Gözlemlenebilir Evreni inceleyen gökbilimcilerin söyleyebildiği kadarıyla bu evrenin yalnızca yüzde 5’i maddedir. Geri kalanı veya büyük kısmı karanlık maddeden (yaklaşık yüzde 27) ve karanlık enerjiden (yaklaşık yüzde 68) oluşuyor.
Karanlık Madde Nedir
Karanlık madde, evrendeki tüm maddenin çoğunluğunu oluşturan, madde ve enerji bileşiminin yüzde 30,1’ini oluşturan görünmez bir madde türüdür. Kütlesi var ama görünmez ve sıradan maddeyle etkileşime girmiyor. Önde gelen hipotez, karanlık maddenin sıradan madde veya ışıkla etkileşime girmeyen ancak yine de çekici bir kuvvet uygulayan egzotik parçacıklardan oluştuğu yönündedir. CERN’in Büyük Hadron Çarpıştırıcısı’ndaki biri de dahil olmak üzere birçok araştırma grubu şu anda laboratuvarda incelenmek üzere karanlık madde parçacıkları oluşturmak için çalışıyor. Galaksilerdeki görünür malzeme miktarı onların şeklini, dağılımını ve hareketini açıklayamadığı için, galaksilere ve diğer cisimlere yerçekimini kazandırmaktan karanlık maddenin sorumlu olduğu düşünülüyor. Astrofizikçiler, henüz keşfedilmemiş bir tür kütlenin olması gerektiğini savunuyorlar.
Karanlık madde, kendi ışığını yaymayan ve sıradan maddeyle yalnızca yerçekimi yoluyla etkileşime giren görünmez bir maddedir ve bunun kanıtlarını galaksilerde ve galaksi kümelerinde bulabiliriz. Görünüşe göre sıradan maddeden beş kat daha fazla olduğu göz önüne alındığında, bilim adamları doğal olarak onun varlığına dair doğrudan kanıt arıyorlar.
Karanlık madde yıldızlarda ve galaksilerde gördüklerimizi açıkladığı için belki de sezgilere aykırı olan onu bulmaya yönelik bir yaklaşım yeraltına inmektir.
Dünya çapında fizikçilerin, nötrino etkilerini ölçmek de dahil olmak üzere zayıf etkileşimli büyük parçacıkların (WIMP’ler) işaretlerini aradığı birçok yer altı alanı var. Buradaki fikir, WIMP’lerin uzayda hareket ettiği süre boyunca Dünya’nın üzerinden geçmesi gerektiğidir. Dolayısıyla bunları tespit etmek için, bu zayıf etkileşimleri tespit edecek kadar hassas dedektörlere ihtiyacımız var.
UCSF fizik profesörü Hugh Lippincott, “[Stanford LUX-ZEPLIN deneyinde], iki büyük elektrik ağı, sıvı hacmi boyunca bir elektrik alanı oluşturarak serbest kalan elektronları sıvının yüzeyine doğru itiyor” diyor. Barbara The Conversation için yazdığı bir makalede bunu açıklıyor.
“Yüzeye çıktıklarında, ksenon dolu sıvının üzerindeki boşluğa çekiliyorlar ve başka bir elektrik alanı tarafından hızlandırılarak ikinci bir ışık parlamasına neden oluyorlar. “İki büyük ışık sensörü dizisi bu iki ışık parıltısını alıyor ve birlikte araştırmacıların meydana gelen etkileşimin yerini, enerjisini ve türünü yeniden yapılandırmasına olanak tanıyor.” yani ne olmadığını anlamaya yardımcı olabilirler. Ancak sorun şu ki, onları bir yüzeye yerleştirirseniz çok fazla gürültü toplayacaklardır.
