Az elektron-pozitron spektrométer az Atomki új Tandetron laboratóriumában az áttelepítést végző kollégákkal. Az első sorban balról jobbra: Csatlós Margit, Krasznahorkay Attila, Gulyás János, mögöttük balról jobbra: Félegyházi Lóránt, Csige Lóránt, Gácsi Zoltán, Nyakó Barna és Tímár János (Képek, ábrák forrása: MTA Atomki)

Közel két és fél ezer esztendeje Démokritosz görög filozó­fus a megfigyelései alapján arra a következtetésre jutott, hogy az anyag nem lehet folytonos, hanem parányi, tovább nem aprítható elemek, azaz atomok építik fel. Az anyagok különbözőségét azzal magyarázta, hogy az egyes anyagok atomjai minőségileg azonosak, de alakjuk, nagyságuk eltérő. A világon minden jelenséget az atomok összeütközése és szétválása okoz – hirdette ugyancsak Démokritosz. Azóta már tudjuk, hogy az ókori lángelme tévedett, az atomok igenis oszthatók, de erre az oszthatóságra alig 120 éve jöttek rá a fizikusok.

Az atomok felépítésére vonatkozó első kísérleti eredmény a gáz­kisülések megfigyelése során, az úgynevezett katódsugarak vizsgálata alapján született meg. Ha légritkított csőben nagy egyenfeszültséget kapcsolunk két elektródára, gázkisülés jön létre. Ha a csőben erős vákuumot hozunk létre, negatív töltésű, úgynevezett katód­sugarakat kapunk. Hosszas vizsgálatok után 1897-ben a brit fizikus, Sir Joseph John Thomson – későbbi fizikai Nobel-díjas – állapította meg, hogy a katódsugarak elektronokból állnak. Az elektron volt az első felfedezett elemi részecske. Az elemi elnevezés arra utal, hogy az elektron oszthatatlan, tovább nem bontható, belső szerkezettel nem rendelkezik. A mai részecskefizika továbbra is elemi résznek tekinti az elektront, szemben a később felfedezett protonnal és neutronnal, melyek a mai álláspont szerint kvarkokból tevődnek össze.

Az első modern atommodellt ugyancsak Thomson alkotta meg 1902-ben. Thomson szerint az atomok tömörek: az egyenletes pozitív töltéseloszlású kocsonyaszerű, rugalmas részbe ágyazott negatív töltésű, pontszerű elektronok külső behatásra rezgésbe jönnek és fényt bocsátanak ki. A modellt szokás mazsolás kalács modellnek is nevezni. A Thomson-modell továbbfejlesztése az új-zélandi születésű, szintén Nobel-díjas Ernest Rutherford nevéhez fűződik, aki az alfa-sugárzás vékony fémfóliákon történő szóródását vizsgálta. (Az alfa-részek tulajdonképpen kétszeres pozitív töltésű hélium­ionok.) Rutherford is meglepődött az eredményen: az alfa-részek nagy többsége kis eltérüléssel, könnyedén haladt át a sok ezer atomi réteget tartalmazó aranyfólián, az esetek nagyon kis hányadában azonban egyes részek nagy szögben térültek el, némelyek pedig szinte „visszapattantak” a fémfóliáról. A későbbi Nobel-díjas rájött, hogy az anyag tömegének döntő többsége az atomok méreténél huszonötezerszer kisebb sugarú térrészbe, az atom közepén levő atommagba van zsúfolva. Az alfa-részecske akkor pattant vissza, ha pontosan egy arany atommagba ütközött. Az atommag másik alapvető építőelemét, a neutront, angol fizikus, James Chadwick fedezte fel 1932-ben, és ezért 1935-ben Nobel-díjban részesült.

