Fizikçiler, Karanlık Madde İçin En İyi Kanıtı Bulmuş Olabilir

Yeraltında yapılan bir deneyde, küçük bir ışık parlaması ironik bir şekilde karanlık maddenin ilk tespiti olabilir.

Bu gizemli madde, normal maddeye göre 5’e 1 oranında fazla olmalıdır, ancak onlarca yıllık aramalara rağmen, hala giderek daha karmaşık hale gelen bir bulmacadır.

Şimdi, fizikçiler, beklendiği gibi karanlık maddenin özelliklerini taşıyan ve bilinen fiziğin açıklamasıyla zorlanan garip bir sinyal bildirdi.

Sonuçlar – henüz hakem denetiminden geçirilmemiş olmasına rağmen – bu hafta Japonya’daki bir astrofizik konferansında sunuldu.

Ekip, dikkatli olmakla birlikte: Olay, bilim adamlarının diğer açıklamaları etkili bir şekilde ortadan kaldırabilecek istatistiksel eşiği aşmadı.

“Verilerdeki bu olayı görmek bizi çok heyecanlandırdı; karanlık maddenin ortaya çıkması beklenen bölgede ve rekabet eden arka planlar çok düşük,” diyor Brown Üniversitesi’nden fizikçi Rick Gaitskell ve LZ temsilcisi.

“Sadece bir olayla, kendimizi fazla ileriye taşımak istemiyoruz. Karanlık maddeyi gördüğümüzü iddia etmiyoruz. Ancak, bilim camiasının görüşleri için paylaşmak istediğimiz ilginç bir şey gördük.”

1930’lardan beri, astrofizikçiler, evrendeki gözlemlerimizin modellerimizle tam olarak uyuşmadığını fark ettiler. Gözlemlenen kütle, beklenenlerden daha fazla ve bu fazlalık, genellikle yerçekimi etkileşimleri yoluyla normal maddeyle etkileşime giren “karanlık madde” olarak adlandırıldı.

Işık yaymadığı veya yansıtmadığı için, tam olarak ne olduğu bilinmiyor. Bu nedenle, farklı potansiyel adayları bulmak için çeşitli deneyler yapılıyor.

LZ, bu deneylerden biri ve özellikle, zayıf etkileşimli kütleli parçacıklar (WIMP’ler) olarak bilinen bir karanlık madde adayı tespit etmek üzere tasarlandı.

Adından da anlaşılacağı gibi, bu tür karanlık madde, normal maddeyle çok zayıf etkileşime giren büyük kütleli parçacıklardan oluşur.

Normalde WIMP’ler, iz bırakmadan normal maddenin içinden geçer, ancak nadir durumlarda, bir atomla çarpışır ve zayıf bir ışık parlaması oluşturur.

LZ, bu etkileşimleri tespit etmek için tasarlandı. Büyük bir sıvı xenon tankından oluşuyor ve üstünde ince bir gazlı xenon tabakası bulunuyor. Bir WIMP geçtiğinde, bir atomu çarpar ve bir ışık parlaması oluşturur. Bu parlamalar, tankın altındaki fotodetektörler tarafından algılanır.

Elektronlar yukarı doğru hareket eder ve gazlı xenon bölgesine ulaştığında ikinci bir parlama oluşturur. Bu iki parlamanın zamanlaması ve şiddeti, parçacığın özelliklerini belirlemeye yardımcı olur.

Ancak, benzer sinyaller üretebilen başka parçacıklar da vardır ve bunlar, karanlık maddeden çok daha sık görülür. Bu nedenle, LZ’nin arka plan gürültüsünü en aza indirmek için tasarlanmıştır.

İlk savunma hattı, deneyin gömülü olduğu 1,5 kilometrelik kaya katmanıdır. Ardından, xenon tankını çevreleyen bir su tankı ve radyasyon tespit edebilen bir cihaz bulunmaktadır.

Bu önlemler sayesinde, kozmik ışınlardan veya arka plan radyasyonundan kaynaklanan istenmeyen parçacıkların sayısı en aza indirilir.

Şimdi, son yıllarda toplanan verileri inceleyen fizikçiler, ilginç bir sinyal keşfettiler. 16 Haziran 2023’te, LZ iki parlamayı tespit etti ve bu parlamaların enerjisi, xenon tankındaki bir atom çekirdeğiyle çarpışan bir WIMP’den kaynaklanıyordu.

Araştırmacılar, verileri analiz ederek, sinyalin bilinen arka plan süreçleri tarafından açıklanıp açıklanamayacağını görmek için aylar harcadı.

Olayın enerjisi, nötronlar veya nötrinolar tarafından üretilemezdi ve bunlar da daha düşük enerjili saçılmalara neden olurdu. Eğer bir gama ışını tarafından üretilmiş olsaydı, tankın içinden uzun bir yol kat etmeli, ikinci kez dağılmalı ve başka bir parlamaya neden olmalıydı. Tüm bu senaryolar pek olası görünmüyordu.

İki parlamanın da tesadüfen aynı anda meydana gelmiş olması mümkündü. Ancak, veri analizi de bunun olasılığının düşük olduğunu gösterdi.

En iyi açıklama, sinyalin bir WIMP tarafından üretildiği ve kütlesinin 200 gigaelectronvolt’un üzerinde olduğu yönündedir.

“Verilerdeki aykırı olaylar beklenmedik değildir, ancak genellikle daha derinlemesine incelendiğinde bir arka plan olarak ortaya çıkar,” diyor Berkeley Lab’den fizikçi Aaron Manalaysay.

“Bu, çalıştığım herhangi bir deneyde gördüğüm ilk örnektir; her açıdan geçerli görünen bir aykırı olay.

“Elbette, hala kaçırmış olabileceğimiz nadir bir arka plan mekanizması olup olmadığını düşünmeye çalışıyoruz, ancak bunun karanlık madde gözleminin ilk ipucu olabilir diye merak etmek heyecan verici.”

Ancak, kimse henüz şampanyayı açmadan önce, bu tespitin henüz parçacık fiziğinde yeni bir keşif yapmak için gereken 5-sigma istatistiksel eşiğine ulaşmadığını hatırlamak önemlidir. Bu, arka plan etkilerinin sonucu olarak yanlışlıkla ortaya çıkma olasılığının yaklaşık 1 milyonlar da bir olduğu anlamına gelir.

Mevcut LZ sonucu şu anda 2,6 sigma düzeyinde ve bu da hatanın olasılığını 200’de 1 olarak gösteriyor. Karanlık maddeyi bulduğumuzdan emin olmak için çok daha fazla veriye ve daha fazla deteksiyona ihtiyacımız var.

Hala, en karmaşık kozmolojik sorunlardan birine çözüm bulmaya doğru ilerlediğimizin en heyecan verici ipuçlarından biri olabilir.

Olayı tanımlayan makale henüz hakem denetiminden geçirilmedi, ancak Physical Review Letters dergisine gönderildi. Ön baskısı arXiv’de bulunabilir.