Lippincott şöyle devam etti: “Ancak, Dünya’da sürekli olarak çevredeki eser elementlerden (başta uranyum ve toryum) ve aynı zamanda uzaydan gelen kozmik ışınlardan kaynaklanan küçük, zararsız seviyelerde radyoaktivite ile çevriliyiz.” “Karanlık maddeyi aramanın amacı, bir dedektörü mümkün olduğu kadar hassas hale getirerek karanlık maddeyi görebilmesini sağlamak ve karanlık madde sinyalinin arka plandaki radyoaktivitenin üzerinde görülebilmesi için onu mümkün olduğu kadar sessiz bir yere yerleştirmektir. ” “
Bu nedenle karanlık madde dedektörleri yerin derinliklerine yerleştirilir. Ontario, Kanada’da bilim insanları, dünyanın en derin temiz laboratuvarı olan SNOLAB’a ulaşmak için yeraltında 2 kilometre (1,24 mil) ve ardından aktif bir madenin içine günlük bir yolculuk yapmak zorundalar. LUX-ZEPLIN deneyi, Güney Dakota’daki Black Hills’in derinliklerindeki olayları günde yaklaşık beş olayla kaydetti; bu, yüzeyde kaydedebileceği trilyon olaydan çok daha azdı. Ancak bilim insanları bunların hepsinin olası nedeni olarak karanlık maddeyi dışladı. Ancak deneyler devam ettikçe, evrenin derinliklerindeki tüm kayıp şeylerin kanıtlarını bulabileceklerine dair umut var.
Araştırmacılar nihayet karanlık maddeyi gözlemleme umuduyla yerin derinliklerini kazıyor
Benim gibi fizikçiler evrendeki maddenin yaklaşık %83’ünü neyin oluşturduğunu, yani “karanlık madde” dediğimiz şeyi tam olarak anlamıyorlar. Ancak Güney Dakota’nın yaklaşık bir mil aşağısında gömülü ksenon dolu bir rezervuarla, belki bir gün karanlık maddenin gerçekte ne olduğunu ölçebiliriz.
Tipik modelde, karanlık madde evrendeki çekim kuvvetinin çoğunu oluşturur ve Samanyolu’muz da dahil olmak üzere galaksiler gibi yapıların oluşumuna olanak sağlayan yapıştırıcıyı sağlar. Güneş sistemi Samanyolu’nun merkezinin etrafında dönerken, Dünya galaksimizdeki maddenin çoğunu oluşturan karanlık madde halesinin içinden geçiyor. Karanlık maddenin doğasını anlamakla ilgilenen bir fizikçiyim. Yaygın bir varsayım, karanlık maddenin yeni bir parçacık türü, zayıf etkileşimli büyük kütleli parçacık veya WIMP olduğudur. “VIMP” bir parçacığın özünü oldukça iyi yakalıyor: kütlesi var, yani yerçekimsel olarak etkileşime giriyor, ancak bunun dışında sıradan maddeyle çok zayıf (veya nadiren) etkileşime giriyor. Samanyolu’ndaki Pısırıklar teorik olarak Dünya’da her zaman üzerimizden uçuyorlar, ancak zayıf bir şekilde etkileşime girdikleri için hiçbir şeye çarpmıyorlar.
Zayıfları arıyorum
Geçtiğimiz 30 yıl boyunca bilim insanları, WIMP’ler ile sıradan atomlar arasındaki nadir etkileşimleri tespit etmek için deneysel bir program geliştirdiler. Bununla birlikte, Dünya’da sürekli olarak çevredeki eser elementlerden (çoğunlukla uranyum ve toryum) ve uzaydan gelen kozmik ışınlardan gelen düşük seviyelerde zararsız radyoaktivite ile çevriliyiz. Karanlık madde araştırmasının amacı, karanlık maddeyi görebilecek kadar hassas bir dedektör oluşturmak ve onu, karanlık madde sinyalinin arka plandaki radyoaktivitenin üzerinde görülebilmesi için mümkün olduğu kadar sessiz bir yere yerleştirmektir. . Temmuz 2023’te yayınlanan sonuçlarla, LUX-ZEPLIN veya LZ işbirliği tam da bunu gerçekleştirdi; bugüne kadarki en büyük karanlık madde dedektörünü inşa etti ve onu Lead, Güney Dakota’daki Sanford Yeraltı Araştırma Tesisi’nde 4.850 fit (1.478 metre) yer altına yerleştirdi. . .
