iPon Cikkek

A sötét anyag és az axionok

Dátum | 2015. 02. 05.
Szerző | Jools
Csoport | EGYÉB

A Tejútrendszerben végzett megfigyelések alapján tudjuk, hogy minden köbméternyi űrön, még azon is, amely jelenleg körülvesz minket, minden pillanatban nagyjából 50 protonnyi tömegű anyag halad át. Ez az anyag azonban nem olyan, mint amilyenből mi magunk, vagy a környező tárgyak állnak. Egy különleges szubsztanciáról van szó, amely nem kerül kölcsönhatásba a látható anyaggal, nem veri vissza a fényt és nem ütközik bele a szilárd tárgyakba. A rejtélyes valamit sötét anyagnak nevezik a szakértők. Mivel egy-egy piciny térrészben relatíve kevés sötét anyag van jelen, nagyon nehéz észlelni a jelenlétét. Ha azonban azt nézzük, hogy milyen hatalmas, normál anyagtól mentes űr vesz körül minket, amelynek viszont minden egyes köbméterében szintén ott van az a bizonyos 50 protonnyi sötét anyag, hamar összejön az a mennyiség, amely már komoly gravitációs befolyással rendelkezik. Jelenlegi ismereteink szerint a sötét anyag felelős a galaxisok és a galaxishalmazok normál anyagának egybentartásáért. A sötét anyag tehát minden jel szerint nagyon fontos szerepet tölt be a világegyetem nagy struktúráinak fenntartásában, ennek ellenére nagyon keveset tudunk arról, hogy ezt milyen módon teszi. Szakmai körökben több különböző elmélet is létezik azzal kapcsolatban, hogy pontosan miből is áll a sötét anyag. A legerősebbnek tűnő jelöltnek jelenleg az úgynevezett WIMP-ek, vagyis a gyengén kölcsönható nagytömegű részecskék tűnnek, nem ezek jelentik ugyanakkor az egyetlen lehetséges magyarázatot a rejtélyes anyag mibenlétére. Akadnak olyan kutatók, akik szerint a sötét anyag másfajta nehéz részecskékből áll, és vannak olyanok is, akik szerint nem részecsketermészetű anyagról van szó.
Ilyen formájú lehet a Tejútrendszert összetartó sötét anyagból álló haló
Az axionoknak nevezett teoretikus részecskék létezését először az atommagokat egybentartó erős kölcsönhatás egyik problémájának megmagyarázására ötlötték ki, azóta azonban kiderült, hogy a feltételezett részecskék a sötét anyag alkotórészeiként is megállhatják a helyüket. A sötét anyaggal kapcsolatos modellek két érdekes elméleti irányvonalra oszthatók. Az egyik forró, a másik hideg anyagot képzel el, ami lényegileg annyit jelent, hogy a forró sötét anyag (HDM) részecskéi rendkívül gyorsak, és a fénysebesség egy tekintélyes töredékével száguldoznak ide-oda, míg hideg sötét anyag (CDM) esetén ennél jóval nyugalmasabb részecskékkel van dolgunk. Mivel a szakértők szerint a forró sötét anyag részecskéi elszöknének galaxisuk gravitációs vonzásától, valószínűbb, hogy az anyag hideg, és ezért képes szép, gömbölyű galaktikus halókat alkotva beburkolni és behálózni a csillagrendszereket. A HDM és a CDM feltételezett részecskéi közt az egyetlen különbség ezek tömegében rejlik. Ha a sötét anyag alacsony tömegű részecskékből áll, ezek könnyen felgyorsulhatnak, és mivel az anyag nem nagyon kerül kölcsönhatásba más részecskékkel, nagyon nehéz lenne lelassítani ezeket. A CDM részecskéit ehhez képest nehezebb, kevésbé gyorsítható építőelemekként képzelik el a szakértők, ebbe a kategóriába esnek egyebek mellett a WIMP-ek is. Az axionok érdekes köztes helyet foglalnak el a forró és a hideg elmélet határán. A feltevések szerint alacsony tömegűek, mivel azonban a világegyetem nagyon korai időszakában a gravitáció lelassította őket, úgy viselkednek, mint a CDM részecskéi, vagyis lassan mozognak, és képesek halókat képezni. Ha a sötét anyag axionokból állna, az azért is nagyon hír lenne, mert ez csak nagyon szűk tömeghatárok között lehetséges. Ha a részecskék ennél nehezebbek vagy könnyebbek lennének, gyökeresen másként viselkednének, mint amit a sötét anyaggal kapcsolatos közvetett megfigyelések sugallnak. Az sn1987a katalógusjelű szupernóva például jelentős energiákat veszített volna, ahogy robbanása során az axionok elhagyták az egykori csillagot, ami jelentősen eltérő neutrínóvillanást produkált volna, mint amit a földi megfigyelők észleltek.
SN1987a
A szűk tömeghatárok miatt az axionhipotézis viszonylag könnyen tesztelhető, hiszen kevés dolgot kell megvizsgálni, mielőtt beigazolódik vagy cáfolásra kerül a feltevés. (Az axionok létezése persze ez utóbbi esetben sem lenne kizárható, de annyit el lehetne mondani, hogy ezek nem a sötét anyag részecskéi.) Az axionok másik előnye tudományos szempontból, hogy elméletileg spontán módon olyan részecskékre bomlanak, amelyeket van esélyünk tesztelni. A szakértők szerint az axion ugyanis két fotonná bomlik, amelyek fény formájában detektálhatók. A folyamat ellentéte, két foton axionná történő egyesítése is elképzelhető módszer lehet a részecske létének igazolására, és ez megmagyarázhatná a fény keletkezésének egyik módját is. Elméletileg tehát a távoli galaxisok halójában előfordulhat, hogy az axionok fotonokká bomlanak, és ezt egy kellően érzékeny távcsővel észlelhetnénk is, sajnos azonban ennyire precíz műszerek jelenleg még nem állnak a rendelkezésünkre. Az is problémás, hogy amennyiben sikerülne egy ilyen észlelést végrehajtani, még akkor sem tudnánk megállapítani, hogy a bomló részecske beleesik-e abba a tömegtartományba, amelyen a sötét anyagot felépítő axionnak belül kell maradnia. A megfelelő tömegű axionok észleléséhez tehát másfajta tesztekre van szükség. Szerencsére vannak erre alkalmas ötletek, és ezek közül több jelenleg is kipróbálás alatt áll.