Azóta tudjuk, hogy ennél jóval bonyolultabb az atommag. Némi túlzással megszámlálhatatlan szubatomi részecskét ismerünk: hadronokat és leptonokat, ezek kisebb összetevőit, azaz a kvarkokat és a közöttük lévő alapvető kölcsönhatásokat közvetítő részecskéket. Szinte nincs olyan év, amikor ne találnának újabb apró építőkövet a fizikusok.
Négy évvel ezelőtt fedezték fel például a Higgs-bozont; 2013-ban Peter Higgs és François Englert ezért fizikai Nobel-díjat kapott. (A bozon létezését Higgs egy 1960-as cikkében jósolta meg.) A Higgs-bozon alapvető építőköve a részecskefizika Standard Modelljének, amely az elektromágneses, a gyenge és az erős kölcsönhatást, valamint az alapvető elemi részecskéket leíró kvantumtérelméletet foglalja magába. A bozon létezését megjósoló mechanizmus szerint ez a részecske felelős a többi részecske tömegéért.

Az elemi részecskék és alapvető kölcsönhatások Standard Modelljének építőkövei

Idén márciusban jelent meg, hogy a svájci Nagy Hadronütköztető (LHC) két független tudóscsoportja is szokatlan és nem várt jeleket detektált nagy energiájú protonok ütközése során, és ez egy új elemi részecske létezésére utalhat. Ha a további kísérletek megerősítik a Higgs-bozonnál mintegy hatszor nehezebb részecske létezését, akkor ez az új alkotórész átformálhatja a fizika Standard Modelljét, és át­írhatja mindazt, amit eddig az anyagot felépítő elemek világáról gondoltunk. Hasonló várható a Krasznahorkay Attila vezette debreceni fizikusok kísérleti eredményétől – feltéve, ha sikerül megismételni, más módszerrel is előállítani az általuk talált különös részecskét.
A debreceni felfedezést megalapozó feltételek Krasznahorkay Attila születésének évében, 1954-ben jöttek létre, illetve korábban. 1936-ban Szalay Sándor fizikus ösztöndíjasként fél évig a már említett Ernest Rutherford mellett dolgozott, majd hazatérve a Debreceni Egyetemen kezdett magfizikai kutatásokat. Ő járta ki az MTA Atommagkutató Intézet 1954-es megalapítását. (A második világháború után szintén Szalay kezdeményezte az uránkutatás megkezdését Magyarországon, és az ő eredményei nyomán bukkantak rá a mecseki uránlelőhelyre.) Szalay Sándor húsz évig volt az Atomki igazgatója. Érdekes egybeesés, hogy ugyancsak 1954-ben hozták létre a CERN kutatóintézetet Svájcban.
Az Atomkiban dolgozó fizikusok kezdetektől fogva az atomok és atommagok alacsony energiájú ütközéseit vizsgálják. Az intézetben 1958-ban kifejlesztett kaszkádrendszerű gyorsítóban – egyenirányítókból és kondenzátorokból álló sokszorozó fokozattal – hozták létre az ionok gyorsításához szükséges nagyfeszültséget. Ez egy 300 kilo­voltos neutrongenerátor volt.

Az MTA debreceni Atommagkutató Intézetének főbejárata, az első, ott épített kaszkádrendszerű gyorsítóval

A legújabb büszkeségük a kétmillió voltos Tandetron típusú iongyorsító. Ez a nagyberendezés 2014-től széles energiatartományban protonokat gyorsít, de később nehezebb részecskék gyorsítására is használni fogják. A Tandetron által biztosított ionnyalábok kiváló áramintenzitási és energiabeállítási paraméterekkel rendelkeznek.

A Hajdú-Bihar megye déli részén található Bakonszegen született Krasznahorkay Attila már hétévesen detektoros rádiót és egyéb villogó elektromos berendezést épített, majd a püspökladányi gimnáziumi érettségi után a Debreceni Egyetem fizikus szakán szerzett diplomát – bár a mérnöki pályával is kacérkodott. Logikus volt, hogy a végzés után az MTA Atomkiban folytatja kutatómunkáját, hiszen már diplomamunkája is ebben az intézményben készült.
Fényes Tibor professzor vezetésével egy különleges szupravezető mágneses spektrométer építésében vett részt, amit ő használhatott először. A kísérletezés mellett detektorokat is építettek, akkor tanulta meg, hogy a készen vett eszközök is hasznosak, de a maguk konstruálta berendezések legalább olyan fontosak a kísérleti munkában.
A keleti blokk egyik tudományos fellegvárában, Dubnában, egy konferencián vett részt, onnan hívta Hollandiába Adriaan van der Woude professzor, aki éppen posztdoktori ösztöndíjast keresett. A Groningeni Magfizikai Gyorsító Intézetben töltött években Krasznahorkay Attila fő feladata az atommagok neutronbőr vastagságának meghatározása volt. Ezen azt kell érteni, hogy az atommagban nem egyenletesen oszlanak el a protonok és a neutronok, hanem a mag legkülső részét neutronok burkolják. Hogy mire jó a „neutron­bőr” kutatása? Alapvető információkat szolgáltat például a neutroncsillagok kialakulásáról, tulajdonságairól. A neutronbőr titkainak feltárása azóta is a debreceni fizikus munkájának meghatározó része.
Hollandiában sokkal nagyobb energiájú gyorsítókkal dolgozott, mint Debrecenben. Az 1985-ben átadott debreceni ciklotron teljesítménye csupán tizede volt a hollandiai eszközének, de a Hollan­diából hazatérő Krasznahorkay Attila, az MTA Atommagkutató Intézet Magfizikai Főosztályának vezetője, címzetes egyetemi tanár, nem maradt megfelelő berendezés nélkül. A hollandok ugyanis egy nagyobb eszközt vettek, és az ottani mágneses spektrométert ingyen neki adták. Az ideszállítást is a holland kormány állta – a 32 tonnás fizikai berendezést a mai napig használják. Ezzel kezdték el a maghasadással kapcsolatos vizsgálatokat. Az uránmagokban például különleges deformált állapotokat fedeztek fel – ugyanezeket a deformált állapotokat vizsgálják majd a szegedi szuperlézer Bukarestben épülő testvérberendezésével.

Egy másik holland kolléga, Fokke de Boer a 2000-es évek elején említette Krasznahorkay Attilának, hogy különös eltérést tapasztalt, amikor a hetes tömegszámú lítiumot protonokkal sugározta be. A bombázás hatására a lítium atommagok egy része nyolcas tömegszámú, rendkívül instabil berilliummá alakult, amely pillanatok alatt tovább bomlott, elektron-pozitron párokat kisugározva magából. De Boer úgy vélte, hogy az általa tapasztalt különös eltérés vizsgálatára a kisebb teljesítményű debreceni ciklotron is megfelelő lenne. Az ötlet váratlanul érte Krasznahorkay Attilát, hiszen ekkor a világ legnagyobb, Tokió mellett működő gyorsítójánál dolgozott. Hazatérte után, mert izgalmasnak találta a témát, elkezdte annak kísérleti vizsgálatát, amihez megkapták a de Boer kollégái által Frankfurtban épített elektron-pozitron spektrométert. Ám a holland által észlelt különös eltérést nem tudták kimutatni. Utólag kiderült, mi volt a gond: rossz volt a holland kolléga spektrométere. Mégsem dobták ki az eszközt, hanem tovább vizsgálták a protonbombázás termékét. Kíváncsiságból, ami egy kutató alapvető tulajdonsága.
Tovább finomítottak a berendezéseiken, új, sokkal nagyobb érzékenységű spektrométert építettek, majd újrakezdték a méréseket. Amint kiterjesztették a megfigyelés szögtartományát, különös jelenségre figyeltek fel. Az elektron-pozitron pár egymáshoz képesti szögének emelésével az elméletek szerint csökkennie kellett volna a kisugárzott elektron-pozitron párok számának. Ez egy ideig csökkent is, de 140 fokos szögnél hirtelen újra megemelkedett, majd nagyobb szögeknél ismét a nullához közelített a kiszabadult elemi részecskék száma. 2012-ben észlelték az igen csekély anomáliát, és nem is tudták mire vélni a jelenséget. Érdekes, hogy a holland fizikus kutatásai során megállt 130 fokos szögnél, mondván, ha addig nem észleltek semmit, azután sem várható semmi érdemi eredmény. Ha tovább megy, akkor tíz évvel ezelőtt az ő cikkét olvasták volna a Physical Review Letters-ben. De nem ment tovább, ellentétben a magyarokkal, akiknek az eredménye először éppen ebben a folyóiratban jelent meg idén január végén.

