Axion, Karanlık Evreni Ağartma Peşinde


Raşit Gürdilek

Zaten adını, ABD’de yaygın olarak kullanılan bir çamaşır deterjanından almış. Massachussets Teknoloji Enstitüsü’nün Nobel Ödüllü fizik profesörü Frank Wilczek, dört temel doğa kuvvetinden şiddetli çekirdek kuvveti (ya da kısaca güçlü kuvvet) ile ilgili bir sorunu “temizlediği” için yakıştırmış. Kendisinden beklenen de bir sürpriz yapıp rakip adayın önüne geçerek evrenin madde içeriğinin büyük çoğunluğunu oluşturan gizemli karanlık maddeyi aydınlığa çıkartması.

Karanlık Madde için önerilen ve protonun 1 ile 1000 katı arasında kütleye sahip oldukları varsayılan Zayıf Etkileşimli Ağır Parçacıkların (Weakly Interacting Massive Particles – WIMP)  tersine, axion adlı bu kuramsal parçacıkların 1 mikroelektronvolt  kütlesinde (protonun yaklaşık 2000’de 1 kütlesindeki elektronun, 2 trilyonda biri kadar) olabilecekleri düşünülüyor. Yine de bazı kuramcılar onyıllardır aranmalarına karşın bir türlü bulunamayan WIMP’lerin yerine karanlık maddeyi axionların oluşturabileceği görüşünde.  Şimdi bir grup fizikçi, bu savı kesin bir teste tâbi tutma hazırlığı içinde. İlk kez 1996’da geliştirilip kullanılmaya başlandıktan sonra yeni iyileştirmelerle 2013 sonunda Washington Üniversitesi Deneysel Nükleer Fizik ve Astrofizik Merkezi’nde devreye giren bir düzenek, axionları, daha doğrusu bunların varlığının işaretlerini yakalamaya çalışacak. Yine WIMP arayışlarının tersine, Axion Karanlık Madde Deneyi (Axion Dark Matter Experiment – ADMX) adlı  deneyin sonucu hızlı, net ve kesin olacak: Karanlık madde axiondan oluşuyor mu oluşmuyor mu? Evet ya da hayır!

Bu iddialı deneye hazırlanan axion, aslında kuramcılarca karanlık maddeye aday olsun diye icat edilmiş bir parçacık değil. Ortaya atılış nedeni atom çekirdekleri içinde üçlü bileşimlerle proton ve nötronları oluşturan kuark adlı temel parçacıklarla, bunları nötron ve protonlar içinde bir arada tutan güçlü kuvveti  taşıyan gluon adlı parçacıkların etkileşiminde “Yük-Eşleniklik (Charge-Parity , kısaca CP) simetrisi” denen bir olguda görülen tutarsızlık. CP simetrisi, kuarklar, antikuarklar ve gluonlar yer değiştirdiğinde ve yükler tersindiğinde, parçacıkların özellik ve davranışlarının değişmemesi demek. CP simetrisi  olmadığında, nötronun, manyetik kutuplarından birinde daha fazla artı yük, öteki kutbunda da daha fazla eksi yük olması gerekirdi.  Elektrik dipol momenti denen bu dağılımın da sözü edilen değişimlerde tersinmesi gerekirdi. Gelgelelim çok duyarlı ölçümler nötronun bir elektrik momenti olmadığını ortaya koydu. Demek ki CP simetrisi bozulmuyor. Oysa, güçlü kuvveti açıklayan kurama göre gluonlar arasındaki etkileşimlerden bazılarının, devreye parçacıkların bozunmasına yol açan “zayıf kuvvet”in de girmesiyle  CP simetrisini bozması gerekiyor.  “Güçlü-CP problemi” denen bu açmazdan kurtulmak için iki yol var. Biri, bu gluon etkileşimlerinin gücünü belirleyen ve θ ile gösterilen bir açının sıfırın çok yakınında (ancak 10 milyarda 1 kadar farklı) olduğu varsayılacak (ki, fizikçiler böyle “ince ayarlar”dan hazzetmezler) ya da bilinmeyen bir mekanizmanın işlediğinikabul etmek gerekecek.  İşte axion da, 1977 yılında Amerikalı kuramsal fizikçiler Roberto Peccei ile Helen Quinn tarafından icat edilen böyle bir mekanizmanın parçası. İki fizikçi, boşluğun her tarafa yayılmış ve her noktada aynı olan (skaler) bir kuantum alan tarafından doldurulduğunu varsaymışlar ve bu alanın gluonlarla CP simetrisinin ihlallerini giderecek biçimde etkileştiğini öne sürmüşler. Önerilen mekanizmaya  göre gluonlar ve bu kuantum alan, her zaman için alanı θ’yı sıfıra götürecek biçimde etkileşiyorlar. Axionlar da bu kuantum alanla ilgili parçalar.

