Araştırmacılar Karanlık Maddeyi Gözlemlemek İçin Yeraltını Kazıyor
Güney Dakota’nın yaklaşık bir mil altına gömülü ksenon dolu bir tankla, bir gün karanlık maddenin gerçekte ne olduğunu ölçebiliriz.
Benim gibi fizikçiler evrendeki maddenin yaklaşık %83’ünü oluşturan ve “karanlık madde” olarak adlandırdığımız şeyin ne olduğunu tam olarak anlamış değil. Ancak Güney Dakota’nın yaklaşık bir mil altına gömülü ksenon dolu bir tankla, bir gün karanlık maddenin gerçekte ne olduğunu ölçebiliriz.
Tipik modelde, karanlık madde evrendeki yerçekimsel çekimin çoğunu oluşturmakta ve kendi Samanyolumuz da dahil olmak üzere galaksiler gibi yapıların oluşmasını sağlayan yapıştırıcıyı sağlamaktadır. Güneş sistemi Samanyolu’nun merkezi etrafında dönerken, Dünya galaksimizdeki maddenin çoğunu oluşturan bir karanlık madde halesinin içinden geçer.
Ben karanlık maddenin doğasını anlamakla ilgilenen bir fizikçiyim. Popüler tahminlerden biri, karanlık maddenin yeni bir tür parçacık, Zayıf Etkileşen Büyük Parçacık ya da WIMP olduğu yönünde. “WIMP” parçacığın özünü oldukça güzel bir şekilde ifade ediyor – kütlesi var, yani kütleçekimsel olarak etkileşime giriyor, ancak bunun dışında normal madde ile çok zayıf – veya nadiren – etkileşime giriyor. Samanyolu’ndaki WIMP’ler teorik olarak Dünya’da her zaman içimizden geçerler, ancak zayıf etkileşime girdikleri için hiçbir şeye çarpmazlar.
WIMP’leri Aramak
Geçtiğimiz 30 yıl boyunca bilim insanları, WIMP’ler ve normal atomlar arasındaki nadir etkileşimleri tespit etmeye çalışmak için deneysel bir program geliştirdiler. Ancak Dünya’da sürekli olarak çevremizdeki eser elementlerden (özellikle uranyum ve toryum) ve uzaydan gelen kozmik ışınlardan kaynaklanan düşük, tehlikeli olmayan seviyelerde radyoaktivite ile çevriliyiz. Karanlık madde arayışındaki amaç, karanlık maddeyi görebilmesi için mümkün olduğunca hassas bir dedektör inşa etmek ve karanlık madde sinyalinin arka plandaki radyoaktivitenin üzerinde görülebilmesi için mümkün olduğunca sessiz bir yere koymaktır.
Sonuçları Temmuz 2023’te yayınlanacak olan LUX-ZEPLIN ya da LZ işbirliği, bugüne kadarki en büyük karanlık madde dedektörünü inşa ederek ve Güney Dakota, Lead’deki Sanford Yeraltı Araştırma Tesisi’nde yerin 4.850 feet (1.478 metre) altında çalıştırarak tam da bunu yaptı.
LZ’nin merkezinde 10 metrik ton (10.000 kilogram) sıvı ksenon bulunmaktadır. Parçacıklar dedektörden geçerken ksenon atomlarıyla çarpışarak bir ışık parlamasına ve elektronların serbest kalmasına yol açabilirler.
LZ’de iki büyük elektrik ızgarası sıvı hacmi boyunca bir elektrik alanı uygulayarak bu serbest elektronları sıvının yüzeyine iter. Yüzeye ulaştıklarında, ksenon gazı ile dolu olan sıvının üzerindeki boşluğa çekilirler ve ikinci bir ışık parlaması yaratmak için başka bir elektrik alanı tarafından hızlandırılırlar. İki büyük ışık sensörü dizisi bu iki ışık parlamasını toplar ve birlikte araştırmacıların gerçekleşen etkileşimin konumunu, enerjisini ve türünü yeniden yapılandırmasına olanak tanır.
