Karanlık madde için samanlıkta iğne arayan fizikçiler, kendilerinin bile izah edemediği bir olayla karşılaştı

Yüzlerce fizikçi, yıllardır yerin derinliklerindeki bir detektörden gelen verileri en ince ayrıntısına kadar inceliyor; evrenin karanlık ve ulaşılmaz bir köşesinden gelecek en hafif fısıltıyı dinliyor. Araştırmacılar, kütle çekimiyle galaksilerin ve yıldızların hareketine yön veren o görünmez maddeyi bulmak için LZ Karanlık Madde Deneyi’ni yürütüyor.

Ve sonunda bir şey bulmuş olabilirler.

The New York Times gazetesindeki habere göre, araştırmacılar, South Dakota’daki Sanford Yeraltı Araştırma Tesisi’nde bulunan LZ detektörü tarafından kaydedilen alışılmadık bir sinyali paylaştı. Salı günü yayımlanan makalede, bir parçacığın başka bir parçacığa tek bir küçük teması/itmesi tarif ediliyor.

Fizikçiler karanlık maddeyi keşfettiklerini iddia etme konusunda temkinli. Ancak bu olayın, alt atomik dünyada bilinen hiçbir parçacık etkileşimine uymadığını belirtiyorlar.

LZ iş birliğinin sözcüsü Richard Gaitskell, “Bu aşamada geniş bilim topluluğundan geri bildirim almak istiyoruz,” dedi. “Kendi içimizde bu kadar çok çalıştıktan sonra, sonuçları dünyanın geri kalanıyla konuşmaya hazır hissettik.”

Elde edilen bulgular ilk olarak Japonya’da düzenlenen bir parçacık astrofiziği konferansında duyuruldu. Birkaç saat sonra LZ ekibi, ayrıntılı makaleyi web sitelerine yükledi. Çalışma, hakem değerlendirmesi için Physical Review Lettersdergisine sunulacak.

Çalışmada yer almayan Austin’deki Teksas Üniversitesi’nden teorik fizikçi Katherine Freese, “Aşırı derecede heyecanlıyım,“ diyerek LZ ekibinin verileri analiz etmek için kullandığı teknikleri “olağanüstü” olarak nitelendirdi.

Evrenin Görünmez Yüzü ve WIMP Arayışı

Karanlık madde; ışığı yaymadığı, emmediği veya yansıtmadığı için onlarca yıldır doğrudan tespit edilemedi. Erişilemez olduğu kadar yaygın olan bu yapı, evrendeki maddenin yüzde 85’ini oluşturuyor ve doğasını çözmeye kararlı parçacık fizikçilerini adeta büyülüyor.

Teorisyenler, karanlık maddenin ne tür bir parçacık olabileceğine ve sıradan maddeyle nasıl etkileşime girebileceğine dair onlarca fikir üretti. En popüler adaylardan biri, alt atomik ölçeklere göre nispeten ağır olan ve görünür evrenle çoğunlukla kütle çekimi yoluyla etkileşime giren, esprili adıyla WIMP (Zayıf Etkileşimli Masif Parçacık).

Teorilere göre çok nadir de olsa WIMP’ler atom çekirdeklerine çarparak küçük ama tespit edilebilir miktarda bir enerji oluşturabilir.

Deneysel fizikçiler, bir WIMP’i iş başında yakalamak umuduyla giderek büyüyen parçacık detektörlerinde onlarca yıldır böyle bir sinyali kovalıyor. Giderek gelişen tekniklere rağmen, yapılan aramalar şimdiye kadar eli boş çıktı.

Yerin Bir Mil Altında Samanlıkta İğne Aramak

LZ detektörü, yedi tondan fazla sıvı ksnenon ile dolu bir tanktan oluşuyor. Tanka giren ve ksenon atomlarıyla etkileşime giren parçacıklar, karakteristik ışık parlamalarının yanı sıra bir elektron akışı oluşturuyor. Bu sinyaller; gelen parçacığın kütlesi ve detektör içindeki konumu dahil olmak üzere, onun hakkında bilgi edinmek için kullanılıyor.

LZ fizikçileri, sinyalin bilinen diğer parçacık etkileşimlerinin gölgesinde kalmaması için bir WIMP tespit etme şansını en üst düzeye çıkarmak adına büyük çaba sarf ediyor.

Detektörün kurulumunu denetlemeye yardımcı olan UCLA fizikçisi Alvine Kamaha, bu durumu “Samanlıkta iğne aramaya benziyor” sözleriyle açıklıyor.

Deney, yerin bir mil altındaki katı kayalıkların arasında yürütülüyor; çünkü ana kaya, detektörde her saniye binlerce parçacık etkileşimi yaratacak olan uzay radyasyonundan sistemi koruyor. Detektörün etrafı, karanlık maddenin oluşturduğu sinyalleri taklit edebilen nötronları engellemek için suyla çevrili. İstenmeyen parçacık olaylarına yol açabilecek radyoaktif kirleticileri önlemek için ise ksenon sürekli arıtılıyor.

Fizikçiler bu çabaların sonucunda, bir WIMP’i duyabilecek kadar sessiz bir detektör elde etmeyi umuyordu.

16 Haziran 2023: Tek Bir Sinyal

LZ deneyi, aylarca her gün onlarca parçacık etkileşimi kaydetti. Araştırmacılar bu verilerin 220 günlük kısmını ayıkladı ve bir WIMP etkileşiminin en basit teorik profiline uymayan her şeyi elendi. İlk başta hiçbir şey bulamadılar. Ancak daha sonra aramalarını, daha karmaşık teorilerdeki olası WIMP parçacıklarını kapsayacak şekilde genişlettiler.

Geriye sadece tek bir olay kaldı: 16 Haziran 2023’te detektöre sızan, bir ksenon atomunun çekirdeğine çarpan ve kendisini bir ışık parlaması ile yük akışıyla açığa çıkaran bir parçacık.

Bu tespitin bir tesadüf olma olasılığı yaklaşık 400’de 1 veya parçacık fizikçilerinin tercih ettiği belirsizlik birimleriyle yaklaşık 3-sigma güven seviyesinde. (Bir keşif iddiasında bulunmak için altın standart 5-sigma güven seviyesi, yani ilan edilen sigma-3 bir fizikçinin ‘buluş yaptım’ demesine yetecek bir seviye değil.)

Dr. Gaitskell, bu tekil olayın merak uyandırıcı olduğunu ancak sıradan maddenin, bilim insanlarının henüz tam olarak anlayamadığı bir şekilde etkileşime girmesinden de kaynaklanabileceğini söyledi.

Gerçeği yalnızca zaman —ve daha fazla veri— gösterecek. Detektör, son çalışmada kullanılandan bu yana neredeyse dört kat daha fazla olay kaydetti; bu nedenle LZ ekibinin incelemesi gereken çok daha fazla parçacık var. İtalya ve Çin’deki iki farklı deney de sıvı ksenon detektörleri kullanarak karanlık maddeyi avlamaya devam ediyor.

Dr. Gaitskell, bu diğer deneylerin LZ’nin gizemli parçacığına ışık tutup tutamayacağını bilmek için yeterli bilgiye sahip olmadığını kabul ederek ekledi: “Ama umudum bu yönde. Bilimin gelişmesi gereken yol tam olarak budur.”

Bu sırada arayış devam ediyor.