Bilim insanları neredeyse bir asırdır, evrendeki tüm maddenin yaklaşık yüzde 85'ini oluşturduğu düşününen görünmez madde olan karanlık maddeyi tanımlamaya çalışıyor. Kütleçekimsel etkileri evrenin dört bir yanında gözlemlenebiliyor, ancak hiçbir deney bu maddenin kendisini doğrudan tespit edemedi. Karanlık maddenin neyden oluştuğunu keşfetmek, modern fiziğin en önemli çözülmemiş problemlerinden biri olmaya devam ediyor.
LUX-ZEPLIN (LZ) deneyinden yapılan yeni bir analiz, özellikle dikkat çekici bir olayı ortaya çıkardı. Araştırmacılar, sıradan madde tarafından üretilen bilinen arka plan sinyalleri kullanılarak açıklanması zor olan tek bir parçacık etkileşimi kaydetti.
Bu bulgu, bir keşif olarak nitelendirilecek kadar istatistiksel olarak güçlü değil. Yine de araştırmacılar, bunun LZ'nin şimdiye kadar bildirdiği en ikna edici potansiyel karanlık madde sinyali olduğunu söylüyor.
Yerin Neredeyse Bir Mil Altında Dev Bir Dedektör
LZ, 39 kurumdan 250 bilim insanı ve mühendisi bir araya getiren uluslararası bir proje. Deney, ABD Enerji Bakanlığı'na bağlı Lawrence Berkeley Ulusal Laboratuvarı (Berkeley Lab) tarafından yönetiliyor ve Güney Dakota'daki Sanford Yeraltı Araştırma Tesisinde (SURF) yerin neredeyse bir mil altında faaliyet gösteriyor.
Dedektörün kalbinde 10 ton son derece saf sıvı xenon bulunuyor. Cihaz, öncelikle karanlık maddeyi açıklamak için öne sürülen önde gelen adaylardan biri olan zayıf etkileşimli büyük parçacıklar veya diğer adıyla WIMP'leri aramak üzere tasarlandı.
Yeni sonuçlar, Japonya'da düzenlenen 2026 TeV Parçacık Astrofiziği konferansında yapılan bilimsel bir konuşmada sunuldu. Makale ayrıca arXiv'e yüklenecek ve Physical Review Letters dergisine gönderilecek.
Brown Üniversitesi'nde profesör ve LZ sözcüsü olan Rick Gaitskell, "Verilerde bu olayı görmek, karanlık maddenin ortaya çıkmasını beklediğimiz bölgede olması ve rakip arka planların çok düşük olması bizi gerçekten çok heyecanlandırdı" dedi. "Sadece tek bir olayla kendimizi kaptırmak istemiyoruz. Karanlık madde gördüğümüzü iddia etmiyoruz. Ancak bilimsel toplulukla paylaşmak ve onların görüşlerini almak istediğimiz ilginç bir şey gördük."
Verilerin Yeni Bir Bölgesinde Arama
LZ işbirliği, deneysel sonuçlarını gruplar halinde inceliyor. Bu en son çalışma için bilim insanları, Mart 2023 ile Nisan 2024 arasında toplanan 220 günlük canlı gözlem verisini analiz etti.
Araştırmacılar daha önce aynı veri setini, WIMP etkileşimlerinin en basit biçimleriyle ilişkili çok zayıf izler için aramıştı. Bu kez, aramayı dedektörün içine daha büyük miktarda enerji bırakabilen daha geniş bir olası WIMP etkileşimi yelpazesini içerecek şekilde genişlettiler.
LZ bu tür olaylara karşı özellikle hassas ve tasarımı aynı zamanda bilim insanlarının sıradan parçacık etkileşimlerini karanlık madde ile karıştırma ihtimalini azaltmaya yardımcı oluyor.
Birleşik Krallık'taki Bristol Üniversitesi'nde kıdemli araştırma görevlisi ve çalışmanın baş yazarı olan Sam Eriksen, "Bu, bu veri setinde daha önce keşfetmediğimiz bir bölgede yapılan detaylı bir çalışmaydı ve arka plan olaylarının tüm olası nedenlerini anlamak için aylarca ek çaba harcadık" diye konuştu. "Dedektörümüzü ve arka planları o kadar iyi anlıyoruz ki, bulduğumuz gibi tek bir olağanüstü olay bile önemli. Karanlık madde olaylarının son derece nadir olmasını bekliyoruz, bu yüzden sadece bir avuç olay WIMP karanlık maddesinin ilk tespitini işaret edebilir."
Gizemli Olay Ne Anlama Gelebilir?
Eğer tuhaf sinyali gerçekten karanlık madde ürettiyse, sorumlu WIMP'nin kütlesinin muhtemelen en az 200 GeV/c2 (gigaelektronvolt) olması gerekir. Bu, onu bir protondan 200 kat daha kütleli yapar.
