Bilim adamları, Karanlık Maddenin Gizemini Çözmek İçin Zor Bir Parçacığı Avlıyorlar

Avustralyalı bilim adamları, evrenin en büyük gizemlerinden birini çözme yolunda adımlar atıyorlar: görünmez karanlık maddenin doğası.

Avustralya’nın ilk büyük karanlık madde dedektörü olan ORGAN Deneyi, yakın zamanda, karanlık maddeyi açıklamaya çalışan teoriler arasında popüler bir aday olan, axion adı verilen varsayımsal bir parçacık araştırmasını tamamladı.

ORGAN, eksenlerin olası özelliklerine yeni sınırlar koymuş ve böylece onları aramayı daraltmaya yardımcı olmuştur. Ama kendimizi aşmadan önce…

Bir Hikayeyle Başlayalım

Yaklaşık 14 milyar yıl önce, tüm küçük madde parçaları – daha sonra siz, gezegen ve galaksi olacak temel parçacıklar – çok yoğun, sıcak bir bölgeye sıkıştırıldı.

Sonra Büyük Patlama oldu ve her şey uçup gitti. Parçacıklar atomlarda birleşti ve sonunda bir araya toplanarak yıldızları oluşturdu, bu da patladı ve her türlü egzotik maddeyi yarattı.

Birkaç milyar yıl sonra, sonunda insan denen küçük şeylerle dolup taşan Dünya geldi. Güzel hikaye, değil mi? Bütün hikayenin bu olmadığı ortaya çıktı; yarısı bile değil.

İnsanlar, gezegenler, yıldızlar ve galaksilerin tümü düzenli maddeden yapılmıştır. Ancak normal maddenin evrendeki tüm maddenin sadece altıda birini oluşturduğunu biliyoruz.

Gerisi karanlık madde dediğimiz şeyden oluşur. Adı, hakkında bildiğimiz hemen hemen her şeyi anlatıyor. Işık yaymaz (böylece ona karanlık deriz) ve kütlesi vardır (bu yüzden ona madde deriz).

Görünmüyorsa Orada Olduğunu Nasıl Anlarız?

Nesnelerin uzayda nasıl hareket ettiğini gözlemlediğimizde, yalnızca görebildiğimizi düşünürsek, gözlemlerimizi açıklayamayacağımızı tekrar tekrar buluruz.

Dönen galaksiler harika bir örnektir. Çoğu gökada, yalnızca görünür maddenin yerçekimi kuvvetiyle açıklanamayan hızlarda döner.

Dolayısıyla bu galaksilerde, ekstra yerçekimi sağlayan ve parçaları uzaya fırlatılmadan daha hızlı dönmelerine izin veren karanlık madde olmalı. Karanlık maddenin tam anlamıyla galaksileri bir arada tuttuğunu düşünüyoruz.

Siyah bir kozmik arka plana karşı pembe ve mor tonlarında görüntülenen galaksiler kümesi.
‘Mermi Kümesi’, karanlık maddenin varlığına dair güçlü kanıtlar olarak yorumlanan devasa bir gökada kümesidir. Resim Kredisi: NASA

Yani evrende görebildiğimiz her şeyi çeken muazzam miktarda karanlık madde olmalı. Bir tür kozmik hayalet gibi sizin de içinden geçiyor. Sadece hissedemiyorsun.

Nasıl Tespit Edebiliriz?

Pek çok bilim insanı, karanlık maddenin, eksen adı verilen varsayımsal parçacıklardan oluşabileceğine inanıyor. Axionlar başlangıçta parçacık fiziğinde güçlü CP problemi olarak adlandırılan (hakkında bir makale yazabileceğimiz) başka bir büyük problemin çözümünün bir parçası olarak önerildi.

Her neyse, aksiyon önerildikten sonra bilim adamları, parçacığın belirli koşullar altında karanlık madde de oluşturabileceğini fark ettiler. Bunun nedeni, eksenlerin normal madde ile çok zayıf etkileşimlere sahip olmaları, ancak yine de bir miktar kütleye sahip olmaları beklenmesidir: karanlık madde için gerekli iki koşul.

Peki eksenleri aramak için nasıl gidiyorsunuz?

Karanlık maddenin etrafımızda olduğu düşünüldüğünden, burada, Dünya’da dedektörler yapabiliriz. Ve neyse ki, eksenleri öngören teori, doğru koşullar altında eksenlerin fotonlara (ışık parçacıklarına) dönüşebileceğini de öngörüyor.

