Evrenin Gizli Oyunu: Hızlı Parçacıklar Nasıl Donup Görünmez Oldu?
Ya evrenimizi şekillendiren görünmez güç olan karanlık madde bir zamanlar saf ışık idiyse?
Yeni ve cesur bir teori, erken evrendeki kütlesiz, yüksek enerjili parçacıkların çarpıştığını, soğuduğunu ve aniden karanlık madde dediğimiz ağır, yavaş parçacıklara dönüştüğünü öne sürüyor. Model bu beklenmedik metamorfozu açıklamakla kalmıyor, aynı zamanda kozmik mikrodalga arka planı aracılığıyla test edilebilir tahminlerde bulunuyor.
Karanlık Maddenin Doğuşu Üzerine Radikal Bir Fikir
Bir Dartmouth profesörü ile fizik ve matematik alanlarında çift anadal yapan bir son sınıf öğrencisi tarafından yapılan bir çalışma, evrene şeklini ve yapısını verdiği düşünülen gizemli ve görünmez madde olan karanlık maddenin kökeni hakkında yeni bir teori öneriyor.
Araştırmacılar Physical Review Letters dergisinde yayınladıkları raporda, matematiksel modellerine göre karanlık maddenin evrenin ilk zamanlarında, fermuarlarını kaybeden yüksek enerjili kütlesiz parçacıkların çarpışması sonucu oluşmuş olabileceğini ve eşleştikten hemen sonra inanılmaz miktarda kütle kazanmış olabileceğini belirtiyorlar.
Varsayımsal olsa da, karanlık maddenin görünür madde ile açıklanamayan gözlemlenmiş yerçekimi etkilerine dayanarak var olduğuna inanılmaktadır. Bilim insanları evrenin toplam kütlesinin %85’inin karanlık madde olduğunu tahmin ediyor.
Ancak çalışmanın yazarları, teorilerinin farklı olduğunu çünkü mevcut gözlemsel veriler kullanılarak test edilebileceğini yazıyor. Karanlık maddeyi oluşturduğunu öne sürdükleri aşırı düşük enerjili parçacıklar, evreni dolduran Büyük Patlama’dan arta kalan radyasyon olan Kozmik Mikrodalga Arkaplan veya CMB üzerinde benzersiz bir imzaya sahip olacaktır.
Yeni Bir Anlatı: Işıktan Soğuk Kümelere
Fizik ve astronomi profesörü ve makalenin kıdemli yazarı Robert Caldwell, “Karanlık madde hayatına neredeyse ışık gibi kütlesiz göreceli parçacıklar olarak başladı,” diyor.
Caldwell, “Bu, karanlık maddenin ne olduğu düşünüldüğüne tamamen zıttır – galaksilere kütlelerini veren soğuk topaklardır” diyor. “Bizim teorimiz ışıktan topak haline nasıl geçtiğini açıklamaya çalışıyor.”
Erken Evren Kaosu: Foton Benzeri Parçacıklar Bolca Var
Bilim insanlarının 13,7 milyar yıl önce evrenin genişlemesini tetiklediğine inandığı Büyük Patlama olarak bilinen enerji patlamasından sonra sıcak, hızlı hareket eden parçacıklar kozmosa hâkim oldu. Bu parçacıklar, ışığın temel bileşeni ya da kuantası olan kütlesiz parçacıklar olan fotonlara benziyordu.
Caldwell ve çalışmanın ilk yazarı Guanming Liang ’25, bu kaos ortamında çok sayıda parçacığın birbirine bağlandığını teorize ediyor.
Bu kütlesiz parçacıkların, mıknatısların kuzey ve güney kutupları arasındaki çekim gibi, spinlerinin zıt yönleri tarafından bir araya çekildiğini teorize ediyorlar.
Caldwell ve Liang, parçacıklar soğudukça, parçacıkların dönüşlerindeki dengesizliğin, buharın hızla suya soğuması gibi, enerjilerinin düşmesine neden olduğunu söylüyor. Sonuç, bilim insanlarının karanlık maddeyi oluşturduğunu düşündükleri soğuk, ağır parçacıklar oldu.
Her Şeyi Değiştiren Enerji Düşüşü
James O. Freedman Başkanlık Bursiyeri olarak üçüncü yılında Caldwell’in danışmanı olan Liang, “Matematiksel modelimizin en beklenmedik kısmı, yüksek yoğunluklu enerji ile topaklı düşük enerji arasında köprü kuran enerji düşüşüydü” diyor. Liang, Caldwell’in danışmanlığında, Physical Review Letters’da rapor edilen modelin ayrıntılarını genişleten ve gelecekteki araştırmalar için zemin hazırlayan bitirme tezi araştırmasını yürütüyor.
