Gökbilimciler karanlık maddenin ne olduğunu bilmiyorlar, ama bunun Evrenin yaklaşık% 25'ini kapladığını biliyorlar. Minnesota'da bir mayın şaftında yeraltında bulunan güçlü bir dedektör, gizemin dibine ulaşabilir. Kriyojenik Karanlık Madde Arama II projesi Zayıf Etkileşen Masif Parçacıkları (WIMPS olarak da bilinir) tespit etmeye çalışacaktır. Bu teorik parçacıklar normalde madde ile etkileşime girmez, ancak nadiren meydana gelen çarpışmalar tespit edilebilir.
Cabrera, “Göremediğimiz evrenin çoğunu oluşturan bir madde olduğu gerçeğinden uzaklaşmak daha zor ve daha zor” diyor Cabrera. “Yıldızlar ve galaksiler, karanlık olan ve ışığı emmeyen veya yayan bu büyük gemideki Noel ağacı ışıkları gibidir.”
Minnesota'da bir mayın şaftında derin yeraltına gömülen Cabrera'nın Kriyojenik Karanlık Madde Arama II (CDMS II) adlı projesi yatıyor. California-Berkeley Üniversitesi fizikçi Bernard Sadoulet bu çaba için sözcüsü olarak görev yapıyor. Fermilab’ın Dan Bauer proje müdürü ve Case Western Reserve Üniversitesi'nden Dan Akerib proje müdür yardımcısı. Projede 13 kurumdan 46 bilim insanından oluşan bir ekip işbirliği yapıyor.
WIMP yakalamak için
Deney, bilim adamlarının karanlık maddeyi neyin oluşturduğuna dair en iyi tahminlerinden biri olan WIMPS (Zayıf Etkileşen Masif Parçacıklar) adlı egzotik parçacıkları tespit etmeyi amaçlayan dünyanın en hassas olanıdır. Diğer seçenekler arasında nötrinolar, akslar adı verilen teorize parçacıklar ya da kara delikler ve kahverengi cüce yıldızlar gibi normal maddeler görülemeyecek kadar soluktur.
WIMPS'in sorumlu nötr olduğu ve bir proton kütlesinin 100 katından daha ağır olduğu düşünülmektedir. Şu anda bu temel parçacıklar sadece teoride mevcuttur ve hiç gözlemlenmemiştir. Bilim adamları henüz onları bulamadıklarını düşünüyorlar çünkü yakalanması çok zor. WIMPS çoğu madde ile etkileşime girmez - utangaç parçacıklar vücudumuzdan geçer - ancak CDMS II onları projenin özel dedektörlerindeki atomlarla nadiren çarpışmaya sokmayı amaçlamaktadır.
“Bu parçacıklar çoğunlukla dağılmadan Dünya'dan geçiyor,” diyor Cabrera. “Olayları görme şansımızın bile tek nedeni, çok nadiren bir parçacığın [dedektöre] gelip dağılmasıdır.”
Dedektörler, kozmik ışınlardan ve dedektörlerle çarpışabilecek ve karanlık madde ile karıştırılabilecek diğer parçacıklardan korumak için Minnesota’daki Soudan madenindeki toprak katmanları altında gizlidir. Aslında, CDMS II üzerinde çalışan bilim adamları için savaşın yarısı, aletlerini WIMPS hariç her şeyden mümkün olduğunca korumak ve karanlık madde ve daha sıradan parçacıklar arasındaki farkı anlatmak için ayrıntılı sistemler geliştirmektir.
Projede çalışan Stanford lisansüstü öğrencisi Walter Ogburn, “Dedektörümüz, mutlak sıfırın üzerindeki bir derecenin 50 binde birinde yaşaması gereken bu hokey topu şeklinde bir şey” diyor. “Soğuk olan şeyleri yapmak zor.”
Bu amaçla, aletler, dıştan oda sıcaklığından içeriden en soğuk olana kadar, altı kat yalıtım ile kaplanmış bir buz kutusu adı verilen bir kutuya yerleştirilir. Bu, dedektörleri o kadar soğuk tutar ki atomlar bile titremez.
Dedektörler katı silikon ve katı germanyum kristallerinden yapılmıştır. Silikon veya germanyum atomları hala mükemmel bir kafes içinde oturur. WIMPS bunlara çarparsa, kıpır kıpır ve fonon adı verilen küçük ısı paketleri verir. Fononlar dedektörlerin yüzeyine yükseldiğinde, araştırmacıların kaydedebileceği çok hassas bir tungsten tabakasında bir değişiklik yaratırlar. Dedektörün diğer tarafındaki ikinci devre, bir WIMP çarpışmasından ve dedektördeki bir atomdan salınacak iyonları, yüklü parçacıkları ölçer.
Ogburn, “Bu iki kanal farklı etkileşim türleri arasında ayrım yapmamıza izin veriyor” diyor. “Bazı şeyler daha fazla iyonlaşma, bazı şeyler daha az üretiyor, böylece farkı bu şekilde anlayabilirsiniz.”
