Karanlık maddenin doğasını belirlemek, evrenimizdeki kitlenin çoğunu oluşturan görünmez madde, fizikteki en büyük bulmacalardan biridir. Dünyanın en hassas karanlık madde dedektörü Lux-Zeplin’den (LZ) yeni sonuçlar, önde gelen karanlık madde adaylarından biri için olasılıkları daralttı: zayıf etkileşen büyük parçacıklar (WIMP’ler).
UC Santa Barbara deneysel fizikçi Hugh Lippincott, “Her zaman yeni bir parçacık keşfetmeyi umuyor olsak da, partikül fiziği için karanlık maddenin gerçekte ne olabileceğine sınırlar belirleyebileceğimiz önemlidir.” Dedi. Bilim adamları onlarca yıldır karanlık maddenin varlığından şüpheleniyorlar, ancak gizemli bir madde olmaya devam ediyor – yine de evrenin yapısında temel bir rol oynayan biri
LZ, Güney Dakota’daki Sanford Underground Araştırma Tesisinde (SURF) yeraltında yaklaşık bir mil Mağaradan Karanlık Madde için avlanır. Deneyin yeni sonuçları, daha önce her zamankinden daha zayıf karanlık madde etkileşimlerini araştırıyor ve WIMP’lerin ne olabileceğini daha da sınırlıyor.
Yayınlanan sonuçlar Fiziksel İnceleme Mektupları280 günlük verileri analiz edin: 220 günlük yeni bir set (Mart 2023 ile Nisan 2024 arasında toplanmıştır) LZ’nin ilk koşusundan daha önceki 60 gün ile birlikte. Deney, 2028’de bitmeden 1000 günlük veri toplamayı planlıyor.
LZ dedektörünün iç kısmı, o kadar yoğun olan 10 ton şeffaf saf sıvı ksenon ile doldurulmuş iki iç içe Titanyum tankından oluşur, bu da dış dünyanın “gürültüsünden” uzak ve bir wimp’in göstergesi olabilecek en zayıf sinyalleri yakalamak için mükemmel bir şekilde izole edilmiş bir ortam yaratır.
Umut, bir wimp’in bir ksenon çekirdeğine girmesidir ve bir havuz oyununda bir ipucu topundan bir vuruş gibi hareket etmesine neden olur. Etkileşimler sırasında yayılan ışık ve elektronları toplayarak LZ, diğer verilerin yanında potansiyel WIMP sinyallerini yakalar. Bu sıvı ksenon çekirdeği, çok daha büyük bir dış dedektör (OD)-gadolinyum yüklü sıvı sintilatör ile doldurulmuş akrilik tanklarla çevrilidir.
LZ’nin hassasiyeti, dedektörün arka planları azaltabileceği sayısız yoldan gelir, karanlık bir madde etkileşimini taklit edebilecek veya gizleyebilecek yanlış sinyaller. Derin yeraltında, dedektör uzaydan gelen kozmik ışınlardan korunur.
Günlük nesnelerden doğal radyasyonu azaltmak için, binlerce ultraclean, düşük radyasyon parçalarından LZ inşa edildi. Dedektör bir soğan gibi inşa edilmiştir, her tabaka dış radyasyonu bloke eder veya karanlık madde taklitlerini dışlamak için parçacık etkileşimlerini izler. Ve sofistike yeni analiz teknikleri, arka plan etkileşimlerini dışlamaya yardımcı olur.
UCSB, 2012 yılında UCSB’de ilk LZ toplantısına ev sahipliği yapan UCSB fizikçisi Harry Nelson liderliğindeki LZ’deki kurucu gruplardan biriydi. Şu anda öğretim üyeleri Lippincott ve Nelson, Nelson, Doktora Sonrası Araştırmacılar Chami Amarasinghe ve TJ Whitra, lisans öğrencileri Jeonghwa Kim ve mezuniyet öğrencileri Jeonghwa Kim, ve Jordan Thomas.
Sonuçta bulunan diğer katkıda bulunanlar arasında son zamanlarda Ph.D. Pasifik Kuzeybatı Ulusal Laboratuvarı’nda doktora sonrası araştırmacı ve eski lisans araştırmacısı olan alıcı Jack Bargemann; Tarun Advaith Kumar, şimdi Çevre Enstitüsü’nde yüksek lisans öğrencisi. Sonuç için fizik koordinatörü doktorasını alan Scott Haselschwardt’dı. 2018’de UCSB’den ve şu anda Michigan Üniversitesi’nde yardımcı doçent.