Axionlar, güçlü kuvveti sorunundan kurtarmaya odaklanmış  Peccei-Quinn açıklamasının bir yan ürünü. Büyük patlamanın ardından maddenin görece yoğun ve seyrek olarak topaklandığı bölgelerde θ’nın değeri farklıydı. İlk anlarında katrilyonlarca derece sıcaklıkta olan evren Evren genişleyip  soğudukça her bölgedeki θ değeri 0’a yuvarlanıp bu en düşük nokta civarında salınmaya başladı. Kuramcılar, başlangıçta θ’nın sıfırdan ne kadar uzak olduğuna bağlı olarak bu salınmaların değişik miktarlarda aksiyon ürettiğini düşünüyorlar. Bu axionların günümüzde evrendeki karanlık maddeyi oluşturabilecek bollukta olduğu varsayılıyor.

Kozmolojik ve astrofiziksel gözlemler axionun özelliklerine bir takım sınırlar getiriyor. Örneğin, kütlesi  en az elektronunkinin 2 trilyonda 1’i kadar olmalı. Aksi halde evren ilk evrelerinde öylesine çok axion üretirdi ki, bunların kütleçekimi evrenin geometrisini bükerdi. Ama kütleleri, 1000 mikroelektronvoltu da  (elektron kütlesinin iki milyarda biri)  aşamaz; çünkü bu sefer de axionlar çekirdek tepkimelerini  etkiler ve örneğin Güneş’in merkezini soğutur,  kırmızı dev yıldızlarda helyum yanmasını önleyebilir, sıradan madde ve fotonlarla etkileşmedikleri için de çöken çekirdek içinden hızla ve büyük miktarlarda fırlayıp beraberlerinde enerji götürdükleri için süpernova denen yıldız patlamalarının ışınım süresini kısaltırlardı.

Axionları yakalamak teoride basit: Gerçi bunlar kendi kendilerine son derece yavaş bozunuyorlar. Örneğin elektronun ikitrilyonda biri kütlede bir axionun iki fotona bozunma süresi 1050  (Yüz bin katrilyon kere katrilyon kere katrilyon) yıl olarak hesaplanıyor! 

 

Çarpışma sürecindeki iki dev gökada kümesinden oluşan ve hedef içinden geçen bir mermi çekirdeğine benzediği için "kurşun küme" diye adlandırılan bu yapının görünür (optik) ışık dalgaboylarında gözlem yapan Hubble ve X-ışınlarına duyarlı Chandra uzay teleskoplarıyla elde edilen görüntülerin üst üste bindirilmesiyle oluşturulan resim.

Ancak bunlar, güçlü  kuvvetin yanı sıra, ışık ve öteki radyasyondan sorumlu elektromanyetik kuvvet aracılığıyla da etkileştiklerinden, araştırmacılar axionun güçlü manyetik alanlardan geçerken bozunma süresinin kısalabileceğini ender de olsa iki fotona dönüşebileceğini düşünüyorlar. Pratiğe gelince, iş göründüğü kadar basit değil. Axionun çok küçük kütlesi, ortaya çıkan fotonların düşük enerjili radyo dalgaları olmasını gerektiriyor. İşte ADMX de bir vatın milyarda biri  olan nanovatın birkaç katrilyonda biri gücünde olabilecek bu özel radyo dalgalarını yakalamak için kurgulanmış.

Öncelikle güçlü bir mıknatıs gerektiğinden, düzenek  1 m uzunluğunda, yarım m genişliğinde ve 6 ton ağırlığında, Dünya’nın manyetik alanının 150.000 katı gücünde  bir alan oluşturacak süperiletken bir bobinle donatılmış. Ortaya çıkacağı umulan sinyali güçlendirmek için mıknatıs içine, belli frekanslarda radyo dalgalarının güçleneceği  bir rezonans odacığı yerleştirilmiş. Burada foton üretiminin 100.000 kat artacağı hesaplanıyor. Odacıktaki rezonans frekansı  çeşitli düzeylere ayarlanabiliyor.

