Karanlık Maddenin Derinliklerine Yaklaşmak: Evrenin Kayıp %85’ini Bulma Arayışı
LZ karanlık madde deneyi, yeraltının derinliklerindeki nadir parçacık etkileşimlerini yakalamak için büyük bir ksenon tankı kullanarak karanlık maddeyi tespit etme arayışını sürdürüyor.
Her ne kadar karanlık madde parçacığı henüz tanımlanmamış olsa da deney, çok sayıda potansiyel parçacık özelliğini dışarıda bırakarak araştırmayı daha da ileri taşıdı.
Karanlık Madde Sırları
Evrendeki maddenin çoğu kayıptır. Bilim insanları, evrendeki maddenin yaklaşık %85’inin, yalnızca çevresindeki kütle çekimsel etkileriyle dolaylı olarak tespit edilen görünmez karanlık maddeden oluştuğuna inanıyor.
Meslektaşlarım ve ben, LUX-ZEPLIN (veya LZ) adı verilen karanlık madde deneyi üzerinde çalışan dünyanın dört bir yanından yaklaşık 250 bilim insanından oluşan bir ekip olarak, bu karanlık maddenin tam olarak neyden oluştuğunu keşfetme yolundaki uzun arayışımızın son bulgularını bildirdik .
Karanlık Madde Araştırmalarındaki Son Bulgular
Karanlık maddenin oluştuğuna inandığımız yakalanması zor parçacıkları henüz bulamadık, ancak özelliklerinde şimdiye kadarki en sıkı sınırları belirledik. Ayrıca dedektörümüzün beklendiği gibi çalıştığını gösterdik ve gelecekte daha da iyi sonuçlar üretmesi gerekiyor.
Sonuçlarımız 26 Ağustos’ta Chicago’daki TeV Particle Astrophysics 2024 konferansında ve Brezilya, São Paulo’daki LIDINE 2024 konferansında bildirildi . Önümüzdeki haftalarda hakem değerlendirmesi için bir dergi makalesi sunulacaktır.
Karanlık Madde Nedir?
Gökbilimciler evrene baktıklarında, yıldızların, gazların ve galaksilerin görünür maddesinin her şey olmadığına dair kanıtlar görürler. Galaksilerin ne kadar hızlı döndüğü ve Büyük Patlama’nın kalıntı parıltısının örüntüsü gibi birçok olgu , yalnızca büyük miktarda görünmez bir maddenin – karanlık maddenin – varlığıyla açıklanabilir.
Peki bu karanlık madde neyden oluşuyor? Şu anda bu astronomik gözlemleri açıklayabilecek herhangi bir parçacık bilmiyoruz.
Karanlık madde gözlemlerini açıklamayı amaçlayan, egzotik bilinmeyen parçacıklardan minik kara deliklere veya yerçekimi teorimizdeki temel değişikliklere kadar uzanan düzinelerce teori var. Ancak, bunların hiçbiri henüz doğru olduğu kanıtlanmadı.
Karanlık Maddede WIMP’lerin Rolü
En popüler teorilerden biri, karanlık maddenin sözde “zayıf etkileşimli büyük parçacıklardan” (veya WIMP’lerden) oluştuğunu öne sürüyor. Bu nispeten ağır parçacıklar, gözlemlenen kütleçekimsel etkilere neden olabilir ve ayrıca -çok nadiren- sıradan maddeyle etkileşime girebilir.
Bu teorinin doğru olup olmadığını nasıl bileceğiz? Eh, bu parçacıkların sürekli Dünya’nın içinden aktığını düşünüyoruz. Çoğunlukla hiçbir şeyle etkileşime girmeden geçecekler, ancak ara sıra bir WIMP doğrudan bir atomun çekirdeğine çarpabilir – ve bu çarpışmaları tespit etmeye çalışıyoruz.
Karanlık Maddeyi Büyük Derinliklerde Tespit Etmek
LZ deneyi, ABD’nin Güney Dakota eyaletinde yerin yaklaşık 1.500 metre altında eski bir altın madeninde yer alıyor. Deneyin yer altına derin bir şekilde yerleştirilmesi, mümkün olduğunca fazla arka plan radyasyonunun kesilmesine yardımcı oluyor.
Deney, 175 kelvin (–98°C) sıcaklığa kadar soğutulmuş bir soy gaz olan yedi ton sıvı ksenonla dolu büyük, çift cidarlı bir tanktan oluşuyor.
Karanlık madde parçacığı bir ksenon çekirdeğine çarparsa, küçük bir ışık parıltısı yaymalıdır. Detektörümüz bu parıltıları tespit etmek için 494 ışık sensörüne sahiptir.
Bilim insanları LZ deneyi için sensör dizisinin yapımını tamamladı.
Karanlık Madde Tespitindeki Zorluklar
Elbette, karanlık madde parçacıkları bu flaşları yaratabilen tek şey değildir. Çevreden ve hatta tankın ve dedektörlerin kendilerinden gelen bir miktar arka plan radyasyonu hala vardır.
Karanlık madde belirtileri görüp görmediğimizi anlamanın büyük bir kısmı, bu arka plan radyasyonunu daha egzotik olan her şeyden ayırmaktır. Bunu yapmak için, karanlık maddeyle ve karanlık madde olmadan görmeyi beklediğimiz sonuçların ayrıntılı simülasyonlarını yapıyoruz.
Bu simülasyonlar, 2015 yılında doktora çalışmama başladığımda başladığım deneydeki rolümün büyük bir kısmının odak noktasıydı. Ayrıca dedektör izleme sensörleri geliştirdim ve 2021 yılında veri toplamaya başlayan yeraltı merkezi dedektörünün entegrasyonundan ve devreye alınmasından sorumluydum.
Ağları Daha Sıkı Çekmek
Son sonuçlarımız karanlık maddeye dair hiçbir işaret göstermiyor. Ancak, birçok olasılığı elememize izin veriyorlar.
Protonun yaklaşık on katı ağırlığında olan 1,6 × 10-26 kilogramın üzerinde kütleye sahip parçacıklara dair hiçbir ize rastlamadık .
Bu sonuçlar dedektörden 280 günlük gözlemlere dayanmaktadır. Sonunda, 1.000 günlük gözlem toplamayı hedefliyoruz – bu da daha da zor bulunan potansiyel karanlık madde parçacıklarını aramamıza olanak tanıyacak.
Geleceğe Bakış: Karanlık Madde Deneylerinin Geleceği
Şanslıysak, yeni verilerde karanlık maddeye rastlayabiliriz. Şanslı değilsek, yeni nesil karanlık madde deneyi için planlar yapmaya çoktan başladık. XLZD ( XENON-LUX-ZEPLIN-DARWIN ) konsorsiyumu, bu her yerde bulunan ancak yakalanması zor parçacıkların saklanabileceği uzayın daha da büyük bir kısmını taramamızı sağlayacak neredeyse on kat daha büyük bir dedektör inşa etmeyi hedefliyor.
Sydney Üniversitesi Fizik Öğretim Üyesi Theresa Fruth tarafından yazılmıştır .
The Conversation dergisinde ilk olarak yayınlanan bir makaleden uyarlanmıştır .Konuşma