Dedektörleri kurmak için birden fazla tesisteki bir grup bilim insanı gerekir. Ekip, kristalleri dışarıdaki bir şirketten satın alıyor ve Stanford'un Entegre Sistemler Merkezi'ndeki araştırmacılar, dedektörlerin yüzeylerinde ölçüm cihazları yapıyorlar. Cabrera laboratuvarındaki bir başka lisansüstü öğrencisi Matt Pyle, “İnsanların mikroişlemci yapmak için kullandıkları bunları yapmak için aynı şeyleri kullanıyoruz, çünkü bunlar da çok küçük” diyor.
İpucu kümeleri
Nötrinolar olarak adlandırılan bir WIMPS alt kümesi, süpersimetrinin beklediği en hafif parçacıklar, daha önce gözlemlediğimiz her parçacık için bir eş öngören bir teoridir. CDMS II nötrinoları bulmakta başarılı olursa, süpersimetri için ilk kanıt bu olacaktır. “Süpersimetri, mevcut parçacıklarımızın ortakları olan parçacıkların başka bir sektör olduğunu gösteriyor,” diyor Cabrera. “Süpersimetrinin çok muhtemel göründüğü birçok yol var. Ancak henüz eşleşen [süpersimetrik] parçacık çifti için doğrudan bir kanıt yok. ”
WIMPS'in zayıf etkileşimleri, karanlık madde parçacıklarının kütleye sahip olmalarına ve yerçekimi yasalarına uymalarına rağmen, normal madde gibi galaksilere ve yıldızlara karışmamalarıdır. Topaklanmak için parçacıklar çökmeli ve birbirine yapışmalıdır. Ancak WIMPS çoğunlukla birbirlerinin yanında uçar. Ayrıca, WIMPS nötr olduğu için, negatif yüklü elektronlara pozitif yüklü protonların çekilmesini gerektiren atomlar oluşturmazlar.
“Karanlık madde her şeye nüfuz ediyor,” diyor Cabrera. “Atomların yaptığı gibi asla çökmedi.”
Karanlık madde hiçbir zaman yıldızları ve tanıdık cennetsel nesneleri yaratmadığından, bilim adamları uzun zamandır orada olduğunu bilmiyorlardı. Varlığının ilk göstergesi, 1930'larda İsviçreli-Amerikalı bir gökbilimci Fritz Zwicky'nin gökada kümelerini gözlemlediği zaman geldi. Gökada kitlelerini topladı ve kümeleri bir arada tutmak için var olması gereken yerçekimini hesaba katacak kadar kütle olmadığını fark etti. Kayıp kütleyi sağlamak için başka bir şey çıkardı.
Daha sonra 1970'lerde Amerikalı bir gökbilimci olan Vera Rubin, Samanyolu'ndaki ve diğer yakın gökadalardaki yıldızların hızını ölçtü. Bu galaksilerin kenarlarına daha yakından baktıkça, bilim adamlarının beklediği gibi yıldızların daha yavaş dönmediğini buldu. “Bu hiç mantıklı değil,” diyor Cabrera. “Anlayabilmenin tek yolu, orada yıldız ışığında gördüğünüzden çok daha fazla kütle varsa.”
Yıllar geçtikçe, karanlık madde için giderek daha fazla kanıt birikti. Bilim adamları bunun ne olduğunu henüz bilmemelerine rağmen, nerede olduğu ve ne kadar olması gerektiği konusunda daha iyi bir fikre sahipler. “Farklı miktarlara sahip olmak için çok az kıpır kıpır boşluk var,” diyor Cabrera.
“Bugüne kadar ilginç bir sinyal gibi görünen hiçbir şey görmedik” diyor. Ancak CDMS II araştırmacıları araştırmaya devam ediyor. Diğer gruplar da öyle. California-Los Angeles Üniversitesi ve Birleşik Krallık Karanlık Madde İşbirliği'nde fizikçiler tarafından yürütülen bir deney olan ZEPLIN, Sheffield, İngiltere yakınlarındaki bir madendeki sıvı ksenon kaplarındaki WIMP'leri yakalamayı hedefliyor. Ve Güney Kutbu'nda, WIMP imhalarının imzası olan yüksek enerjili parçacıklar olan nötrinoları aramak için buzun derinlerine gömülü optik sensörleri kullanacak olan IceCube adlı bir Wisconsin-Madison Üniversitesi projesi yapım aşamasındadır.
Bu arada CDMS II gelişmeye devam ediyor. Araştırmacıları, WIMPS bulma şanslarını artırmak için daha büyük ve daha büyük dedektörler inşa ediyorlar. Gelecekte ekip, varsa en olası WIMPS türlerinin çoğunu bulabilmesi gereken 1 tonluk bir dedektör oluşturmayı umuyor. Ogburn, “Şimdi, öncekilere göre iki kattan fazla hedef germanyum kütlesi ile veri alıyoruz, bu yüzden şu anda kesinlikle yeni bölgeler araştırıyoruz” diyor Ogburn. “Ama daha yapılacak çok şey var.”
Orijinal Kaynak: Stanford Haber Bülteni