Az egyik lehetőséget bizonyos égitestek megfigyelése jelentheti, hiszen mind a szupernóvák, mind a „köznapi” csillagok belsejében keletkezhetnek axionok. A Nap belsejében keletkező fotonok ide-oda verődnek az ott található részecskék közt, míg végül véletlenszerű útjukon kitalálnak az égitestből. Akár 170 ezer év is eltelhet a fény keletkezése, és az égitest általi tényleges kisugárzása közt. A fotonok szóródása során elméletileg axionok is keletkezhetnek, amelyek aztán újra fotonokra eshetnek szét. Mivel ezek a fotonok a Nap forró belsejében jönnének létre, a Földről röntgensugárzás formájában lennének észlelhetők. A másik lehetőséget a nem lebomló, és a Napból idővel kitaláló axionok közvetlen észlelése jelentheti. Pontosan ezt próbálja tenni a CERN Axion Naptávcsöve, avagy a CAST. A műszer elviekben képes lehet észlelni a Napból távozó axionokat, tömegükkel kapcsolatban azonban nem tud kellően pontos információkkal szolgálni, így annak megítélésére nem nagyon alkalmas, hogy az axionok sötét anyag létét bizonyítsa vagy cáfolja. Tervezés alatt áll azonban a CAST egy érzékenyebb változata, amely állítólag már a tömeget is megfelelő pontossággal méri majd.
Egy másik megoldás a sötét anyag axionjainak észlelésére egy érdekes metódus, amelynek során laborkörülmények közt próbálnak axionokat létrehozni és detektálni. Ahogy korábban már említésre került, a fotonok képesek lehetnek axionokká összeállni, és az axionok is képesek fotonokra bomlani. A kísérlet lényege, hogy a kutatók polarizált fényt küldenek keresztül egy mágneses dipóluson, és ennek során egyes fotonokból axionok keletkezhetnek. Ezek áthatolnak az útjukba kerülő falon, majd egy másik mágneses dipóluson áthaladva ismét fotonokra bomlanak, amit az ott található detektor észlelhet. Ilyen módon persze csak az igazolható, hogy az axionok a megfelelő tömeghatárok közt vannak ahhoz, hogy a sötét anyag részecskéi legyenek, az ugyanakkor nem bizonyítható, hogy a mindenütt jelenlevő, galaxisokat behálózó és körülölelő sötét anyag valóban ilyen részecskékből áll. Ugyanakkor már önmagában az is nagyon erős érv lenne a sötét anyag axiontermészete mellett, ha sikerülne bizonyítani az axionok létezését, és azt is, hogy ezek megfelelő tömegűek. A módszerrel az a legnagyobb probléma, hogy a bomlási és egyesülési folyamatok nagyon ritkán mennek végbe, így az esetlegesen létrejövő fotonokat nehéz elkülöníteni a háttérzajtól. A probléma kiküszöbölése érdekében a szakértők optikai rezonátorokat szereltek a fal két oldalára, így minden keletkező részecske megtöbbszöröződik, kellően erős jelet biztosítva az észleléshez. A továbbfejlesztés ellenére azonban a kutatóknak eddig ezzel a módszerrel sem sikerült axionokat észlelniük, és többen kétlik, hogy az új elrendezés kellően érzékeny a sötét anyag részecskéinek detektálásához.
A jelenlegi legjobb megoldást az axionok észlelésére a rádiófrekvencia-technikának nevezett megoldás jelenti. A Tejútrendszer halóját alkotó axionok elviekben folyamatosan áthaladnak a Földön, tehát csak egy megfelelő eszközre van szükség az elfogásukhoz. Ez persze nem egyszerű, hiszen a sötét anyag részecskéi egyszerűen áthatolnak a látható anyagon, más sötét anyag jelöltekkel ellentétben azonban az axionok egyes feltételezések szerint kölcsönhatásba kerülhetnek a mágneses mezőkkel. Ha ez így van, egy megfelelően beállított mező révén a részecskéket rá lehet bírni arra, hogy kontrollált körülmények közt két fotonra essenek szét, amelyeket aztán észlelni is lehet. Ezen az elven működik az Axion Sötét Anyag Kísérlet (ADMX). Az axionok „elfogását” végző, rezonátorként működő rádiófrekvencia-üreg egy négy méter magas építmény, a tényleges üreg azonban, ahol a fotonok detektálása zajlik, mindössze fél méter hosszú. A struktúra többi részét egy nagyon erős mágnes alkotja. A kísérlet legnagyobb nehézségét ez esetben is a jelek zajban való megtalálása jelenti. A Tejútrendszer halójából származó axionok fotonjai ugyanis olyan gyenge jeleket produkálnak, hogy azokat nagyon nehéz megkülönböztetni a háttérzajtól. A probléma megoldásaként ebben az esetben is a potenciális jelek felerősítésével próbálkoznak a szakértők. A kutatók szerint az új elrendezés már ténylegesen kellően érzékeny lehet a galaxisunk halójából származó axionok észlelésére, feltéve persze, hogy ezek valóban léteznek. A következő évek során ez a kísérlet ténylegesen eldöntheti az axionhipotézis sorsát, ha ugyanis több év alatt sem sikerül vele detektálni a részecskéket, szinte biztosra vehető, hogy nem ezek alkotják a sötét anyagot. Ha pedig az derülne ki, hogy az univerzum láthatatlan anyaga valóban a kérdéses részecskékből áll, a fizika egészen egy egészen új hajtása szökkenhetne szárba, amely a mágneses mezőkkel kölcsönhatásba lépő sötét anyaggal foglalkozna.
Új hozzászólás írásához előbb jelentkezz be!

