Karanlık madde karanlıktan çıkmıyor

Karanlık madde karanlıktan çıkmıyor
WIMP avı şimdilik sonuçsuz...
ABD’nin Güney Dakota Eyaletinde bşr yeraltı altın madeninde kurulu olan dünyanın en duyarlı
karanlık madde dedektörünün, bu gizemli maddeye ait parçacıkların peşinde 20 aydır sürdürdüğü
çalışmadan eli boş çıktığı açıklandı.
13.8 milyar yıl önce evreni ortaya çıkaran Büyük Patlama’dan yaklaşık 380.000 yıl sonra yayılan ilk
ışığın günümüzdeki fosil kalıntısı olan “kozmik mikrodalga fon ışınımı” üzerinde uydularla yapılan
duyarlı gözlemlerden elde edilen veriler, tüm yıldızları, gökadaları ve muazzam gaz ve toz bulutlarını
oluşturan sıradan maddenin, evrenin enerji içeriğinin ancak yüzde 5 kadarını oluşturduğunu ortaya
koymuş bulunuyor (Einstein’ın E = mc2 formülüne göre madde ve enerji
aynı şeyin iki farklı görünümü). Buna karşılık karanlık maddenin payı,
yaklaşık yüzde 27.
Bu durumda evrendeki tüm maddenin yüzde 85 kadarı karanlık maddeden meydana geliyor. Evrenin
geri kalan yüzde 68’iniyse, kütleçekiminin tersine itici etki yaparak evrenin genişlemesini
hızlandırmasından öte yine nitelikleri belirlenemeyen “karanlık enerji” oluşturuyor.
Evren modellerinde gökadaları ve gökada kümelerini muazzam topaklar halinde çevrelediği
düşünülen karanlık madde adayları arasında fizikçilerin tercih listesinin başında Zayıf Etkileşimli Ağır
Parçacıklar (Weakly Interacting Massive Particles – WIMP) yer alıyor. Bu kuramsal parçacıklar,
adlarından da belli olduğu gibi hayli ağırlar. Kütlelerinin, yaklaşık 1 milyar elektronvolt değerinde olan
protonun kütlesinden 1 ile 1000 kat daha büyük olduğu düşünülüyor. Fizikçiler, WIMP’lerin yüzlerce
proton kütlesindeki aralıklarda aramakla birlikte, 10 proton kütlesinden daha küçük “hafif WIMP’lerin
de olabileceği öngörülüyor. Ancak, dört temel doğa kuvvetinden, yalnızca parçacıkların bozunarak
başka parçacıklara dönüşmesinden sorumlu “zayıf kuvvet” aracılığıyla etkileştiği düşünülen WIMP’ler
sıradan madde ile çok ender olarak etkileştiklerinden, her saniye elimizden milyarlarcasının geçtiği bu
parçacıklar, hiç yokmuş gibi Dünya’nın içinden de geçerek yollarına devam ediyorlar. Bilimciler
WIMP’lerin bir kurşun blok içindeki atomlardan biriyle yüzde 50 olasılıkla etkileşebilmesi için kurşun
blokun 200 ışıkyılı uzunlukta olması gerektiğini hesaplıyorlar (1 ışık yılı = 9.5 trilyon km). Bu uzunluksa,
Güneş’e en yakın komşu yıldızın uzaklığının 50 katı!
Araştırmacıların, karanlık madde parçacığını yakalamak için kullandıkları, kozmik ışınların ve öteki
radyasyon kaynaklarının etkisinden korumak için eski altın madeninde yüzeyden 1500 metre derinde
inşa edilmiş Sanford
Yeraltı Araştırma
Merkezi’nde bulunan
“Büyük Yeraltı Xenon
(Dedektörü) “ (Large
Underground Xenon –
LUX). (Bkz: Kurious,
https://kurious.ku.ed
u.tr/tr/derinbakis/karanlikmaddeden-isaret-yok
). Dedektör,
basitçe270 ton yüksek
saflıkta su içeren bir
tankın içine
yerleştirilmiş bir
titanyum kap içine
konmuş sıvılaştırılmış
xenon gazı ve kap
içindeki ışık
dedektörlerinden
oluşuyor.
