Yeraltının derinliklerinde yapılan bir deneyde, beklenenin aksine, küçük bir ışık parıltısı karanlık maddenin ilk tespiti olarak kayıtlara geçebilir.
Bu gizemli madde, bildiğimiz evrendeki normal maddeden yaklaşık 5 kat daha fazla olmalı. Ancak on yıllardır süren arayışlara rağmen, bilim insanları bu maddeyi bulmakta zorlanıyordu.
Şimdi ise fizikçiler, LUX-ZEPLIN (LZ) deneyinde, önde gelen karanlık madde adaylarının tüm özelliklerini taşıyan ve bilinen fizik yasalarıyla açıklanması güç, tuhaf bir sinyal bildirdi.
Henüz hakemli incelemeden geçmemiş olan bu sonuçlar, bu hafta Japonya'da düzenlenen bir astrofizik konferansında duyuruldu.
Araştırma ekibi, henüz erken konuşmak konusunda temkinli davranıyor. Gözlemlenen olay, bilim insanlarının diğer olası açıklamaları istatistiksel olarak elemesini sağlayan eşiği henüz geçmedi.
LZ'nin sözcüsü ve Brown Üniversitesi'nden fizikçi Rick Gaitskell, "Verilerde, karanlık maddenin ortaya çıkmasını beklediğimiz bölgede ve rakip arka plan sinyallerinin çok düşük olduğu bir olayın olması bizi çok heyecanlandırdı." dedi. "Sadece tek bir olayla, aceleci davranmak istemiyoruz. Karanlık maddeyi tespit ettiğimizi iddia etmiyoruz. Ancak bilim camiasından girdi almak istediğimiz ilginç bir şey gördük."
1930'lara kadar uzanan bir süreçte, astrofizikçiler evrendeki gözlemlenebilir madde miktarının evren modelleriyle tam olarak uyuşmadığını fark ettiler. Bu, çoğunlukla yalnızca yerçekimi yoluyla etkileşimde bulunan fazladan bir kütlenin varlığına işaret ediyordu.
Işık yaymadığı veya yansıtmadığı için, bu gizemli maddeye 'karanlık madde' adı verildi.
Tam olarak ne şekilde bir yapıya sahip olduğu bilinmiyor. Bu nedenle, farklı potansiyel adayları tespit etmek için çeşitli deneyler yürütüldü, ancak şu ana kadar başarıya ulaşılamadı.
LZ, bu deneylerden sadece biri ve özellikle zayıf etkileşimli devasa parçacıklar (WIMP'ler) olarak adlandırılan bir karanlık madde adayından gelen sinyalleri tespit etmek üzere ayarlanmış durumda.
Adından da anlaşılacağı gibi, bu karanlık madde türü, kütlesi yüksek ve normal madde ile sadece zayıf etkileşimlere sahip, tespit edilmesi zor olan ayrık parçacıklardan oluşuyor.
Çoğu zaman WIMP'ler, normal maddenin içinden iz bırakmadan geçer. Ancak son derece nadir durumlarda, bir WIMP normal maddedeki bir atoma çarpabilir, bu da zayıf bir ışık parıltısı ve elektron üretir.
LZ, bu zor tespit edilen etkileşimleri algılamak için tasarlandı. Deney, dev bir sıvı ksenon tankından ve üzerinde ince bir gaz ksenon tabakasından oluşuyor. Bir WIMP tankın içinden geçer ve bir atoma çarparsa, tankın altındaki fotodedektörlerin algılayabileceği bir ışık parıltısı üretir. Olaydan kaynaklanan elektronlar yukarı doğru yönlendirilir ve gaz ksenona ulaştığında ikinci bir ışık parıltısı üretir. Bu iki ışık parıltısının zamanlaması ve gücü, bilim insanlarına kaynak parçacık hakkında önemli bilgiler verebilir.
Ne yazık ki, birçok başka parçacık da benzer sinyaller üretiyor ve karanlık maddeden çok daha sık bu tür sinyallere neden oluyor. Bu nedenle LZ, bu arka plan gürültüsünü azaltmak için tasarlandı.
