• ABD’de yapılan yeni bir deneyde karanlık maddenin varlığına ilişkin ilk doğrudan kanıt elde edilmiş olabilir. Bilim insanları, ortaya çıkan bulgunun dünyanın farklı merkezlerinde yapılan deneylerde de görülüp görülmeyeceğini araştırıyor.

DOĞAN BARIŞ ABBASOĞLU

Galaksilerin dönüş hızlarından büyük ölçekli kozmik yapıların oluşumuna kadar pek çok gözlem, göremediğimiz büyük miktarda maddenin varlığına işaret ediyor. Buna rağmen fizikçiler onlarca yıldır bu maddenin hangi parçacıklardan oluştuğunu doğrudan belirleyemedi. Karanlık madde ışık yaymıyor, ışığı soğurmuyor ve sıradan madde gibi elektromanyetik kuvvetle etkileşmiyor. Varlığını daha çok yıldızlar, galaksiler ve galaksi kümeleri üzerindeki kütleçekimsel etkilerinden anlıyoruz.

Bu bilinmezliği açıklamak için çok sayıda teori geliştirildi. Yeni parçacıklar, henüz bilmediğimiz kuvvetler ve hatta kütleçekim yasalarının çok büyük ölçeklerde farklı davranabileceğini öne süren modeller bunlar arasında. Uzun yıllar boyunca en güçlü adaylardan biri ise WIMP adı verilen parçacıklardı. İngilizce “Weakly Interacting Massive Particle” ifadesinin kısaltması olan WIMP, Türkçede kabaca “zayıf etkileşimli büyük kütleli parçacık” anlamına geliyor. Bu parçacıkların sıradan maddeyle çok seyrek etkileştiği, bu nedenle de fark edilmelerinin son derece zor olduğu düşünülüyor.

Sorun, WIMP’lerin bir türlü bulunamamasıydı. Dedektörler büyüdü, hassasiyetleri arttı ve gerçek sinyali taklit edebilecek istenmeyen etkiler giderek daha iyi ayıklandı. Buna rağmen beklenen açık sinyal ortaya çıkmadı. Bu durum son yıllarda bazı fizikçilerin WIMP modellerinden uzaklaşmasına ve aksiyon adı verilen çok daha hafif varsayımsal parçacıklar gibi başka karanlık madde adaylarına yönelmesine neden olmuştu.

Şimdi ise Güney Dakota’daki LUX-ZEPLIN, kısaca LZ deneyinden gelen yeni analiz WIMP ihtimalini yeniden gündeme taşıdı.

Yer altında karanlık madde avı

LZ, karanlık maddeyi yakalayabilmek için yaklaşık 7 ton sıvı ksenon kullanıyor. Ksenon, normal koşullarda gaz halinde bulunan, renksiz ve kimyasal olarak oldukça kararlı bir element. Çok ağır atomlara sahip olması ve son derece küçük enerji değişimlerini ölçmeye elverişli olması nedeniyle karanlık madde deneylerinde tercih ediliyor.

Dedektör, kozmik ışınlardan ve karanlık madde sinyalini taklit edebilecek başka parçacıklardan mümkün olduğunca korunması için Güney Dakota’da yerin bir kilometreden fazla altına yerleştirildi. Çevresindeki çok katmanlı koruma sistemi de dışarıdan gelebilecek istenmeyen parçacıkların etkisini azaltmaya yardımcı oluyor.

Deneyin temel fikri aslında oldukça basit. Karanlık madde parçacıklarının Dünya’nın ve dolayısıyla dedektörün içinden sürekli geçtiği varsayılıyor. Bunlardan biri çok nadir de olsa bir ksenon atomunun çekirdeğiyle çarpışırsa, çekirdeğe son derece küçük miktarda enerji aktarabilir.

Bu etkileşim sıvı ksenonda çok zayıf bir ışık parlaması ve “iyonlaşma” adı verilen bir süreç oluşturur. İyonlaşma, bir atomdan elektron kopması anlamına gelir. LZ’nin son derece hassas algılayıcıları hem ortaya çıkan ışığı hem de serbest kalan elektronları ölçerek böyle bir çarpışmanın izini arıyor.

Güçlük ise kaydedilen olayın gerçekten karanlık maddeden kaynaklanıp kaynaklanmadığını anlamakta. Radyoaktif bozunmalar, nötronlar, kozmik parçacıklar ve başka doğal süreçler de benzer sinyaller yaratabiliyor. Fizikçilerin “arka plan” dediği bu istenmeyen olayların içinden olası karanlık madde sinyalini ayırmak deneyin en zor kısmını oluşturuyor.

