Karanlık Madde Karanlıktan Çıkamadı

ABD’de geliştirilen en duyarlı “karanlık madde” detektörü, ilk deneme çalışmasında evrendeki maddenin yüzde 85’ini oluşturduğu varsayılan ve tanıdığımız maddeyle çok ender etkileştiğinden gözlenemediği için “karanlık madde” diye adlandırılan parçacıkları saptayamadı. Deney, daha önce başka gruplarca ileri sürülen pozitif sonuçları da geçersiz kıldı.

Kuramcılar, karanlık maddenin varlığını, gökadaların dağılmasını önleyen kütleçekim etkisiyle ortaya koyduğunu öngörmekteydiler.Geçtiğimiz yıllarda 13.8 milyar yıl önce evreni ortaya çıkaran Büyük Patlama’nın fosil kalıntısı olan Kozmik Mikrodalga Fon Işınımı üzerinde duyarlı ölçümler yapan NASA’nın WMAP ve Avrupa Uzay Ajansı’nın Planck uyduları, karanlık maddenin varlığını kanıtlamışlar ve evrenin toplam enerjisindeki payını hesaplamışlardı. (Einstein’ın ünlü E=mc2 formülü uyarınca madde de bir tür enerji).

Kuramcılar, karanlık maddenin yalnızca “zayıf çekirdek kuvveti” ya da kısaca “zayıf kuvvet”  denen ve parçacıkların bozunarak kimlik değiştirmesinden sorumlu olan temel doğa kuvveti aracılığıyla etkileştiğini düşünüyorlar. Karanlık madde için en kuvvetli adaylarsa “Zayıf Etkileşimli Ağır Parçacıklar – Weakly Interacting Massive Particles (WIMP)”  denen ve henüz saptanamamış parçacıklar. Bu parçacıkların protonunkinin 1 ile 1000 katı arasında kütleye sahip oldukları sanılıyor. Temel Parçacıkları ve bunların etkileşimini açıklayan Standart Model adlı kurama alternatif olarak geliştirilen ve bilinen tüm parçacıkların kendilerinden daha ağır “süper eşlerinin” bulunmasını öngören “süpersimetri” kuramına göre de da bu parçacıkların bir protonun   yüzlerce katı kütlelere sahip olmaları gerekiyor. Ancak yakın zamanlarda yapılan bazı çalışmalar, 10 proton kütlesinin altında “hafif” WIMP’ler olabileceğini de ortaya koymuş bulunuyor.

Kuramcılara göre bu parçacıklar varlıklarını çok ender olarak bir atomun çekirdeği ile etkileşerek ortaya koyabilirler. Ancak bu etkileşimin gerçekleşme olasılığı öylesine düşük ki, bir karanlık madde parçacığının bir kurşun blok içindeki atomlardan birinin çekirdeğiyle yüzde 50 olasılıkla etkileşmesi  için, kurşun blokunun 200 ışıkyılı (yaklaşık 2 katrilyon ya da 1 milyon kere milyar km) uzunlukta olması gerektiği hesaplanıyor. Bu uzunluksa, Güneş’e en yakın komşu yıldızın uzaklığının 50 katı. 

Böylesine ender etkileşimleri saptayabilmek için son derece duyarlı detektörler gerekiyor ve ABD’nin Güney Dakota eyaletinde yeryüzünün 1480 metre derininde eski bir altın madeninde  kurulu Sanford Yeraltı Araştırma Tesisi’ndeki Büyük Yeraltı Xenon  ( Large Underground Xenon -LUX) dedektörü de karanlık madde avındaki araçların en iddialısı.

Başlangıçta gama ışınları biçimindeortaya çıkan bu ışınım, evrenin genişlemesiyle ışığın tüm dalgaboylarının oluştıurduğu elektromanyetik tayfın mikrodalga bölümüne kaymış bulunuyor. Önce NASA’nın COBE ve WMAP uyduları daha sonra da Avrupa Uzay Ajansı ESA’nın Planck uydusu, tüm evreni dolduran ve 2.7 Kelvin (-270.7⁰C) sıcaklıktaki bu ışınım içinde 1 derecenin yüz binde biri ölçeklerindeki küçük oynamaları kaydettiler. Bu sıcaklık farkları, Büyük Patlama’dan hemen sonra evreni dolduran madde içindeki yoğunluk farklarının yol açtığı topaklanma ve boşlukları gösteriyor. Bu fosil ışınım üzerinde uyduların derlediği verileri inceleyen bilimciler, evrenin yaşı, içeriği, evrimi ve geleceği konusundaki çıkarımlarını netleştirdiler. Bilimcilerin bulgularına göre evrendeki tüm gökadalar, gaz bulutları, yıldızlar ve gezegenleri oluşturan ve atomlar ile alt parçalarından oluşan tanıdık madde, evrenin toplam içeriğinin yaklaşık yüzde 5’i kadar. Işıma yapmadığı ve bildiğimiz madde parçacıklarıyla etkileşmediği için gözlemleyemediğimiz karanlık madde ise, bu miktarın beş katından fazla. Evrendeki toplam enerjinin üçte ikisinden fazlasıysa, yine gizemini koruyan, ama kütleçekiminin tersine itici bir etki yapan karanlık madde oluşturuyor.

Detektör duyarlı ışık sensörleriyle donatılmış, 370 kg (-108⁰C’den daha düşük sıcaklıklarda)  sıvılaştırılmış xenon dolu bir silindirden oluşuyor.

Tesisin bu derinlikte kurulmasının amacı, fondaki ışınımın ve kozmik ışınların etkisini en aza indirmek. Ek bir önlem olarak da detektör 270 tonluk bir su tankının içine yerleştirilmiş.

Çekirdeğe Dikkat

Kurgulanan deneyler, bir WIMP parçacığı bir xenon çekirdeğine çarptığında çekirdeği hareket ettirmesi ve sonuçta çıkacak ışıkla atomdan kopan elektronların  detektörün üst tarafındaki xenon gazına yükselmesiyle ortaya çıkan ikinci bir ışığın,  sensörlerce algılanmasına dayalı.

WIMP dışındaki radyasyon parçacıkları ya da kozmik ışınlarsa, xenon çekirdekleriyle değil, çevrelerindeki elektronlarla etkileşiyor ve böylece ayırdedilebiliyorlar.

LUX  detektörü, gerek hafif WIMP’leri, gerekse de 40 proton kütlesinin üzerindeki WÎMP’leri , kendinden önceki detektörlerden çok daha duyarlı biçimde saptayabilecek duyarlılıkta geliştirilmiş.

Umutlar Gelecek Yıla Kaldı

Ancak, aracın 90 günlük ilk deney süresi sonuçlarını açıklayan bilimciler,bir WIMP sinyaline rastlanmadığı gibi, daha önce İtalya’da Gran Sasso ve ABD’deki  Soudan araştırma ekiplerince elde edildiği bildirilen pozitif sonuçların doğru olamayacağını belirttiler.

Yine de kuramcılar ve deneysel  fizikçiler LUX’un 2014’teki 300 günlük ikinci deneyinde WIMP sinyalleri elde edebilme konusunda umutlular.    

Karanlık maddenin hiç değilse bir ya da birkaç parçacığını ele geçirebilmek için geliştirilmiş olan ve Güney Dakota’da 2002 yılında kapatılmış olan ve artık bilimsel araştırma tesislerine evsahipliği yapan Homestake madenine yerleştirilmiş olan LUX detektörünün kendisinden beklenen görevi nasıl yerine getirebileceğini aşağıdaki çizimle daha iyi anlayabilirsiniz.