LZ’nin merkezinde 10 ton (10.000 kilogram) sıvı ksenon yatıyor. Parçacıklar dedektörden geçerken ksenon atomlarıyla çarpışarak bir ışık parlamasına ve elektronların salınmasına neden olabilir. LZ’de iki devasa elektrik kafesi sıvı boyunca bir elektrik alanı yaratıyor ve bu da serbest bırakılan elektronları sıvının yüzeyine itiyor. Yüzeye geldiklerinde sıvının üzerindeki ksenonla dolu boşluğa çekilirler ve başka bir elektrik alanı tarafından hızlandırılarak ikinci bir ışık parlamasına neden olurlar. İki büyük ışık sensörü dizisi bu iki ışık parıltısını topluyor ve araştırmacıların meydana gelen etkileşimin konumunu, enerjisini ve doğasını yeniden yapılandırmasına olanak tanıyor.
Radyoaktivitenin azaltılması
WIMP dedektörünü oluşturmak için kullanılanlar da dahil olmak üzere Dünya üzerindeki tüm materyaller, karanlık maddeyle etkileşimleri potansiyel olarak maskeleyebilecek radyasyon yayar. Bu nedenle bilim insanları karanlık madde dedektörlerini, dedektörün hem içinde hem de dışında bulabilecekleri en “radyasyona karşı temiz”, yani radyoaktif kirletici maddeler içermeyen malzemelerden üretiyorlar.
Örneğin, LZ, dökümhanelerle çalışarak, sıvı ksenon içeren merkezi bir silindir (veya kriyostat) oluşturmak için dünyadaki en saf titanyumu kullanmayı başardı. Bu özel titanyumun kullanılması, LZ’deki radyoaktiviteyi azaltarak, herhangi bir karanlık madde etkileşimini tespit etmek için temiz bir alan yaratır. Ek olarak, sıvı ksenon o kadar yoğundur ki aslında bir radyasyon kalkanı görevi görür ve ksenonun içine girebilecek radyoaktif kirletici maddelerden temizlenmesi kolaydır.
LZ’de merkezi ksenon dedektörü, ksenon kılıfı olarak adlandırılan diğer iki dedektörde ve harici dedektörde bulunur. Bu destek katmanları radyoaktiviteyi merkezi ksenon odasına giderken veya oradan çıkarken yakalar. Karanlık madde ile etkileşimler çok nadir olduğundan, bir karanlık madde parçacığı tüm aparatta yalnızca bir kez etkileşime girecektir. Bu nedenle, ksenon veya harici bir dedektörde birden fazla etkileşimin olduğu bir olayı gözlemlersek, bunun bir WIMP’den kaynaklanmadığını varsayabiliriz.
Merkezi dedektör, kriyostat ve harici dedektör de dahil olmak üzere bu nesnelerin tümü, neredeyse bir mil yerin altında büyük bir su rezervuarında yaşıyor. Su deposu, dedektörleri mağaradan korur ve yeraltı ortamı, su deposunu sürekli olarak Dünya atmosferine giren kozmik ışınlardan veya yüklü parçacıklardan korur.
Av devam ediyor
Yeni açıklanan sonuçta LZ, 60 günlük veriyi kullanarak dedektörde günde yaklaşık beş olay kaydetti. Bu, tipik bir yüzey parçacık dedektörünün bir günde tespit edebileceğinden yaklaşık bir trilyon daha az olay demektir. Bu olayların özelliklerine bakıldığında araştırmacılar, karanlık maddenin şu ana kadar herhangi bir etkileşime neden olmadığını rahatlıkla söyleyebilirler. Ne yazık ki sonuç yeni bir fizik keşfi değil; ancak LZ’den görünmez kaldığı için karanlık maddenin ne kadar zayıf etkileşime girmesi gerektiğine dair sınırlar koyabiliriz.
Bu sınırlar fizikçilerin karanlık maddenin ne olmadığını belirlemesine yardımcı oluyor ve LZ bunu dünyadaki herhangi bir deneyden daha iyi yapıyor. Bu arada karanlık madde arayışına devam etme umudu da var. LZ şu anda daha fazla veri topluyor ve önümüzdeki birkaç yıl içinde 15 kat daha fazla veri toplamayı bekliyoruz. WIMP etkileşimi bu veri setinde zaten mevcut olabilir ve bir sonraki analiz turunda ortaya çıkmayı bekliyor olabilir.
Bu yazı The Conversation adresinden derlenmiştir.