ionakusztikus és magasabb hullámszámú rezgéseket gerjesztenek. Ez a jelenség erős sűrűségingadozásokat hoz létre a környező anyagban, ami helyileg megváltoztatja a plazmafrekvenciát. Az egyenetlenné váló környezetben a rezonanciás feltételek megszűnnek, így az átalakulás önmagát állítja le. A folyamat telítődik, mielőtt a sötét fotonok elegendő energiát adhatnának át ahhoz, hogy a kozmosz mérhetően felmelegedjen.
Ez a felismerés azt jelenti, hogy a korai univerzam plazmája egyfajta természetes termosztátként működött. A benyelt energia mértéke nagyságrendekkel elmaradt a korábban feltételezett értékektől, így a megfigyelhető kozmikus háttérsugárzás és az elemek keletkezésének arányai nem sérültek. Ennek eredményeként a korábbi korlátozások körülbelül tíz tömegnagyságrend tartományban érvényüket vesztették.
Szélesebb kutatási tér a kísérleti fizika számára
A teoretikus eredmény közvetlen kihatással van a kísérleti részecskefizikára. Korábban a tudományos közösség jelentős része úgy vélte, hogy bizonyos tömegű sötét fotonok létezése a kozmológiai adatok alapján már kizárható. Mivel azonban kiderült, hogy a korai plazma megakadályozta a látható felmelegedést, a korábban kizárt tömegtartományok ismét nyitottá váltak a közvetlen kísérleti keresés számára.
A laboratóriumi és részecskegyorsítós mérések, valamint a precíziós kvantumeszközökkel végzett kísérletek most olyan tartományokban is kutathatnak a sötét foton után, amelyeket eddig teoretikusan lezártnak tekintettek. A szilárdtestfizikai detektorok, a rezonáns üregek és a kozmikus sugárzást vizsgáló berendezések új megvilágításban értékelhetik az adatokat. A fizikusok abban bíznak, hogy a gátló elméleti korlátok feloldása elvezethet a sötét anyag első közvetlen észleléséhez.
Források:
