Bilim İnsanları Karanlık Madde Arayışlarını Hassaslaştırdı

İsveç’teki Lund Üniversitesi’nden araştırmacılar, evrendeki karanlık maddenin araştırılması konusunda diğer alternatifler düşünüldüğünde onlara oranla daha etkili sonuçlar verebilecek yeni bir teknik geliştirdiler. Bu yeni teknikle birlikte artık CERN’de üretilen verilerin çok daha büyük miktarlarını analiz edebiliyorlar.

Keşfedilmemiş yeni parçacıklara ait verileri siliyor olabiliriz

CERN’deki araştırma tesisindeki LHC (The Large Hadron Collider) hızlandırıcısında, neredeyse ışık hızında çarpışan protonlar üzerine uzun bir deney serisi halen ve durmadan devam etmektedir. Hızlandırıcı kapasitesi arttıkça, veri miktarı sürekli artmaktadır. Bununla birlikte, üretilen büyük miktardaki bu veriyi işlemek ve depolamak da git gide zorlaşmaktadır. Bu nedenle araştırmacılar, hangi verileri daha yakından incelemeleri gerektiğine dair sürekli bir değerlendirme içinde bulunmaktadırlar.

Lund Üniversitesi’nde bir parçacık fizikçi olan ve CERN’deki ATLAS deneylerinden gelen veriler üzerinde çalışan Caterina Doglioni; “Eğer dikkatli olmazsak, karanlık madde oluşturan parçacıklar gibi bugüne dek keşfedilmemiş, tamamen yeni parçacıklara ait verileri silebiliriz”. diyor.

Caterina Doglioni, CERN’de üretilen bu muazzam miktardaki verinin nasıl daha iyi kullanılacağına odaklanan söz konusu çalışmanın arkasındaki araştırmacılardan biri. 

Görünür ve Karanlık Madde arasındaki bağın izlerine bakmaya çalışıyoruz

Teknik aslında basit bir yaklaşımla başlıyor…

Tüm bilgileri deney süresince kaydetmek ve daha sonraki bir tarihte analiz etmek yerine, verilerin analizinin büyük bir kısmını kısa sürede yaparsak, böylece olayın çok daha küçük bir kısmını kaydedip saklamak zorunda kalırız. Diğer LHC deneyleri tarafından da kullanılan bu teknik, böylece araştırmacıların yeni parçacıkların izlerini içerebilecek daha birçok olayı kaydetmelerini ve saklamasını sağlar.

Doglioni’ye göre umut ettikleri şey; görünür ve karanlık madde arasında bir bağlantı oluşturabilecek kuvvetlerin taşıyıcısı olma ihtimali olan ve şu ana kadar bilinmeyen parçacıklar hakkında belirtiler bulabilmek.

“Aracı” olarak adlandırdığımız bu yeni parçacıklar, son derece kısa ömürlü olan kuark çiftlerine, yani atomlardaki protonların ve nötronların yapı bloklarına parçalanabilir. Kuarklar parçalandığındaysa, ekipmanlarımızla tespit edebileceğimiz bir tür parçacık banyosu oluşuyor.”

Evrenimizin % 95’i karanlık

Araştırma topluluğu, oldukça uzun bir zamandır evrenimizin büyük bir bölümünü oluşturan zorlu karanlık madde hakkında cevaplar arıyor. Şu anda algıladığımız, ölçebildiğimiz ve üzerine tartıştığımız tüm fizik aslında evrenin yalnızca % 5’ini oluşturuyor. Bilim insanlarının büyük çoğunluğu, kalan % 95’lik kısmın; henüz keşfedilmemiş olan Karanlık Madde (Dark Matter) ve Karanlık Enerji’den (Dark Enerji) oluştuğuna inanıyor.

Peki bizleri evrenin % 95’ini görmediğimiz bir şeyin oluşturduğu fikrine iten şey ne? 

Diğer tüm kuvvetli deliller ve ayrıntıların dışında bu yaklaşımın temeli; galaksilerin, onların içinde görebildiğimizden çok daha fazla maddeye sahipmiş gibi dönmeleri gerçeğine dayanmaktadır.

Karanlık madde bu temel gök mekaniği hesaplarından tahmin edildiğine göre, tüm evrenimizin % 27’sini oluşturmaktadır.