Caldwell, “O aşamada, bu çiftler karanlık madde olmaya hazırlanıyor gibiydi,” diyor. “Bu faz geçişi, bugün tespit edebildiğimiz karanlık madde bolluğunu açıklamaya yardımcı oluyor. Evrenin ilk zamanlarındaki yüksek yoğunluklu aşırı enerjik parçacık kümesinden ortaya çıkmıştır.”
Süperiletkenlerden Esinlenen Tetikleyici Bir Parçacık
Çalışma, karanlık maddeye geçişi başlatabilecek teorik bir parçacığı tanıtıyor. Ancak Caldwell ve Liang, bilim insanlarının elektron olarak bilinen atom altı parçacıkların da benzer bir geçiş yaşayabileceğini zaten bildiklerini söylüyor.
Düşük sıcaklıklarda, iki elektron Cooper çifti olarak bilinen ve elektriği dirençsiz olarak iletebilen ve bazı süper iletkenlerde aktif mekanizma olan yapıları oluşturabilir. Caldwell ve Liang, Cooper çiftlerinin varlığını, teorilerindeki kütlesiz parçacıkların karanlık maddeye dönüşebileceğinin kanıtı olarak gösteriyor.
Caldwell, “Belirli bir etkileşimin enerjinin bu kadar aniden düşmesine neden olup olamayacağına dair ipuçları için süper iletkenliğe baktık” diyor. “Cooper çiftleri bu mekanizmanın var olduğunu kanıtlıyor.”
Yüksek Enerjili Espressodan Soğuk Kozmik Yulaf Ezmesine
Liang, bu parçacıkların duble espressonun kozmik eşdeğerinden bir günlük yulaf ezmesine dönüşmesinin, mevcut evrenin enerji yoğunluğundaki ilk günlerine kıyasla büyük açığı açıkladığını söylüyor. Bilim insanları Büyük Patlama’dan bu yana evrenin enerjisi dışa doğru genişledikçe yoğunluğun azaldığını biliyorlar. Ancak Liang ve Caldwell’in teorisi kütle yoğunluğundaki artışı da açıklıyor.
Liang, “Yapılar kütlelerini soğuk karanlık maddenin yoğunluğundan alıyor, ancak enerji yoğunluğunun bugün gördüğümüze yakın bir seviyeye düştüğü bir mekanizma da olmalı” diyor.
“Teorimizin matematiksel modeli gerçekten çok güzel çünkü oldukça basit – çalışması için sisteme çok fazla şey eklemenize gerek yok” diyor. “Var olduğunu bildiğimiz kavramlar ve zaman çizelgeleri üzerine inşa ediliyor.”
Kanıt için CMB’ye bakmak
Teorileri, parçacık çiftlerinin yavaşladıkça ve ağırlaştıkça soğuk, neredeyse basınçsız bir duruma girdiklerini öne sürüyor. Bu özellik CMB’de göze çarpmalarını sağlayacaktır. CMB birçok büyük ölçekli gözlemsel proje tarafından incelenmiştir ve Şili’deki Simons Gözlemevi ve CMB Stage 4 gibi diğer deneylerin şu anki odak noktasıdır.
İki Dartmouth araştırmacısı, bu projelerden elde edilen mevcut ve gelecekteki verilerin Caldwell ve Liang’ın teorisini test etmek için kullanılabileceğini söylüyor.
Bu heyecan verici,” diyor Caldwell. “Karanlık maddeyi düşünmek ve muhtemelen tanımlamak için yeni bir yaklaşım sunuyoruz.”
Bir Makaleden ve Fizik Dersinden Esinlenme
Teori, Liang’ın Nisan 2023’te Cooper çiftlerinin erken evren üzerindeki etkisi hakkında okuduğu bir makale ile ortaya çıktı. Çalışmanın yazarlarıyla temasa geçti ve modellerini sıfır olmayan bir sıcaklık senaryosu altında test edip etmediklerini sordu. Test etmemişlerdi.
Aynı zamanda Liang, Yardımcı Doçent Rufus Boyack tarafından verilen katı hal fiziği dersindeydi ve diğer araştırmacıların modelini bir sonraki adıma taşımasını sağlayacak matematiksel aracı yeni öğrenmişti.
Liang, “Prof. Caldwell ve ben ne dediğini görmek için matematiği girdik,” diye hatırlıyor. “Tüm hikayeyi anlatıyordu. Evrenin ilk zamanlarındaki yüksek sıcaklıklardan günümüzdeki düşük sıcaklıklara kadar parçacıkların bu zengin evrimsel tarihini ortaya çıkardı.”
Kaynak: https://scitechdaily.com