Japon fizikçiler, evrendeki en gizemli bulmacalardan biri olan koyu maddeyi araştırmak için Dünya’yı devasa bir dedektör olarak kullandı. British Geological Survey’in 2012 ile 2022 yılları arasında toplaydığı Dünya manyetik alanı verilerini analiz ederek, fizikçiler aradıkları kütle aralığında binlerce aday sinyal tespit etti; en sıkı istatistiksel filtrelerden sonra bile 25 axion (aksiyon) ve 31 koyu foton (dark photon) sinyali kalmaya devam ediyor.
Bu sinyallerin gerçekten koyu madde parçacıkları olup olmadığı henüz doğrulanmamış durumda. Araştırmacılar, bu adayların başka şeyler olabileceğini açıkça kabul ediyor; ancak deney, kozmolojinin en akıl almaz bulmacalarından birine dair heyecan verici yeni ipuçları barındırıyor.
Koyu Maddenin İzini Takmak
Görünür evrenin ötesinde daha fazlasının varlığına dair güçlü kanıtlar mevcut. Fizikçilerin, görünür maddenin kozmos boyunca nasıl dağıldığı ve hareket ettiği konusunda kurdukları modeller, gerçek dünyadaki dağılım ve hareketle tam olarak örtüşmüyor.
Fizikçiler, gözlemlenen kütleçekimsel etkileri üretmekte katkıda bulunan, kütlesini bizlere görünen maddeden başka bir görünmez madde alanının da bulunduğunu düşünüyor. Işık yansıtmadığı veya yaymadığı için bilim insanları bu maddeye ‘koyu madde’ adını verdiler.
Bir modeldeki boşluğu tespit etmek ile onu doldurmak ise birbirinden farklı iki şey. Bu durumda boşluğu kapatabilecek, farklı özelliklere sahip bir dizi aday var. En umut verici adaylardan biri 1970’lerde parçacık fiziğindeki başka bir sorunu çözmek amacıyla önerilen axion.
Bu parçacıkların belirli bir kütle aralığında var olmaları halinde, aynı zamanda koyu madde boşluğunu da kapatabilecekleri anlaşıldı. Diğer birçok koyu madde adayına kıyasla axionların elektromanyetik kuvvetle etkileşime girdikleri tahmin ediliyor ve bu da onları ortaya çıkaran şey olabilir.
Dünya’nın Kendisi Dedektör Oluyor
Aksiyonların güçlü manyetik alanlarda bazen fotonlara (ışık parçacıklarına) bozunması bekleniyor. Bu nedenle astronomlar, nötron yıldızları ve süpernovalar çevresinde aramalar yapmıştı. Ancak Japon fizikçilerden gelen son çalışmaların ortaya koyduğu, belki de daha yakın bir yerde bakmamız gerekiyor.
“Kendimize Dünya’yı bu arayışta devasa bir dedektör olarak kullanabilir miyiz diye sorduk,” diyor tüm dört makalenin yazarlarından teorik fizikçi Atsushi Taruya. Araştırmacıların görüşüne göre, eğer axionlar gerçekten gezegen üzerinden akıp geçiyorsa, Dünya’nın yüzeyi ile iyonosfer arasında rezonansa girerek parçacıkların kütlesine karşılık gelen frekansta elektromanyetik dalgalar üretecekler.
“Dünya-iyonosfer boşluğu, aramak istediğimiz kütle aralığı etrafında elektromanyetik dalgaları doğal bir rezonatör olarak güçlendiren bir yapıya sahip.”
Atsushi Taruya, teorik fizikçi
Bu bağlamda araştırmacılar, on yıllardır süregelen çalışmalar axionların olası kütlelerini oldukça dar bir aralığa indirgemişti. Bu yüzden ekibin bu on yıllık veriyi yalnızca bu dar aralıktaki sinyaller açısından inceledi.
Gürültü arka planını hesaba kattıktan sonra ekip 65 axion sinyal adayı belirledi. İstatistiksel filtrelerini daha da sıkılaştırdıklarında bile hâlâ 25 aday kaldı.
Koyu Foton Arayışı
Aksiyonlar, bu tekniğin tespit edebileceği tek koyu madde adayı değil. Başka bir aday olan koyu foton, Standard Model’in ötesindeki gizemli alemdaki kuvvet taşıyıcısı olarak tahmin edilen parçacıklardır.
Bizimle aşina olduğumuz sıradan fotonlardan farklı olarak koyu fotonların kütleye sahip olabileceği ve axionlara benzer şekilde manyetik alanlarla etkileşime girebileceği öne sürülüyor.
Araştırmacılar, koyu foton sinyallerini araştırmak için benzer bir yöntemi kullanarak aynı veride bir takviye çalışma yürüttü. Bu kez de en gevşek kriterlerle 342 aday sinyal raporladılar; daha katı bir sinyal-gürültü oranıyla bu sayı 31’e indi.
Sinyallerin Doğası
Bu yöntemle, mevcut verilerle koyu foton ve axion sinyalleri birbirinden ayırt edilemiyor. Temel farklardan biri, axionların sinyal üretmek için Dünya manyetik alanına bağımlıyken, koyu fotonların varlığına ya da yokluğuna bakılmaksızın kendi sinyallerini üretebilecekleri.
Bu durum, şu anda Dünya üzerinden akan (varsa) hangi formda koyu madde olduğunu test etme yolunu açıyor. Sinyalin gezegenin her yerinde tam olarak aynı görünmesi koyu fotonlara işaret ederken, sinyal gücünün konuma göre değişmesi axionları daha olası kılar.
Bu ayrımın nedeni, Dünya manyetik alanının konuma göre değişmesidir. Araştırmacıların görüşüne göre bu durum, axion sinyalinin gezegenin kutuplarına yaklaştıkça zayıflamasını ve Güneydoğu Asya çevresinde en güçlü olmasını gerektiriyor.
Türkiye’den ziyade küresel bir bakış açısı elde etmek için gereken veriler, yalnızca Birleşik Krallık’taki tek bir gözlemevi’den toplandı. Bu nedenle ekip o küresel perspektifi sağlayamadı; ancak gelecek çalışmaların koyu madde hakkında daha fazla ışık tutması bekleniyor.
Aksiyonlara dair üç makale Progress of Theoretical and Experimental Physics dergisinde yayımlandı, koyu foton çalışması ise ayrı bir dergi’de yer aldı. Bu bulgular henüz kesin bir kanıt niteliği taşımıyor; ancak kozmolojinin en derin gizemlerinden birine dair araştırmada yeni bir yol açtıkları açık.