Eddigi hozzászólások

12. Asagrim
2015.02.05. 19:31
Örülnék egy olyan irománynak (vagy bármilyen, a témával hobby szinten foglalkozó ember megértési szintjén levő anyagnak), ami elmagyarázza, hogy min alapul ez a bomlástermékből megállapítom, hogy mi volt a kiinduló anyag módi, mert mostanában szinte semmi más "bizonyíték" nem létezik egy részecskének az igazolására.

Tudom, hogy ezeknek a létezését csak közvetve lehet bizonyítani, és közvetlenül képtelenség megfigyelni őket, csak annak a magyarázatára lennék kíváncsi, hogy miért veszik készpénznek a bomlástermékből, hogy ez meg az volt a kiinduló anyag.
 
Válasz írásához előbb jelentkezz be!
11. VAjZY Asagr...
2015.02.05. 20:52
'Standard modell és problémái' kulcsszó.
 
Válasz írásához előbb jelentkezz be!
10. rtagore
2015.02.05. 21:05
Lehet, hogy a nagy semmit kergetik őrült pénzeket felemésztve.
 
Válasz írásához előbb jelentkezz be!
9. Asagrim VAjZY
2015.02.05. 21:09
Eléggé beszédes cím.

Arra vagyok kíváncsi, hogy a mainstream tudomány miért tekinti ezt a módszert hitelesnek, egy részecske igazolásában, nem arra, hogy a különböző szintű konteósok szerint ez a módszer miért nem jó.

