Karanlık maddeyi asla bulamazsak ne olur?

Evrenin görünmeyen kütlesinin beş altıda biri olarak bilinen karardık madde parçacıklarını yakalamaya yönelik küresel çabalar, bilim tarihinde yaşanan en uzun ve belki de sonuçsuz avlanmaya dönüşebilir mi? İtalya’daki Gran Sasso Ulusal Laboratuvarı’nda çalışan fizikçiler, onlarca yıldır bu parçacıkları bulmak için uğraşıyor; ancak son yıllarda “belki de asla bulamayız” endişesi giderek güçleniyor. Makalenin yazarı, kendi deneylerinde tanık olduğu başarısızlıkları ve bunun bilimin doğası hakkındaki inançları nasıl sars olduğunu anlatıyor.

Karardık madde arayışının bilim tarihindeki en büyük umutsuz çabaya dönüşebileceği düşüncesi, artık yalnızca marjinal bir ses değil. Dört yıldır bu parçacıkların ne olduğu bulunamadı ve giderek daha fazla fizikçi, durumun değişmeyeceğini savunuyor. Bu belirsizlik, yazar için bilim metodunun sınırlarına dair derin sorgulamaları tetikledi.

Karanlık madde neden var olduğundan eminiz?

Olayın temeli, evrenin beş altıda birinin görünmez ancak her şeyi inşa eden bir maddeden oluşması gerçeğine dayanıyor. Gözlemlenebilir evrendeki galaksilerin kenarındaki yıldızların çok fazla hızla hareket ettiğini gözlemleyen astronom Vera C. Rubin, 1970’lerde gökyüzündeki olabildiğince çok sayıda galaxy’i titizlikle katalogladı. Bu yıldızların yörüngelerinden fırlatılması gereken kadar hızlı döndüğü, merkezdeki görünür kütlenin onları tutmaya yetmediği ortaya çıktı.

Rubin’in verileri tartışılmazdı ve iki olasılık öne çıkıyordu: ya yerçekimi fizikçilerin sandığı gibi çalışmıyordu ya da her galakside görülemeyen kocaman bir kütle vardı. Sonraki on yıllarda ilk olasılık neredeyse çürütüldü; astronomlar, galaksi kümelerinin yerçekimi “haritalarını” o galaksilerden geçen ışığın çok küçük sapmalarına dayanarak oluşturdu ve bu kütlelerin büyük kısmının teleskoplarla görülen maddelerin üzerine binmiş devasa bir görünmez bulut olduğunu tespit etti.

Bu karardık madde haritaları, Rubin’in gözlemini doğruluyor: bu galaksilerin yerçekimi, görünür yıldız ve tozlarının göstereceğinden yaklaşık beş kez daha güçlü. İki gal kümelinin çarpıştığı Bullet Kümesi gibi olaylarda ise yerçekimi değil, madde açısından yanlış olduğumuz güçlü biçimde teyit edildi.

“Doğa bize her zaman istediğimiz sonuçları vaat etmez. Üzücü ama doğa, algılayamayacağımız bir karardık madde parçacığı seçmiş olabilir.”

Fizikçi ve matematikçi Edward Witten

“Mucize” olarak adlandırılan teori nasıl çöktü?

Karardık madde arayışının merkezinde, süpersimetri teorisinin öngördüğü ve proton kütlesinden yaklaşık 50 kez daha ağır olduğu düşünülen WIMP (Zayıf Etkileşen Ağır Parçacıklar) vardı. Bu parçacıklar düzenli maddenin içinden bir hayalet gibi süzülür, ancak çok nadiren bir atomla çarpışırdı. 1985’te Edward Witten ve Mark Goodman, yer altında koz ışınlarının ulaşamadığı büyük bir tanka atom doldurup karardık madde parçacıklarının bunu aydınlatmasını beklemek gibi sade bir fikir öne sürdü.

Bu yaklaşım, 20. yüzyılda fizikçilerin Standart Model’in parçacıklarını tek tek ortaya çıkarmakta başarılı olduğu mantıklı bir sonraki adım gibi görünüyordu. Teorik astrofizikçi Katherine Freese, dönemin özgüvenini şöyle hatırlatıyor:

“Konferanslara gidiyor, ‘Bu işi 10 yıl içinde bulacağız’ diyordum ve herkes bunu gerçek sanıyordu. Gerçekten inandık: ‘Tanrım, bunu yapabiliriz.’ O zamanlar tam köşedeymiş gibi geliyordu.”

Fizikçi Katherine Freese

Yazar, bu yarışın doruk noktasına yakın bir zamanda, yani Freese’nin başlattığından neredeyse iki on yıl sonra arayışa katıldı. Her yıl yeni deneyler başlıyor ve WIMP’in kütlesinin ve çarpışma kesitinın (bir hayaletin ne kadar hayalet olduğu) kapsayabileceği tüm aralığı kapatmaya çalışıyordu.

Sıfır bulgu: Deneylerden umut ışığı söndü

Likseksen ile çalışan deneyler net bir önde geliyordu; bu teknolojiyi Columbia Üniversitesi fizikçisi Elena Aprile başlattı. Freese, WIMP’in kocaman parametre alanının bu kadar hızlı taranmasında sorumluluk taşıyan kişinin kendisi olduğunu söylüyor. Yazar da 2015’te karardık maddeyi fiziğin en büyük utancı olarak görüp danışmanı Aprile’yi seçti.

