Ha a gravitáció nem elég, mégis mi tartja egyben a galaxisokat?

Mi tartja egyben a galaxisokat, hogy a forgó mozgás ne szakítsa szét a centrifugális erők miatt? A válasz az lehetne, hogy a csillagok által megtestesített tömegek vonzó hatása, a gravitáció. A dilemmát az okozza, hogy a csillagászati információk által számított tömeg ehhez nem elég. Így született meg a gondolat, hogy létezik egy nem látható sötét anyag, amely az univerzum anyagának túlnyomó részét alkotja. 

De mi ez a láthatatlan anyag, és miért nem látható? Létezne talán egy további vonzó erő a csillagok között, ami nem engedi szétszakítani a galaxisokat? Különböző elméletek születtek a magyarázatra, ezek egyike az axion-koncepció, amely egy olyan új, eddig nem detektált részecskét tételez fel, amelyre nem hat az elektromágneses erő és így a szokásos eszközökkel nem is érzékelhető. Persze ez eddig még nem igazi magyarázat, hiszen csak egy új nevet kapott a sötét anyag. 

Valódi magyarázathoz úgy juthatunk, ha felhasználva a modern fizika, így a kvantummechanika eredményeit, megtaláljuk az anyag olyan formációját, amely elveszíti azt a képességét, hogy a fény által hírt adjon magáról. 

Ebben a kérdésben Johannes Gooth és munkatársai a Max Planck Intézet szilárdtestfizikusai új elképzeléssel álltak elő a Nature-ben néhány hete publikált cikkükben. Javaslatuk szerint a világűr helyett itt a Földön próbáljuk megtalálni ezt a sötét anyagot, vagyis az axionokat magában foglaló különös közeget. 

A fononok és a félfémek

A szilárd testek speciális körülmények között, például mély hőmérsékleten, messze a víz fagyáspontja alatt, különös tulajdonságokra tehetnek szert. Ennek ismert példája a szupravezetés, amikor az anyag elveszíti ellenállását az elektronok mozgásával szemben. Ennek alapja, hogy az elektronok kettesével összekapaszkodva olyan kvantummechanikai állapotot vehetnek fel, amikor tetszés szerinti számban foglalhatják el a legkisebb energiájú állapotot. Ezt úgy forgalmazza meg a fizika, hogy a feles spinű fermionokra vonatkozó Pauli-féle kizárási elv már nem érvényes az elektronpárok egész spinű bozon állapotára. 

Valami hasonlóra gondoltak Gooth és munkatársai, amikor kvantummechanikai számításokat végeztek elektronhullámokkal, ahol a kétféle módon polarizált hullámok összefonódott hatását vizsgálták. Ilyen állapot szintén alacsony hőmérsékleten képződhet speciális fémekben, amit a szakirodalomban Weyl semimetalnak (félfémeknek) neveznek.

Ez az állapot kondenzált fázisban jöhet létre a kollektív vibrációs mozgások összekapcsolódásával. Ezeket a kiterjedt vibrációkat nevezi a szilárdtestfizika fononoknak, hangsúlyozva az analógiát az elektromágneses kölcsönhatást közvetítő fotonokkal. 

A számítások szerint a kétféle tükrözési szimmetriával (kiralitással) rendelkező elektronok összekapcsolt mozgása a tömeg látszólagos elvesztéséhez vezet, amely együtt jár az elektromágneses erőkkel szembeni semlegességgel. Ez pedig épp az, amit elvárhatunk a sötét anyagtól, illetve az axionoktól. A szerzők erre alapozzák a lehetőséget, hogy ilyen kondenzált állapotok a világűrben is lehetnek.

Bár az eredményeket ismertető beszámoló címe az axionok földi körülmények közötti megfigyelésére utal, az írás utószavában ott a figyelmeztetés: egyelőre nincs szó kísérleti megfigyelésről, csak annak lehetőségéről az elméleti számítások alapján.

A szerző fizikus, a BME és az ELTE címzetes egyetemi tanára. A Kalandozások a fizikában címen a Qubiten futó sorozatának korábbi írásai itttudósportréi pedig itt találhatók. 

Kapcsolódó cikkek a Qubiten: