Karanlık Madde Karanlıktan Çıkmıyor


Raşit Gürdilek

WIMP avı şimdilik sonuçsuz...

ABD’nin Güney Dakota eyaletinde bir 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 ışık yılı 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).  Dedektör, basitçe 270 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 Ekim 2015’ten Mayıs 2016’ya 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 rüzgârı” 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 olacağının düşünüldüğü 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’nın (LHC) yeni 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).

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, burada da henüz bir sonuç alınabilmiş değil.

KAYNAKLAR

  • 1. “World's most sensitive dark matter detector completes search”, Brown University, 21 Temmuz 2016