Deneyde umulan, bir
WIMP parçacığının
kap içindeki sıvı
Xenondaki atomlardan birine çarpıp silkelemesi ve atom çevresindeki yörüngesinden kopan bir
elektronun yol açacağı ışık (Çerenkov ışınımı) ile, kabın üst kısmına yükselen elektronun orada gaz
halinde bulunan Xenon atomlarıyla etkileşirken yayacağı ikinci bir ışığın birlikte algılanması. Yani
WIMP hayaletinin imzası ikili ışık fotonları.
Ancak, 21 Temmuz’da İngiltere’nin Sheffield kentinde yapılan bir karanlık madde konferansına katılan
LUX fizikçileri, 1913’teki 90 günlük ilk deneyin ardından, duyarlılığı dört katına çıkarılan dedektör ile
2015 Ekim ayından 2016 Mayıs’ına kadar sürdürülen 20 aylık ikinci seansta, WIMP’lerin
bulunabileceği kütle aralıklarının daraltılmasına karşın, WIMP imzası belirlenemediğini açıkladılar.
Araştırmacıların hesaplarına göre karanlık madde parçacıkları bir yüzyıl içinde 1 kg xenonda yalnızca
birkaç atomla etkileşebilir. Ancak LUX fizikçileri umutlarını koruyorlar. Araştırmacılar şimdi umutlarını
LUX’un, 2020 yılında hizmete girmesi beklenen LUX-ZEPLIN (LZ) dedektörüne bağlamış bulunuyorlar.
LZ’de yine 270 ton su ile perdelenecek titanyum bir tank içinde, 370 kg yerine 10 ton sıvı xenon
bulunacak ve böylece dedektörün duyarlılığı 50 kat artmış olacak.
Bu arada karanlık madde başka yöntemlerle de aranıyor. Bir yöntemde, Dünya’nın Güneş
çevresindeki yörünge turu sırasında “karanlık madde rüzgarı” içinde döngüsel olarak ters yönlerde
yer alıyor olması nedeniyle dedektörlerdeki ışık sinyallerinde bu döngüye koşut dalgalanmalar
aranıyor.
Başka bazı gruplar, WIMP işaretlerini karanlık maddenin daha yoğun lcağının düşündüğü Samanyolu
merkez bölgesinde iki WIMP parçacığının çarpışarak birbirini imha etmesi sonucu ortaya çıkacak özel
gama ışını şiddet aralıklarında arıyorlar.
Bu arada CERN’in Büyük Hadron Çarpıştırıcısı (LHC)’ninyeni dönem çalışma sezonunda, atomaltı
parçacıklarını açıklayan Standart Model’e rakip olan Süpersimetri adlı kuramınn öngördüğü
parçacıklardan bazılarını ortaya çıkarabileceği umuluyor. Bunlardan en hafifleri olan fotino ve
nötralino adlı parçacıklar, WIMP olmaya aday.
Ayrıca, karanlık madde için WIMP’lere rakip olan axion adlı bir parçacık için de araştırmalar
yürütülüyor (Bkz. Kurious, https://kurious.ku.edu.tr/tr/derin-bakis/karanlik-madde-axion-mu ).
Ancak ağır kütleli WIMP’lerin tersine axionun, proton’un yaklaşık 2000’de 1 kütlesindeki elektronun
kütlesinden 2 trilyon ile 2 milyar daha küçük bir kütle aralığında olduğu hesaplanıyor. Axion
yakalamak için de duyarlı bir dedektörün faaliyette olmasına karşın, bırada da henüz bir sonuç
alınabilmiş değil.
Raşit Gürdilek
KAYNAKLAR:
“World's most sensitive dark matter detector completes search”, Brown University, 21 Temmuz 2016