Ha úgy olvasod egy módszernek a kritikáját, hogy előtte nem ismerted meg azt a módszert, akkor azt magyaráznak be neked amit csak akarnak.
 
Válasz írásához előbb jelentkezz be!
8. Renhoek Asagr...
2015.02.06. 22:51
Vegyük a matematikát, mint modellező eszközt. Felállítasz egy modellt, ami bizonyítható matematikai módszerekkel.Ez a nagy eszköz pontosan arra való, hogy a modelleket és a számításokat való életben szereplő kísérletekkel igazolják.

A modell alapján az lett volna az igazán izgalmas, ha nem találják meg a megjósolt Higgs bozont. Akkor borult volna minden... eddig viszont mindent sikerült kísérletben igazolni. A tudóstársadalom a tudomány jelenlegi állása szerint elfogadja az eredményeket és pont. Ezek nagy horderejű dolgok, pl a kvantumfizikánál, amikor egy korai elméletet sikerült egy kísérletben 17 tizedesjegy pontossággal igazolni. Ezeknek azóta is óriási haszna van a modern eszközökben, úgy ahogy az LHC-nek is.

...de a Standard modellben még rengeteg bizonytalanság és vita van, szóval van mit csinálniuk.
 
Válasz írásához előbb jelentkezz be!
2015.02.08. 04:04
Asa, szinte már szégyellek pont neked írni ilyenekről, hiszen biztosan tudod, de a 'paradigmák', amikre Renhoek is utalgat, valós, nem légbőlkapott dolgok, s egyáltalán nem kioktató célzattal ajánlom neked a tudományfilozófia tanulmányozását, mert azon túl, hogy megismered (még jobban, ha eddig nem ismerted), még egy kis katarzisban is lehet részed ennek kapcsán!
 
Válasz írásához előbb jelentkezz be!
2015.02.08. 04:04
Asa, szinte már szégyellek pont neked írni ilyenekről, hiszen biztosan tudod, de a 'paradigmák', amikre Renhoek is utalgat, valós, nem légbőlkapott dolgok, s egyáltalán nem kioktató célzattal ajánlok neked a tudományfilozófia tanulmányozását, mert azon túl, hogy megismered (még jobban, ha eddig nem ismerted), még egy kis katarzisban is lehet részed ennek kapcsán!
 
Válasz írásához előbb jelentkezz be!
5. Egyhazasge...
2015.02.08. 15:01
https://www.youtube.com/watch?v=pNwtfE4MquM&hd=1
 
Válasz írásához előbb jelentkezz be!
4. jakob777
2015.02.08. 16:57
https://www.youtube.com/watch?v=-GBokk2FwsA

60 percben erthetoen elmagyarazva.
 
Válasz írásához előbb jelentkezz be!
3. mrksz22 rtago...
2015.02.15. 14:42
Nem semmit kerülgetnek, biztos bizonyították a létezését valahogy, vagy esetleg még próbálgatják, tehát valamit kerülgetnek.
Az már más kérdés, hogy a jelenleg élő embereknek ez az információ teljesen haszontalan, max az űrkutatók örülhetnek maguknak, hogy felfedeztek valamit, aminek a közeljövőben se vesszük hasznát. De hát na, valakinek ezt is kell csinálni.
 
Válasz írásához előbb jelentkezz be!
2. Renhoek mrksz...
2015.02.16. 15:18
Mert az emberek többsége egyagysejtes való világ szinten van, hogy baromira lesz.rja az univerzum kialakulása?

Nem beszélve arról, hogy ez egy nettó hazugság, hogy semmire nem jó. Itt olyan mérőeszközök, szenzorok, IT háttér kifejlesztéséről van szó, ami csúcstechnika. Ez szépen leszivárog majd a civil szférába és te örömmel használod majd a kütyüidben, esetleg az életedet is megmenthetik.

Sokan nem tudják, hogy a CERN részecskekutatás közben kifejlesztett technológiák új rákdiagnosztikai és kezelési eljárásokat eredményeztek. Már EU szerte is több központ is nyílt. Ez a tudás szó szerint életeket ment...
 
Válasz írásához előbb jelentkezz be!
1. Norbert_B Renho...
2015.02.19. 20:00
Pontosan ! De azért jön valaki és jól megmondja nekünk, hogy hülyeség az egész. Ezért imádom olvasgatni a kommenteket.
 
Válasz írásához előbb jelentkezz be!