WIMP aramalarında şimdiye kadar özellikle yaklaşık 30 kiloelektronvoltun, yani 30 keV’nin altındaki olaylara odaklanılıyordu. Elektronvolt, atom ve parçacık fiziğinde kullanılan çok küçük bir enerji birimi. “Kiloelektronvolt” ise bunun bin katını ifade ediyor. Buradaki keV değeri parçacığın hızını ya da sıcaklığını değil, çarpışma sırasında dedektöre aktarılan enerji miktarını gösteriyor.

Bu düşük enerji bölgesine yoğunlaşılmasının nedeni, en basit WIMP modellerinde karanlık madde parçacığının ksenon çekirdeğindeki tek bir proton ya da nötronla çarpışmasının bu büyüklükte enerji üretmesinin beklenmesi. Proton ve nötronlara birlikte “nükleon” adı veriliyor.

LZ ekibi bu alışılmış enerji aralığında WIMP’e işaret eden bir sinyal bulamayınca farklı bir olasılığı araştırmaya başladı: Karanlık madde, atom çekirdeğiyle düşündüğümüzden daha karmaşık bir biçimde etkileşiyor olabilir miydi?

Tek bir olay kapıyı araladı

Araştırmacılar bu nedenle dedektörün ilk 220 günlük verilerini yeniden inceleyerek daha yüksek enerjili olaylara baktı. Dikkat çeken sinyal de bu analiz sırasında ortaya çıktı. Yaklaşık 248 keV enerjiye sahip tek bir olay, bilinen arka plan süreçleriyle kolayca açıklanamayan bir WIMP adayı olarak öne çıktı.

248 keV, geleneksel WIMP aramalarında beklenen yaklaşık 30 keV’nin çok üzerinde. Eğer bu olay gerçekten karanlık maddeden kaynaklandıysa, WIMP’in ksenon çekirdeğindeki tek bir proton veya nötronla basit bir çarpışma yapmış olması yeterli görünmüyor.

Araştırmacılar bunun yerine parçacığın ksenon çekirdeğinin bütünüyle daha karmaşık bir şekilde etkileşmiş olabileceğini değerlendiriyor. Böyle bir mekanizma doğruysa, karanlık madde parçacığının kütlesi konusunda da ipucu elde edilebilir. Yapılan hesaplamalar, söz konusu parçacığın protondan 200 kattan daha ağır olabileceğini gösteriyor.

Bulgunun ilgi çekmesinin nedeni de burada yatıyor. Dedektörde açıklanamayan tek bir olay görülmesinin ötesinde, bu olay gerçekten karanlık maddeden kaynaklanıyorsa karanlık maddenin sıradan maddeyle nasıl etkileştiğine ilişkin ilk deneysel ipuçlarından biri elde edilmiş olabilir.

Karanlık madde bulunmadı ancak henüz!

Parçacık fiziğinde sıra dışı bir sinyal görmek ile yeni bir parçacığın keşfedildiğini ilan etmek arasında önemli bir fark var. Bilim insanları bu farkı değerlendirmek için “sigma” adı verilen istatistiksel bir ölçü kullanıyor.

Sigma, bir sonucun rastlantıyla ortaya çıkmış olma ihtimalinin ne kadar düşük olduğunu anlatmanın yollarından biri. Sigma değeri yükseldikçe, gözlenen etkinin sıradan bir istatistiksel dalgalanmayla açıklanması zorlaşıyor.

Yeni LZ sonucunun anlamlılığı 2,6 sigma düzeyinde. Kabaca ifade edildiğinde bu, gözlenen sinyalin yalnızca rastlantısal bir dalgalanma sonucu ortaya çıkma ihtimalinin yaklaşık 200’de 1 olduğu anlamına geliyor.

200’de 1 günlük yaşamda düşük bir ihtimal gibi görünebilir. Ancak parçacık fiziğinde bu oran yeni bir keşif ilan etmek için yeterli değil. Dünyanın farklı laboratuvarlarında çok sayıda deney yapılıyor ve her deneyde binlerce farklı ölçüm inceleniyor. Yeterince çok ölçüm yapıldığında, zaman zaman tesadüfen sıra dışı görünen sonuçlarla karşılaşılması mümkün.