Az Atomkiben épített elektron-pozitron spektrométer a gázrendszerrel, a detektorok jeleit feldolgozó elektronikával és az adatgyűjtő rendszerrel

A Róma melletti Frascatiban működő Nemzeti Atomfizikai Intézetben rendezett konferencián számoltak be a magyarok meghökkentő eredményükről. A kollégák arra biztatták őket, járjanak a szokatlan jelenség végére. 2012-ben rákapcsoltak, szisztematikus mérésekkel keresték a magyarázatot az eltérésre. A kísérletekben alumíniumra egy mikrométernyi vastagságban vittek fel lítiumot, és azt bombázták protonokkal. A lítium protonbefogási reakciója régóta ismert, már az első gyorsítókban is ezt használták. A lítium a protonbefogás után roppant instabil berilliummá alakul, ami gyorsan két alfa-részecskévé, azaz két protonból és két neutronból álló héliumizotóppá bomlik. Csakhogy a magyarok által megfigyelt jelenség ennél tizenkét nagyságrenddel kisebb effektus volt. Ennek kimutatására csak a legprecízebb berendezések képesek. Krasznahorkay Attila és munkatársai az előrejelzésekhez képest olyan eltérést tapasztaltak, amit a jelenlegi magfizikai ismeretek alapján nem lehet értelmezni. A megfigyelés ugyanakkor összhangban van egy új, kis tömegű semleges részecske feltételezésével, aminek a tulajdonságai egyeznek az elméletileg várható sötét fotonéval. (A sötét fotont a sötét anyag részecskéi közötti kölcsönhatás leírására vezették be.)

Az univerzum tömegének zömét adó sötét anyagot azért hívják sötétnek, mert nem rendelkezünk olyan vizsgálati módszerrel, amellyel érzékelni tudnánk jelenlétét, meg tudnánk mérni tulajdonságait. Ugyanakkor szinte biztos, hogy létezik, hiszen másképpen nem tudnánk magyarázni a galaxisok mozgását és az univerzum tágulását. Ez a részecske egy rendkívül rövid – az atommag átmérőjénél csak néhányszor nagyobb – hatótávú erőt hordozhat, amely különbözik minden eddig ismert alapvető kölcsönhatástól. „A Physical Review Letters szakfolyóiratban publikált tanulmányunkban azt írtuk, hogy a berillium egy új, eddig ismeretlen részecske formájában adja le energiáját, majd ez a részecske bomlik el elektronra és pozitronra. E részecske tömege alig 34-szer nagyobb az elektronénál, energiája pedig 17 megaelektronvolt. Mi ennek a különleges részecskének a bomlását detektáltuk” – tájékoztatta magazinunkat Krasznahorkay Attila. (A cikket tizennégy kutató jegyzi, egyetlen hollandon kívül a többi magyar.) De miért merült fel, hogy ez az ismeretlen, 34 elektron tömegű részecske éppen a sötét foton lehet? A debreceni fizikus szerint a részecske tulajdonságait meghatározzák az atommag adott gerjesztett állapotainak tulajdonságai (spinje, paritása, izospinje), és ez megfelel a sötét foton tulajdonságainak. Ebből gondolják, hogy nagy eséllyel a sötét foton nyomára bukkanhattak.