Bunun yanında, bir de evrenin genişlemesiyle ilgili hesaplarımızda, nereden geldiğini bilmediğimiz bir fazlalık faktörü bulunmakta. Bu göremediğimiz fazla enerji, evrenimizi genişlerken sürekli hızlanmasına neden oluyor. İşte buna da karanlık enerji diyoruz ve hesaplamalarımıza göre bu enerji de evrenimizin % 68’ini oluşturmakta.

Araştırmacılar 31 Ekim günü; tüm dünya üzerindeki bir dizi araştırma ve olaya ithafen “Karanlık Madde Günü” (Dark Matter Day) olarak ilan ettiler.

Karanlık Madde avı

Caterina Doglioni, “Karanlık maddenin var olduğunu biliyoruz. Normalde ölçüm araçlarımızdan geçip gidiyor, ancak kaydedemiyoruz. Ve fakat araştırmamızda ona bağlı parçacıkların ürünlerini görmeyi umuyoruz” dedi.

Karanlık maddelerin, çok düşük etkileşimli parçacıklar oldukları düşünülmektedir. Bu nedenle madde ile etkileşime girmeleri olasılığı düşüktür. Araştırmacılar, egzotik ve yaratıcı yeni yöntemler dışında karanlık maddeleri kalorimetreler ile gözlemlemeye çalışmaktadır. Bu sistemlerde sensörler neredeyse evrenin mutlak sıcaklık noktasına dek soğutulurlar. Böylece sensörler için zaman durma noktasına gelir ve atomları titreşimleri git gide küçülür.

Sensörler karanlık madde ile karıştırılabilecek (en çok nötrinolarla karıştırılırlar) parçacıklar için kademeli bir filtreleme girişine sahiptir ve sensörün kalbine yalnızca karanlık maddeye ait parçacığın girip bir iz bırakması istenir.

Ayrıca karanlık maddenin sensörün içinden geçerken onunla etkileşebilmesi için —özellikle tuz madeniz gibi- yer altı yapılarının parçacıkları yavaşlatma etkisi kullanılır. Böylece ölçüm sistemleri büyük oranda yalıtılmış yer altı tesislerde çalıştırılmak üzere hazırlanır.

Sensörler soğutuculara yerleştirilip iyice mühürlenir ve -genellikle 2 yıl civarı sürecek- ölçümlere başlanılır. Ölçüm süreci sonunda sensörde bir sinyal varsa, ölçülen enerji aralığına bağlı olarak parçacığın bir karanlık maddeye ait olup olmadığı üzerine yorumlar yapılır ve bu yorumlar bir sonraki ölçüm ya da proje için teorik temeli oluşturur.

Bunun dışında karanlık madde araştırmaları için farklı detektör sistemleri ve özel deney düzenekleri de kullanılmaktadır.

Ancak hepsinin ortak noktası; olabildiğince küçük ve zor etkileşen bir parçacığı bulmak için, düzeneğin parçacıkla etkileşecek bölümünün olabildiğince yalıtılmış ve soğuk olmasıdır.

Henüz tam anlamıyla onu anlayışımızın kapısını aralayamadığımız için, karanlık madde konusundaki araştırmalar farklı teknoloji ve tekniklere dayanmakta. Bu nedenle araştırma grubunun mevcut veri işleme yöntemine yeni bir bakış açısı kazandırması çok önemli.

Doglioni yine de karanlık madde arayışında anlamlı bir atılım gerçekleşmesinin ne kadar zaman alacağı üzerine bir tahmin yürütmeye cesaret edemiyor. Bu sırada Doglioni, araştırma girişimleri ilerledikçe, “spin — off” (yan ürün etkileri) sağlandığını gözlemliyor.

Bu, büyük miktardaki verilerin nasıl işleneceği hakkındaki teknik; araştırma topluluğu dışında da değerli olmakla beraber, endüstri ile çeşitli işbirliklerinin başlatılmasını sağlamıştır.

Çalışmanın orijinaline aşağıdaki bağlantıdan ulaşabilirsiniz.

M. Aaboud et al. Search for Low-Mass Dijet Resonances Using Trigger-Level Jets with the ATLAS Detector in pp Collisions at s=13  TeV. Physical Review Letters, 2018; 121 (8) DOI: 10.1103/PhysRevLett.121.081801