Böyle bir sonuç aynı zamanda, karanlık madde aramalarında genellikle dikkate alınan en basit modellerin ötesine geçen, WIMP'ler ve sıradan madde arasında belirli bir etkileşim türüne işaret eder.
Bilim insanlarının temkinli davranmasının önemli bir nedeni var. Parçacık fiziği, genel olarak bir sonucun keşif olarak kabul edilmesi için "5-sigma" istatistiksel anlamlılığa ulaşmasını gerektirir. Yeni LZ bulgusu şu anda 2.6 sigma seviyesinde.
Araştırmacılara göre bu, olağandışı olayın bilinen arka plan kaynakları tarafından üretilmiş olmasının yaklaşık yüzde 0,5'lik bir şansına karşılık geliyor.
Daha fazla gözlem hayati önem taşıyacak. LZ ek veri topladıkça, bilim insanları olayın istatistiksel anlamlılığının artıp artmadığını veya görünürdeki sinyalin sonunda kaybolup kaybolmadığını görebilecekler.
LZ şimdiden karanlık madde aramaları için dünyanın en büyük veri setini oluşturdu ve SURF'te WIMP verileri toplamaya devam edecek; bu da araştırmacılara gelecekte çok daha güçlü istatistikler sağlayacak.
LZ Karanlık Maddeyi Arka Plan Gürültüsünden Nasıl Ayırıyor?
Deney, parçacıklar dedektörün içine enerji bıraktığında oluşan karakteristik ışık parlamalarını izleyerek karanlık maddeyi arıyor.
Zorluk, sıradan maddenin de parçacık etkileşimleri üretebilmesidir. Bu nedenle LZ, bu arka plan olaylarını tanımlamak ve karanlık madde ile karıştırılmalarını önlemek için birkaç koruma ve analiz katmanı kullanıyor.
Yeraltındaki konumu ilk savunma hatlarından birini sağlıyor. Deneyin neredeyse bir mil üzerindeki kayalık, uzaydan gelen kozmik ışın radyasyonunun büyük bir kısmını engelliyor. Etrafındaki bir su tankı ve ek dış dedektörler, merkez dedektörü arka plan nötronlarından korumaya yardımcı oluyor.
Araştırmacılar ayrıca farklı parçacık etkileşimi türlerini ayırt etmek ve karanlık maddeden beklenen imzaları taklit eden olayları reddetmek için gelişmiş hesaplama teknikleri kullanıyor.
Olağandışı olay özellikle dikkat çekti çünkü şu ana kadar bilim insanlarının bir aykırı değeri daha yakından incelediklerinde normalde buldukları türden sorunlar ortaya çıkarmadı.
Berkeley Lab'da fizikçi ve LZ'nin Kurumsal Kurulu başkanı olan Aaron Manalaysay, "Verilerdeki aykırı olaylar beklenmedik değil, ancak onlara daha derinlemesine baktığınızda genellikle bir tür arka plan olarak öne çıkıyorlar" dedi. "Çalıştığım herhangi bir deneyde, her açıdan geçerli görünen bir aykırı değerin ilk örneği bu. Elbette, kaçırmış olabileceğimiz nadir bir arka plan mekanizması olup olmadığını düşünmek için hala beynimizi zorluyoruz, ancak bunun bir karanlık madde gözleminin ilk işareti olup olmadığını merak etmek heyecan verici."
Şimdilik, açıklanamayan tek bir olay karanlık maddenin nihayet tespit edildiğini söylemek için yeterli değil. Ancak sinyal karanlık maddenin beklenebileceği bir bölgede ortaya çıktığı ve kapsamlı bir incelemeye dayandığı için, araştırmacılar deney veri toplamaya devam ederken yakın ilgiyi hak ettiğine inanıyor.
Karanlık Madde Arayışı İçin Uluslararası Destek
LZ; ABD Enerji Bakanlığı, Bilim Ofisi, Yüksek Enerji ve Nükleer Fizik Ofisi ve bir DOE Bilim Ofisi kullanıcı tesisi olan Ulusal Enerji Araştırma Bilimsel Hesaplama Merkezi tarafından destekleniyor.
Ek destek Birleşik Krallık Bilim ve Teknoloji Tesisleri Konseyi; Portekiz Bilim ve Teknoloji Vakfı; İsviçre Ulusal Bilim Vakfı; Karanlık Madde Parçacık Fiziği için Avustralya Araştırma Konseyi Mükemmeliyet Merkezi ve Kore Temel Bilimler Enstitüsü'nden geliyor.
Otuz dokuz yüksek öğrenim ve ileri araştırma kurumu LZ'ye destek sağladı. LZ işbirliği ayrıca Sanford Yeraltı Araştırma Tesisinin yardımını da takdirle karşılıyor.