Her atomda bulunan nötronlar, atom altı parçacıkları hidrojen tasarrufu, WIMP sinyallerinin en yaygın çelişkileri arasındadır. Nelson ve UCSB, işbirliğinin bu parçacıkları dışlamasını ve gerçek bir keşif sağlamasını sağlayan kritik bileşen olan LZ’nin dış dedektörünün tasarımını yönetti.
Trask, “Nötronlarla ilgili zor olan şey, ksenon çekirdeğiyle de etkileşime girmeleri, WIMP’lerden beklediğimizle aynı sinyal vermeleridir.” Dedi. “OD, nötronları tespit etmede mükemmeldir ve herhangi bir yanıt almadan bir WIMP tespitini doğrular.” OD’de bir nabız varlığı, bir wimp tespiti için başka türlü mükemmel bir adayı veto edebilir.
Radon aynı zamanda bilim adamlarının uyanık olması gereken bir wimp taklittir. Bargemann, “Radon, bazıları WIMP’lerle karıştırılabilecek belirli bir bozulma dizisine maruz kalıyor.” Dedi. Diyerek şöyle devam etti: “Bu koşuda yapabildiğimiz şeylerden biri, radonu tanımlamak ve WIMP’ler için karıştırmaktan kaçınmak için dedektördeki tüm çürümeleri aramaktı.”
Güçlü bir sonucu sağlamak ve bilinçdışı önyargıyı ortadan kaldırmak için LZ işbirliği, veri toplama sırasında sahte WIMP sinyalleri ekleyen “tuzlama” adı verilen bir teknik uyguladı. Araştırmacılar, en sonunda “tuzlama” yapana kadar gerçek verileri kamufle ederek bilinçdışı önyargılardan kaçınabilir ve analizlerini aşırı yorumlamalarını veya değiştirmesini engelleyebilirler.
Haselschwardt, “Sınırı insanların daha önce karanlık maddeyi aramadıkları bir rejime itiyoruz.” Dedi. Diyerek şöyle devam etti: “Verilerdeki kalıpları görmek isteme için bir insan eğilimi var, bu yüzden bu yeni rejime girdiğinizde önyargıların dolaşmaması gerçekten önemlidir. Bir keşif yaparsanız, doğru yapmak istersiniz.”
Bu sonuçlarla, WIMP’lerin ne olabileceğine dair olasılıklar alanı önemli ölçüde daralmış ve karanlık maddeyi arayan tüm bilim adamlarının aramalarına daha iyi odaklanmalarına ve evrenin nasıl işlediğine dair yanlış modelleri reddetmelerini sağlar. Gelecekte daha fazla veri toplama ve karanlık madde aramasını hızlandırmaktan daha fazlasını yapacak uzun bir oyun.
Amarasinghe, “Deneyimiz, farklı fizik alanlarında kökleri olan nadir olaylara da duyarlı.” Dedi. “Bazı örnekler güneş nötrinoları, belirli ksenon izotoplarının büyüleyici çürümeleri ve hatta diğer karanlık madde türleri. Bu sonucun yoğunluğu arkamızda, bu aramalara daha fazla zaman harcamak için çok heyecanlıyım.”
Nelson, “UCSB Fizik Bölümü, 1988’deki bir aramanın ilk yayınlanan sonuçlarından biriyle başlayarak karanlık madde için arama yapma konusunda uzun bir geçmişe sahip.” Dedi. Önceki öğretim üyeleri arasında David Caldwell (şimdi merhum) ve şimdi Lawrence Berkeley Laboratuvarı’nın direktörü Michael Witherell yer alıyor. David Hale (şimdi emekli), şimdi karanlık madde aramaları alanında kullanılan sahte karanlık madde sinyallerini bastırma tekniklerinin çoğuna öncülük etti.
“UCSB, Fizik Bölümü, Mektuplar ve Bilim Fakültesi, yönetim ve özel bağışlar aracılığıyla, karanlık madde çabalarını onlarca yıl boyunca güçlü bir şekilde destekledi ve LZ’ye önemli katkılar yaptı.”
LZ, ABD, İngiltere, Portekiz, İsviçre, Güney Kore ve Avustralya’daki 38 kurumdan yaklaşık 250 bilim insanının işbirliğidir; Kayıt belirleme deneyinin çalışması, işletilmesi ve analiz edilmesinin çoğu erken kariyer araştırmacıları tarafından yapılır.
İşbirliği zaten bir sonraki veri setini analiz etmeyi ve daha düşük kütleli karanlık maddeyi bile aramak için yeni analiz hileleri kullanmayı dört gözle bekliyor. Bilim adamları ayrıca LZ’yi daha da iyileştirmek için potansiyel yükseltmeler ve XLZD adı verilen yeni nesil karanlık madde dedektörü planlamayı düşünüyorlar.