İlk savunma hattı, deneyin 1.5 kilometre (0.9 mil) kaya ile kaplı olmasıdır. Ardından ksenon dolu tankın etrafını saran bir su tankı ve son olarak diğer olay türlerini tanımlayabilen bir radyasyon dedektörü bulunmaktadır. Bu önlemler, kozmik ışınlardan veya arka plan radyasyonundan kaynaklanan istenmeyen parçacıkları minimumda tutar.
Ancak şimdi, son birkaç yıldır toplanan verileri inceleyen fizikçiler, ilgi çekici bir sinyal tespit etti. 16 Haziran 2023'te LZ, WIMP'nin ksenon tankındaki bir atom çekirdeğine çarpmasından kaynaklanabilecek uygun enerjilerde iki ışık parıltısı tespit etti.
Aday olayı tespit ettikten sonra araştırmacılar, olayın bilinen arka plan süreçleriyle kolayca açıklanıp açıklanamayacağını görmek için aylarca verileri analiz ettiler. Olayın enerjisi, nötronlardan veya nötrinolardan daha yüksekti ve bu parçacıklar da daha düşük enerjili saçılmalara neden olurdu ki bunlar tespit edilmedi.
Eğer olay rastgele bir gama ışını tarafından üretilmiş olsaydı, tankta alışılmadık derecede uzun bir yol kat etmiş, ikinci bir ışık parıltısı üretmeden ikincil bir saçılma yaşamış veya dış dedektörlerden kaçmış olması gerekirdi. Tüm bu senaryolar olası görülmedi.
Ayrıca, görülen iki ışık parıltısının zamanlama olarak birbirine yakın meydana gelen iki ilişkisiz olaydan kaynaklanmış olma ihtimali de var. Veri analizi, bu olasılığın da çok düşük olduğunu gösterdi.
Bunun yerine, veriler için en iyi açıklama, 200 gigaelectronvolt'un üzerindeki bir kütleye sahip bir WIMP'den kaynaklanmış olmasıdır.
Berkeley Lab'dan fizikçi Aaron Manalaysay, "Verilerdeki aykırı olaylar beklenmedik bir durum değildir, ancak daha derinlemesine baktığınızda genellikle bir tür arka plan olarak öne çıkarlar." dedi. "Bu, üzerinde çalıştığım herhangi bir deneyde, her açıdan geçerli görünen bir aykırı olayın ilk örneğidir. Elbette, henüz gözden kaçırdığımız nadir bir arka plan mekanizması olup olmadığını hala düşünüyoruz, ancak bu, bir karanlık madde gözleminin ilk ipucu olabilir mi diye merak etmek heyecan verici."
Ancak kimse hemen kutlama şampanyasını açmadan önce, bu tespitin, parçacık fiziğinde yeni bir keşif iddia etmek için gereken istatistiksel anlamlılık olan 5-sigma eşiğine henüz ulaşmadığını unutmamak önemlidir. Bu, gözlemlenen sonucun tesadüfen arka plan etkileri tarafından üretilmiş olma olasılığının yaklaşık 3.5 milyonda 1 olduğu anlamına gelir.
Yeni LZ sonucu şu anda 2.6 sigma düzeyinde bulunuyor, bu da bir hata olasılığının 200'de 1 olduğu anlamına gelir. Karanlık maddeyi bulduğumuzdan emin olabilmek için çok daha fazla veriye ve daha fazla tespit olayına ihtiyacımız olacak.
Yine de bu, en kafa karıştırıcı kozmolojik bilmecelerden birini çözmeye yaklaşıyor olabileceğimize dair bugüne kadarki en büyüleyici ipuçlarından biri.
Olayı açıklayan makale henüz hakemli incelemeden geçmedi, ancak Physical Review Letters dergisine gönderildi. arXiv üzerinde ön baskı versiyonu mevcuttur.