Radyoaktivitenin azaltılması
WIMP dedektörü yapımında kullanılanlar da dahil olmak üzere Dünya’daki tüm malzemeler, karanlık madde etkileşimlerini maskeleyebilecek bir miktar radyasyon yayar. Bu nedenle bilim insanları hem dedektörün içinde hem de dışında bulabildikleri en “radyopür”, yani radyoaktif kirletici içermeyen malzemeleri kullanarak karanlık madde dedektörleri inşa etmektedir.
Örneğin LZ, metal dökümhaneleriyle birlikte çalışarak, sıvı ksenonu tutan merkezi silindiri – veya kriyostatı – inşa etmek için Dünya’daki en temiz titanyumu kullanabildi. Bu özel titanyumun kullanılması LZ’deki radyoaktiviteyi azaltarak herhangi bir karanlık madde etkileşimini görmek için net bir alan yaratıyor. Ayrıca, sıvı ksenon o kadar yoğundur ki aslında bir radyasyon kalkanı görevi görür ve ksenonu içeri sızabilecek radyoaktif kirleticilerden arındırmak kolaydır.
LZ’nin iç dedektöründe, üstte ve altta bulunan iki ışık algılama dizisi, sıvı ksenon ile doldurulacak merkezi bir silindiri görmektedir. Resim Kredisi: Matt Kapust, SURF, (CC BY 4.0)
LZ’de merkezi ksenon dedektörü, ksenon kabuğu ve dış dedektör olarak adlandırılan diğer iki dedektörün içinde yaşar. Bu destekleyici katmanlar, merkezi ksenon odasına girerken veya çıkarken radyoaktiviteyi yakalar. Karanlık madde etkileşimleri çok nadir olduğundan, bir karanlık madde parçacığı tüm aygıtta yalnızca bir kez etkileşime girecektir. Dolayısıyla, ksenon veya dış dedektörde birden fazla etkileşim içeren bir olay gözlemlersek, bunun bir WIMP’den kaynaklanmadığını varsayabiliriz.
Merkezi dedektör, kriyostat ve dış dedektör de dahil olmak üzere tüm bu nesneler yerin yaklaşık bir mil altındaki büyük bir su tankında yaşamaktadır. Su tankı dedektörleri mağaradan korurken, yeraltı ortamı da su tankını kozmik ışınlardan ya da Dünya atmosferine sürekli çarpan yüklü parçacıklardan koruyor.
Av devam ediyor
Yeni yayınlanan sonuçta, 60 günlük veri kullanılarak, LZ dedektörde günde yaklaşık beş olay kaydetti. Bu, yüzeydeki tipik bir parçacık detektörünün bir günde kaydedeceğinden yaklaşık bir trilyon daha az olay anlamına geliyor. Araştırmacılar bu olayların özelliklerine bakarak şu ana kadar hiçbir etkileşimin karanlık maddeden kaynaklanmadığını rahatlıkla söyleyebilirler. Sonuç ne yazık ki yeni bir fiziğin keşfi değil – ancak LZ tarafından görülmediği için karanlık maddenin tam olarak ne kadar zayıf etkileşime girmesi gerektiğine dair sınırlar koyabiliriz.
Bu sınırlar fizikçilere karanlık maddenin ne olmadığını söylemeye yardımcı olur – ve LZ bunu dünyadaki herhangi bir deneyden daha iyi yapar. Bu arada, karanlık madde arayışında bundan sonrası için de umut var. LZ şu anda daha fazla veri topluyor ve önümüzdeki birkaç yıl içinde 15 kat daha fazla veri almayı bekliyoruz. Bir WIMP etkileşimi bu veri setinde zaten mevcut olabilir, sadece bir sonraki analiz turunda ortaya çıkmayı bekliyor olabilir.
Kaynak: https://www.iflscience.com
Derleyen: Figen Berber
Karanlık Madde Tartışmasını Çözmeye Bir Adım Daha Yaklaşıldı