A ⁸Be 17,6 MeV-os (megaelektronvoltos) gerjesztett állapotának bomlásából mért e^-e⁺ energiaösszeg-spektrum a), illetve az átmenetekkel kapuzott szögkorreláció b) és a különböző szimulációkkal kapott szögkorrelációk. Az elektromos és mágneses dipólus átmenet feltételezésével számított görbe folytonos vonallal, míg az M1+1,4 százalék kevert átmenetre számított görbe szaggatott vonallal van feltüntetve

A sötét anyag kutatása régóta folyik, ezzel kapcsolatban nagy áttörést várnak ebben az évtizedben. Vannak szakemberek, akik szerint a következő évtized a sötét anyag megismerésének évtizede lesz. A világegyetemet alkotó anyag 95 százalékáról beszélünk. Most még senki sem tud választ adni arra, hogy milyen következménnyel jár az úgynevezett sötét erő felfedezése – már amennyiben valóban azt fedezték fel. Mindenesetre meglehetősen nyugtalanító, hogy a látható anyagi világ, amit jelenleg már többé-kevésbé ismerünk, az Univerzum tömegének csak öt százalékát alkotja, a 95 százalékról, ami sötét anyagból és sötét energiából áll, szinte semmit sem tudunk. A fizikai törvényeink csak az előbbi öt százalékra vonatkoznak. De milyen törvények érvényesek a maradék 95 százalékra?
A sötét anyag részecskéit jó ideje próbálják kimutatni. És lennie kell egy részecskének, ami ezt a kölcsönhatást közvetíti. A fotonhoz hasonló tulajdonságú részecskének, a sötét fotonnak tulajdonítják ezt a jelenséget. A feltételezések szerint a fotonnak és a sötét fotonnak kölcsönhatásban kell állnia, illetve azt is megjósolták, hogy elektron-pozitron párra kell bomlania.

Debrecenben egy olyan részecskét találtak, amely pontosan pozitronra és elektronra bomlik, alig 0,01–5 milliméternyi út megtétele után. A januári publikáció után is sokan felkapták a fejüket, ám idő kellett, mire a szakma megértette, pontosan miről is van szó. Az amerikai elméleti fizikusok egy csoportja a magyarok által észlelt részecskét egy speciális tulajdonságokkal rendelkező (protonfóbiásnak nevezett) ötödik kölcsönhatásként értelmezte. Ez keltette fel a Nature újságírója, Edwin Cartlidge figyelmét, aki május végén írt eredményükről a neves tudományos folyóiratban.
Krasznahorkay Attila szerint az atommag azért kiváló vizsgálati objektum, mert a gravitációs, az elektromágneses, a gyenge és az erős kölcsönhatás egyaránt részt vesz benne. Talán a sötét kölcsönhatás is, legalábbis ez derült ki a kísérletükből. A kvantummechanikában egyébként már régóta nem firtatják, hogy miből áll az atom, mert annyiféle részecske keletkezhet. A fizika szerinte oly mértékben szakosodott, hogy egyre kevésbé értik egymás munkáját. Belátja, hogy a nagyközönség nem egészen tudja felfogni, mi a felfedezésük lényege. Feltételezhetően az ötödik kölcsönhatás is ott lehet a neutronok között – a közleményben is azt írták, hogy protonfóbiás, azaz nem szereti a protonokat, inkább a neutronok között hat.