Yukarıdaki resim, evrendeki maddenin çok büyük kısmını oluşturduğu düşünülen “gizemli” karanlık maddenin varlığı için kanıt olarak sunuluyor. Şöyle ki, Chandra’nın katkısı olan pembe alan, çarpışan gökada kümelerinin kütlesinin çok büyük bölümünü oluşturan 100 milyon derece sıcaklıkta ışıldayan gazı gösteriyor. Her gökadanın ışıldayan sıradan maddeden oluşan kütlesi yıldızlardan ve aralarındaki büyük gaz bulutlarından oluşur. Ancak geçerli kozmoloji kuramına göre gökadalardaki sıradan madde de çok daha büyük kütlede olan, bir birbiriyle ve sıradan maddeyle çok ender etkileşen “karanlık madde”den oluşan bir hale içinde yer alır. Yukarıdaki görüntüdeki pembe alan, saate 16 milyon km hızla çarpışıp birbirlerinin içinden geçip uzaklaşan iki gökadadaki toplam sıcak gazı gösteriyor. Tanıdığımız, atomlardan yapılı (baryonik) maddeden oluşan gaz kümeleri, birbirleriyle elektromanyetik kuvvet aracılığıyla etkileştiklerinden, bir sürtünme kuvvetiyle yavaşlamış ve ortada toplanmışlar. Hubble teleskopu ve güçlü yer teleskoplarıyla yapılan paralel gözlemlerle ise, Einstein’ın kuramında öngörülen ve “kütleçekimsel merceklenme” denen bir olguyla kümelerin arkalarında kalan gökadaların görüntülerinde izlenen bozukluklardan yola çıkarak kümelerin kütlelerinin bulunduğu yerler belirlenmiş (mavi alanlar) Bu verilerin yorumlanmasından elde edilen sonuç: Sıcak (sıradan) gaz tanecilkleri birbirleriyle etkileşip yavaşlattıklarından ortada toplanırken, “karanlık madde” parçacıkları ne birbirleriyle ne de sıradan maddeyle etkileştiklerinden hiç yavaşlamadan geçip gitmişler. Karanlık maddenin varlığı konusundaki kuramsal çıkarımların böylece yeni bir kanıt bulmuş olmasına karşın, bu maddenin WIMP adlı ağır parçacıklardan mı, yoksa axion denen çok küçük parçacıklardan mı oluştuğu henüz aydınlığa kavuşmuş değil.

Ancak bir de, düzeneğin kendi parçalarının ısıyladoğru orantılı şiddette yaydıkları rastgele radyo dalgaları var. Halk dilinde “parazit” diye adlandırdığımız bu olguya bilim dilinde “gürültü” (noise) deniyor. Bu “termal gürültü”yü bastırmak için araştırmacılar ekipmanı, moleküler etkinliklerin durup düzensizliğin minimum noktaya indiği mutlak sıfırın (0 K (kelvin) = -273,15⁰C) yanıbaşına kadar soğutulacak. Düzeneğin iyileştirilmiş bugünkü halinde sıcaklık sıvı helyum kullanılarak 0,3 K’ya, yani  = -273,12⁰C’ye kadar soğutuluyor. 2014 yılında yeni bir iyileştirmeyle deney ekipmanının sıcaklığı 0,1 K’ya düşürülecek.

Tabii bir de Sinyal güçlendiricilerinin içlerinde elektronlar sağa sola çarpmaya başlayınca oluşacak ısı ve gürültüyle de baş etmek lazım. Bunun için de süperiletken küçük metal halkalardan yapılı olan ve son derece az gürültü üreten SQuID ( Süperiletken Quantum Girişim Cihazları) adlı sinyal yükselticiler kullanılıyor. Bunlarda gürültü ısı tarafından değil, yalnızca kaçınılmaz kuantum belirsizlik tarafından üretildiği için bunlar en “sessiz” yükselticiler olarak tanınıyor. Bu araçla donanmış olan ADMX’in en duyarlı axion arayıcısı durumuna geldiği ve 1 vatın milyarda birinin milyarda birinin milyarda birkaçı düzeyindeki bir sinyali yakalayabileceği, uzmanlarca belirtiliyor.

1996 yılından beri önce Lawrence Livermore Ulusal Laboratuarında, daha sonra da Washington Üniversitesi’nde projenin başında olan Leslie Rosenberg, üç yıl içinde karanlık maddenin büyük ölçüde axionlardan meydana gelip gelmediğinin ortaya çıkacağını söylüyor. İlk başta elektron kütlesinin 1-10 mikroelektronvolt düzeylerindeki alt bölümünün taranacağını ve bunun fazla zaman almayacağını belirten Rosenberg, sonraki 10-100 mikroelektronvolt düzeylerinin araştırılmasının biraz daha zaman alacağını kaydediyor. Kariyerini axionu bulmaya adamış olan araştırmacya göre 100-1000 mikroelektronvolt aralığındaki üst kütle dilimlerinin araştırılmasıysa mevcut teknoloinin erişimi dışında. Ama Rosenberg, o zamana kadar hiçbir şey bulamamış olsak bile önemlibir sonuca ulaşılmış olacağını vurguluyor: Eğer karanlık madde o kadar ağırsa, karanlık maddenin önemli bir bölümünü oluşturamayacak kadar az miktarda demektir.

KAYNAKLAR

  • 1. Adrian Cho, “Dark Matter’s Dark Horse”, Science, 1 Kasım 2013
  • 2. “The Search for Particle Dark Matter”, Annenberg Learner, http://www.learner.org/courses/physics/unit/text.html?unit=10&secNum=6
  • 3. http://www.phys.washington.edu/groups/admx/axion.html
  • 4. http://ned.ipac.caltech.edu/level5/March06/Overduin/Overduin6.html