Bu kararlılığa ilk darbe 2018’de indi. Tarihindeki en hassas deney olan XENON1T’den elde edilen eşsiz veri yığını, WIMP’in sahip olabileceği kütle ve çarpışma kesitinin geniş bir bölümünü araştırmaya hazırdı. Olası yanlıktan kaçınmak için saha veri kullanıldı ve gerçek veriyi otomatik analiz eden karmaşık bir sistem kuruldu. Tüm işbirliği bir konferans görüşmesine bağlanıp butona basıp sonuçları birlikte izlerken, yılların emeği saniyeler içinde çöktü; arama sıfır bulgu verdi.

Yazar, bu deneyin halefi XENONnT’yi kurmaya İtalya’ya gittiğinde meslektaşlarını yoklamaya başladı ve Freese’in bahsettiği özgüvenin ne kadar az kaldığını anladı. Bu çalışma da, çok sayıda rakip deney gibi sıfır bulgu verdi.

Nötrinolar: Aşılması zor bir duvar

Fizikçiler şimdi teorisyenlerin WIMP’lerin ne kadar zayıf etkileşebileceğine dair güncellenmiş tahminlerine dayanan yeni deney turları planlıyor. Ancak masa çekmecinden çıkardıkları orijinal mucize öldü; bu değiştirilmiş WIMP’ler, Standart Model’e ek bilinmeyen parçacıklar aracılığıyla daha da gevşek bağlanıyor.

Ancak bu güncellenmiş tahmin doğru olsa bile, aradığımız şeyi asla bulamayabiliriz. Cisimlerimiz ve yer altı deneylerimiz güneş ve atmosferde üretilen milyarlarca nörinoyla sürekli vuruluyor. Nörinolar orijinal WIMP’ten çok daha nadir etkileşse de, 2010’larda hayatta kalan her WIMP türünden benzer ya da daha sık etkileşiyor ve bu etkileşimler karardık maddekinden ayırt edilemiyor.

“Bir aracı bulmamız gerekiyor. İlerleme hep Galileo teleskopu icat ettiği için oldu. Bir gün akıllı bir çocuk bunu çözecek. Biliyorum, yapmak zorunda.”

Fizikç Elena Aprile

Bu yüzden topluluk diğer hayali parçacıklara yöneldi: 1977’den beri teoriyenlerin hazır bulundurduğu aksiyonlara ya da likseksen atomunu aydınlatmayacak kadar küçük kütveli WIMP’lere. Ayrıca Stephen Hawking’in 1971’de öngördüğü, büyük patlamaya tarihlenen ilkel kara deliklerden oluşabileceği olasılığına da yeni ilgi gösteriliyor; bu kara deliklerin her biri galaksinin etrafında dönüyor ve kütlesi Ay’ınkinden biraz daha az bir maddenin mikroskobik bir topa paklanmış olması gerekiyor.

Bilim gerçekten sınırsız mı?

Ancak karardık madde bunlardan hiçbiri değilse? Yerçekimi dışında dünyamızla bağlantısı olmayan bir maddeseyse, o zaman bu maddenin tek bir parçacığını hissedebilecek hayal edilebilir hiçbir teknoloji olmaz. Karardık madde, kendi dünyamıza binmiş ancak yalnızca kolektif çekimle bağlı, sakinleri bizim için tamamen bilinemez bir gölge alemi gibi olurdu.

Bu belirsizlik, bilimin doğası hakkındaki eski özgüveni sorgulamaya yönlendiriyor. Stockholm Üniversitesi filozofu Simon Allzén, 20. yüzyıl fiziğinin inanılmaz başarılı olduğunu vurguluyor ve Standart Model’e model alınan bilim metodunun bu altın çağda elde edilen başarıya dayandırılmasının kötü bir fikir olabileceğini savunuyor.

“Parçacık fiziğinde 20. yüzyıl inanılmaz başarılıydı. Bilim metodumuza Standart Model ile ulaştıklarımızı modellemek kötü bir fikir. Bunu laboratuvarlarda yakalamadan önce tespit etmiş olmamız yerçekimsiz algının tuhafca küçümseyici olması.”

Filozof Siska De Baerdemaeker

New York Üniversitesi bilim filozofu Tim Maudlin, yazarın çok ileri çekildiğini ve biraz rahatlaması gerektiğini söylüyor. Teorinin asla tamamen tamamlanamayacağını ancak bunun elektron gibi varlıkların gerçeklikle sıfır bağı olduğu anlamına gelmediğini vurguluyor; aynı zamanda eski geçilmez özgüveni bir tür “teolojik tez” olarak nitelendiriyor ve temel ya da pratik sınırların bir soruyu asla cevaplamamızı engelleyebileceğini hatırlatıyor.

Ruh halinden anlam arayışına

Bilim yapmak için belki de tamamen rasyonel olmayan bir inanç türü gerekli olabilir. Aslında görüştüğü çoğu fizikçi, karardık maddeyi bir gün anlayacağımıza inanıyor. Freese, sorunun çözülmemesinin sonraki jenerasyonun onu çözecek kadar zeka sahibi olmadığı anlamına gelmediğini savunuyor.

Bilim insanları aslında futbolun nereye düşeceğini tahmin etme arzusuyla hareket etmiyor; cevapların ve anlamın peşinde hayalörerler. Aprile, bu yolun bir seçim olmadığını söylüyor: Gençliğinden beri dışarı çıkmak, daha fazlasını yapmak istediğini belirtiyor.

Birisi bana bilimin en güzel yanının kendi sınırlarına işaret etmesi olduğunu söylemişti. Belki de karardık madde’nin güzelliği burada. Belki Aprile ve diğer huzursuz hayalörerler, geride kalanların görmezden gelemeyeceği nihai sınırı kazmışlardır.