Bu yüzden parçacık fiziğinde yeni bir keşif için geleneksel olarak 5 sigma düzeyi aranıyor. 5 sigma, uygun istatistiksel varsayımlar altında, görülen sonucun sıradan bir rastlantıyla ortaya çıkma ihtimalinin yaklaşık 3,5 milyonda 1’e kadar düşmesi anlamına geliyor.

Dolayısıyla LZ’deki 2,6 sigma sonucu önemli ve dikkat çekici bir ipucu olarak görülüyor, ancak bugün için “karanlık madde bulundu” demek mümkün değil.

Yanıt zaten toplanmış verilerin içinde olabilir

LZ sonucunu özellikle ilginç kılan noktalardan biri, araştırmacıların yeni bir deneyin yıllarca veri toplamasını beklemek zorunda olmayabilecek olması. Söz konusu analiz, LZ’nin şimdiye kadar topladığı verilerin yalnızca yaklaşık üçte birini kapsıyor.

Başka bir ifadeyle, aday sinyal gerçekse aynı enerji bölgesinde başka olaylar çoktan kaydedilmiş olabilir. Bunların henüz incelenmemiş verilerin içinde bulunması mümkün.

Üstelik LZ dünyadaki tek karanlık madde dedektörü değil. Benzer yöntemlerle çalışan diğer büyük deneylerin arşivlerinde de yaklaşık aynı enerji aralığındaki olaylar yeniden araştırılabilir. Bağımsız bir deneyin benzer özelliklere sahip bir sinyal görmesi, karanlık madde yorumunu çok daha güçlü hale getirir.

Önümüzdeki dönemde fizikçilerin özellikle 248 keV civarındaki olaylara ve bunların atom çekirdeğiyle ne tür etkileşimlerden kaynaklanabileceğine yoğunlaşması bekleniyor. Benzer özelliklere sahip başka olayların bulunması, bugün 2,6 sigma düzeyinde kalan bu ipucunun istatistiksel güvenilirliğini önemli ölçüde artırabilir.

Fiziğin en büyük eksik parçacıklarından biri

Karanlık maddenin doğrudan tespit edilmesi, sadece uzun zamandır aranan yeni bir parçacığın bulunması anlamına gelmez. Böyle bir keşif, bugün temel parçacıkları açıklamak için kullandığımız teorinin ötesinde yeni bir fizik bulunduğunun en güçlü kanıtlarından biri olur.

Bu teori “Parçacık Fiziğinin Standart Modeli” olarak biliniyor. Standart Model, elektronlardan kuarklara kadar bildiğimiz temel parçacıkları ve bunların elektromanyetik, güçlü ve zayıf nükleer kuvvetlerle nasıl etkileştiğini son derece başarılı biçimde açıklıyor. Ancak modelin içinde karanlık maddeyi açıklayabilecek uygun bir parçacık bulunmuyor. Kütleçekim de Standart Model’in kapsamı dışında kalıyor.

Karanlık maddenin gerçekten WIMP türü yeni bir parçacıktan oluştuğunun gösterilmesi, bu nedenle mevcut fizik anlayışımızın genişletilmesini gerektirir.

Bunun kozmoloji açısından sonuçları da büyük olabilir. Karanlık maddenin, evrenin erken dönemlerinden itibaren galaksilerin ve galaksi kümelerinin oluşmasında önemli rol oynadığı düşünülüyor. Kütlesini ve sıradan maddeyle nasıl etkileştiğini ölçebilmek, bugün doğrudan gözlemleyemediğimiz erken evren koşulları hakkında da yeni bilgiler sağlayabilir.

Şimdilik LZ’nin elinde yalnızca bir aday olay var. Tek bir sinyal, onlarca yıldır çözülemeyen karanlık madde bilmecesini çözmeye yetmiyor. Ancak karanlık madde deneyleri uzun süredir fizikçilere daha çok hangi modellerin yanlış olabileceğini gösteriyordu. Yeni sonuç doğrulanırsa, ilk kez hangi yönde aramaya devam edilmesi gerektiğine ilişkin olumlu bir ipucu elde edilmiş olabilir.

Şimdi gözler LZ’nin henüz incelenmemiş verilerinde ve dünyanın diğer karanlık madde dedektörlerinde. Aynı türden sinyaller yeniden görülürse bugün yalnızca ilginç bir aday olarak duran olay çok daha önemli hale gelecek. O zaman fizikçiler, evrenin büyük bölümünü oluşturduğu düşünülen ancak bugüne kadar görünmez kalan maddenin doğasına ilk kez doğrudan yaklaşmış olabilir.