2023 yılının Haziran ayında, sayısız elektronik gözü olan LUX-ZEPLIN dedektörü, kozmosu dolduran gizemli karanlık maddenin ilk doğrudan tespitini yakalamış olabilir. Ya da belki de sadece başka bir gündü.
LUX-ZEPLIN (LZ) adlı detektörden alınan verilerin yeni bir analizinde, karanlık madde ile uyumlu tek bir parçacık etkileşimi tespit edildi. Araştırmacılar bu bulguyu Eylül ayında Japonya’daki TeV Particle Astrophysics toplantısında ve LZ’nin web sitesindeki bir makalede yayınladı. Ancak, tek bir olay kesin kanıt teşkil etmez. Bilim insanları daha fazla veriye ihtiyaç duyar.
Bu beklenmedik olay, fizikçiler arasında büyük heyecan yarattı. Kaliforniya Üniversitesi, Berkeley’deki teorik fizikçi Wick Haxton, bu araştırmaya dahil olmamasına rağmen, “Bu son zamanlarda ortaya çıkan en ilginç şey,” diyor. “Kesinlikle insanların bu olayı inceleyeceğini düşünüyorum.”
Ancak, fizikçiler her zaman temkinlidir. Wisconsin-Madison Üniversitesi’nden teorik fizikçi Dan Hooper, “Bu sadece bir olay. Bu yüzden ne olup bittiğinden emin değiliz,” diyor. Ancak, “Bu çok ilgi çekici.”
Karanlık madde, doğrudan gözlemlenmemiş olmasına rağmen, evren üzerindeki yerçekimi etkisiyle varlığı tespit edilen gizemli bir maddedir.
Sanford Underground Research Facility’deki (Lead, S.D.) LZ detektörü, zayıf etkileşim yoluyla etkileşen kütleli parçacıklar (WIMP’ler) olarak bilinen karanlık madde türlerini arar. Bu parçacıklar, sıvı xenon dolu bir tanktaki atom çekirdekleriyle çarpışabilir. Bu çarpışma, bir “bilyardo” oyunu gibi, xenon çekirdeğinin hızlanmasına, küçük bir ışık parlamasına ve LZ’nin sensörleri tarafından tespit edilebilen elektronların salınmasına neden olur. Yeni analiz, özellikle yüksek enerjili çarpışmalara yol açan karanlık madde türlerini hedef aldı.
LZ detektörü, karanlık madde parçacığının atom çekirdeğiyle etkileşimi durumunda iki sinyal tespit etmeyi amaçlar. Çekirdek geri tepmesiyle birlikte bir ışık parlaması oluşur ve aynı anda elektronlar salınır. Bu elektronlar, elektrik alanı sayesinde detektörün üst kısmına doğru hareket eder ve burada başka bir ışık parlamasına neden olur.
220 gün boyunca toplanan veriler incelendiğinde, “sadece tek bir olay tespit ettik; bu kesinlikle büyüleyici,” diyor Brown Üniversitesi’nden fizikçi ve LZ sözcüsü Rick Gaitskell. Bilim insanlarının mevcut tahminlerine göre, bilinen parçacıkların bu tür bir olayı üretme olasılığı yaklaşık 100’de 1’dir (2.6 sigma). Fizikte kanıt olarak kabul edilmesi için genellikle 3 sigma değerine ulaşılması gerekirken, kesin bir tespit için ise 5 sigma gereklidir.
Daha önceki analizlerde, daha düşük enerjili çarpışmalara yol açan atom çekirdeklerinin geri tepmesi incelenmişti. Ancak, karanlık madde parçacıkları farklı şekillerde etkileşime girebilir ve atom çekirdeklerinde daha yüksek enerjili geri tepmelere neden olabilir.
Örneğin, karanlık madde parçacıklarının farklı enerji seviyeleri olabilir. Bu durumda, karanlık madde sadece belirli bir enerji eşiğini aşan atom çekirdekleriyle etkileşime girebilir. Bu tür bir etkileşimde, karanlık madde olayları genellikle yaz aylarında daha sık görülür. Çünkü Dünya, bu dönemde galaksinin karanlık madde akışıyla doğrudan temas halindedir ve bu da daha yüksek enerjili çarpışmalara yol açar. NYU’daki teorik fizikçi Neal Weiner, bu durumun olayın önemini artırdığını belirtiyor.
LZ detektörü, iki arka arkaya gelen ışık sinyallerini tespit ederek karanlık madde parçacıklarını diğer etkileşimlerden ayırmaya çalışır. İki sinyal arasındaki ilişki, bilim insanlarının karanlık madde parçacıklarını izole etmesine yardımcı olur. Arcing bandın içindeki noktalar, radyoaktif bozunma gibi bilinen kaynaklarla uyumludur. Sağ üst köşedeki tek nokta, potansiyel bir karanlık madde parçacığına işaret etmektedir. Sol alt köşedeki nokta ise, tesadüfen eşleşen iki farklı sinyalin göstergesidir.
Eğer bu olay gerçekten karanlık maddeye bağlıysa, bu en basit türdeki karanlık madde olmayacaktır. Ancak, bu durum kesinlikle imkansız değildir. Harvard Üniversitesi’nden teorik fizikçi Matthew Reece, “Bu çok karmaşık bir sinyal değil,” diyor. Bilim insanlarının yeni fikirler üretmesine gerek kalmadan, mevcut bilgilerle bu olayı açıklamak mümkündür. Bu nedenle, “Ben oldukça iyimserim.”
Karanlık madde deneyleri genellikle büyük umutlar yaratır ve ardından hayal kırıklığına yol açar. Örneğin, 2020 yılında XENON1T deneyi, bilinmeyen yeni parçacıkların olası bir işaretini tespit etmişti, ancak bu bulgu daha sonraki bir deney tarafından geçersiz kılınmıştı.
Karanlık maddeye bağlı olsun ya da olmasın, bu analiz LZ ve diğer karanlık madde deneylerinin potansiyelini göstermektedir. Weiner, “İnsanlar bu inanılmaz makineleri tasarladılar,” diyor. “Ve sorulması gereken soru şu: Bu makineler, daha geniş bir yelpazedeki senaryoları incelemek için kullanılabilir mi? Ve en önemli sonuçlardan biri de şudur: Evet, kullanılabilir.”
Bu arada, LZ tarafından toplanan ek veriler hala mevcuttur; bu veri miktarı, şimdiye kadar analiz edilenin yaklaşık üç katıdır. Eğer karanlık madde gerçekten bu olayın arkasındaysa, daha fazlası henüz keşfedilmeyi bekliyor olabilir.
Haxton, “İnsanlar [karanlık madde] için uzun zamandır arıyorlar ve bunun hala bulunamamış olması büyük bir hayal kırıklığı yaratmıştır,” diyor. “Eğer bu olay başka birkaç olayı da beraberinde getirirse, bu çok güzel olur.”