A ⁸Be 18,15 MeV-os gerjesztett állapotának bomlásából (piros pontok hibákkal), illetve a céltárgyban keletkező erős szennyező vonal (kék pontok hibákkal, ¹⁶O 6,05 MeV-os E0 átmenet) mért elektron-pozitron szögkorrelációk. A megfelelő szimulációk eredményei azonos színű, folytonos vonalakkal vannak feltüntetve

A ⁸Be 18,15 MeV-os átmenetéhez tartozó, a rezonancián mért e^-e⁺ párok szimmetrikus (piros pontok hibákkal), illetve aszimmetrikus (üres körök hibákkal) energiaeloszlással kapuzott szögkorrelációja, összehasonlítva a különböző energiájú részecskét feltételező szimulációk eredményeivel

A magyar kutatók által elvégzett kísérlet felkeltette a nemzetközi kutatóközösség figyelmét. Nagyon sok gratulációt kapott külföldről, illetve szakmai együttműködések is körvonalazódnak. Azonban egyesek azt gyanítják, hogy nem sötét fotont sikerült kimutatni, hanem egy új, ötödik erőt, vagyis a természet ötödik alapvető kölcsön­hatását (a gravitáción, az elektromágneses kölcsönhatáson, az erős és a gyenge magerőn kívül). A fizikusok világszerte független méréseket végeznek, hogy a debreceni MTA Atomki megfigyeléseit megerősítsék vagy megcáfolják.
„Ha pontosabban meg akarjuk ismerni az új részecskét, akkor tisztább körülmények között kell azt előállítani. Például elektronok és pozitronok ütköztetésével, amikor csak az elektromágneses kölcsönhatás van jelen. Hatalmas dobás lenne, ha ilyen irányból is előállíthatnánk ezt a részecskét” – véli Krasznahorkay Attila, aki szerint nagyon sok technikai kihívással állnak szemben, nem tudni, mikor kerülhet erre sor. Az amerikaiak három különböző kísérletben próbálják kimutatni a részecskét a Thomas Jefferson Nemzeti Részecskegyorsító Központban. Hasonló kísér­leteket terveznek a CERN Genf melletti Nagy Hadron­ütköztetőjénél, illetve a Róma melletti Frascatiban működő Nemzeti Atomfizikai Intézetben. Novoszibirszkben szintén ilyen kísérletekre kerül sor. Mindenütt a sötét fotont keresik. Ennek a részecskének az elméletileg jósolt csatolási állandója nem pontosan egyezik a magyarok által talált részecskéjével – a debrecenieké ugyanis kisebb. Az ilyen kérdésekre kell választ találni. A magyarok sem ülnek a babérjaikon, egy teljesen új spektrométert építenek: a CERN-ben lévő ATLAS-spektrométer makettjét. A makettje lesz, hiszen a Genfben használt, több emelet magas berendezésnek a századrészére kicsinyített mása készül el. Ennek a közepén keletkeznek majd az elektron-pozitron párok – pályájuk nyomon követésével próbálnak újabb információkhoz jutni. A méréseket az MTA Atomki korábban említett új Tandetron gyorsítójánál végzik. Más atommagok, például 12-es tömegszámú szén esetén is szeretnék megvizsgálni ezt a jelenséget.

A debreceni fizikus szerint akár egy évig is eltarthat felfedezésük igazolása. Amennyiben a sötét foton léte bebizonyosodik, az a Higgs-bozon felfedezéséhez mérhető eredmény.

Ha igazolják, akkor sem maradnak munka nélkül, hiszen pontosabban kell meghatározni a tömegét, a bomlását. Bőven lesz még ezzel munka. Ha igazolják az eredményeiket, ez lehet az utóbbi évek kiugró magyar fizikai kutatási eredménye. Krasznahorkay Attila azt mondja, nem légvárat építettek, minden lépésüket ellenőrizték. A kísérleteket rengetegszer megismételték, és mindig ott volt a kicsiny anomália. Egészen biztosak abban, hogy „van ott valami”, a tévedés esélye gyakorlatilag kizárt. Ugyanakkor azt is világossá kell tenni, hogy mindössze néhány száz darab ilyen különleges részecskét – sötét fotont – állítottak elő. A frissen szerzett hírnév újabb lendületet adott, még lelkesebben folytatják a kísérleteket. Mert valami látszik a sötét fotonokkal teli alagút végén.•