Bu iyi bir haber çünkü fotonları tespit etmekte harikayız. ORGAN’ın yaptığı da tam olarak budur. Axion-foton dönüşümü için doğru koşulları tasarlar ve zayıf foton sinyallerini, yani dedektörden geçen karanlık madde tarafından üretilen küçük ışık parlamalarını arar.

Bu tür deneye axion haloskopu denir ve ilk olarak M.Ö. 1980’ler. Bugün dünyada birkaç tane var, her biri önemli şekillerde biraz farklı.

ORGAN Deneyinin ana dedektörü. ‘Rezonans boşluğu’ adı verilen küçük bir bakır silindir, karanlık madde dönüşümü sırasında üretilen fotonları yakalar. Silindir, deneyi çok düşük sıcaklıklara soğutan bir “seyreltme buzdolabına” cıvatalanmıştır. Resim Kredisi: Yazar sağlandı

Karanlık Maddeye Işık Tutmak

Bir aksiyonun, güçlü bir manyetik alan varlığında bir fotona dönüştüğüne inanılır. Tipik bir haloskopta, bu manyetik alanı süper iletken solenoid adı verilen büyük bir elektromıknatıs kullanarak üretiriz.

Manyetik alanın içine, fotonları hapsedecek ve içeride sıçramalarına neden olacak, böylece tespit edilmelerini kolaylaştıracak bir veya birkaç içi boş metal oda yerleştiririz.

Ancak, bir hıçkırık var. Sıcaklığı olan her şey sürekli olarak küçük rastgele ışık flaşları yayar (bu nedenle termal görüntüleme kameraları çalışır). Bu rastgele emisyonlar veya gürültü, aradığımız zayıf karanlık madde sinyallerini tespit etmeyi zorlaştırıyor.

Bu sorunu çözmek için rezonatörümüzü seyreltme buzdolabına yerleştirdik. Bu süslü buzdolabı, deneyi kriyojenik sıcaklıklara, yaklaşık -273°C’ye soğutur ve bu da gürültüyü büyük ölçüde azaltır.

Deney ne kadar soğuk olursa, karanlık madde dönüşümü sırasında üretilen soluk fotonları o kadar iyi “dinleyebiliriz”.

Kitle Bölgelerini Hedefleme

Belirli bir kütleye sahip bir eksen, belirli bir frekans veya renkte bir fotona dönüşecektir. Ancak eksenlerin kütlesi bilinmediğinden, deneyler, karanlık maddenin var olma olasılığının daha yüksek olduğu düşünülen bölgelere odaklanarak, araştırmalarını farklı bölgelere hedeflemelidir.

Karanlık madde sinyali bulunamazsa, deney ya gürültünün üzerindeki sinyali duyacak kadar hassas değildir ya da karşılık gelen akson kütle bölgesinde karanlık madde yoktur.

Bu olduğunda, bir “dışlama sınırı” belirleriz – bu, “bu kütle aralığında, bu hassasiyet düzeyinde herhangi bir karanlık madde bulamadık” demenin bir yolu. Bu, karanlık madde araştırma topluluğunun geri kalanına aramalarını başka bir yere yönlendirmelerini söyler.

ORGAN, hedeflenen frekans aralığındaki en hassas deneydir. Son çalışması hiçbir karanlık madde sinyali tespit etmedi. Bu sonuç, olası özellikler için önemli bir dışlama sınırı belirlemiştir. eksenlerin.

Bu, eksenleri aramaya yönelik çok yıllı bir planın ilk aşamasıdır. Şu anda, daha hassas olacak ve henüz keşfedilmemiş yeni bir kütle aralığını hedefleyecek bir sonraki deneyi hazırlıyoruz.

Peki Karanlık Madde Neden Önemlidir?

Birincisi, temel fiziğe yatırım yaptığımızda, önemli teknolojiler geliştirdiğimizi tarihten biliyoruz. Örneğin, tüm modern bilgi işlem, kuantum mekaniği anlayışımıza dayanır.

O zamanlar kavrayışımızın ötesinde garip fiziksel fenomenler gibi görünen şeylerin peşine düşmeseydik, elektriği veya radyo dalgalarını asla keşfedemezdik. Karanlık madde aynıdır.

İnsanların evrendeki maddenin sadece altıda birini anlayarak başardıkları her şeyi düşünün ve geri kalanını çözersek neler yapabileceğimizi hayal edin.Konuşma

Bu makale şuradan yeniden yayınlandı: Konuşma Creative Commons lisansı altında. Okumak orijinal makale.

Resim Kredisi: Illustris İşbirliği

Leave a Reply

Your email address will not be published.