Dünyanın en hassas laboratuvar tabanlı eksen araması ilk sonuçlarını sunuyor

ALPS II işbirliğindeki fizikçiler, Herhangi Bir Işık Parçacığı Arama (ALPS) II deneyinin ilk sonuçlarını bildirdiler: varsayımsal “eksen” arayışında türünün en hassas aracı. Almanya’daki DESY Araştırma Merkezi’nden Axel Lindner başkanlığındaki işbirliği, bu ilk kampanyada eksenlere dair bir kanıt bulamadı, ancak sonuçları gelecekteki çalışmalar için değerli rehberlik sunuyor: karanlık madde için en umut verici adaylardan birinin arayışını sıkılaştırıyor.

Araştırma ön baskı olarak yayınlandı arXiv ve şu adreste yayınlanacak: Fiziksel İnceleme Mektupları.

Simetri kırılması arayışı

Eğer bir parçacık eş zamanlı olarak karşılık gelen antiparçacığıyla yer değiştirirse ve uzaysal olarak ayna görüntüsüne çevrilirse, onun davranışını yöneten fizik yasalarının tamamen aynı kalacağını tahmin etmek sezgisel olabilir. Ancak bazı radyoaktif bozunma türlerini harekete geçiren zayıf nükleer kuvvette, bu “yük paritesi (CP) -simetri” ilkesi ihlal edilebilir.

CP ihlali artık evrenin en temel kuvvetleri ve parçacıklarına ilişkin en güncel anlayışımızı sunan Standart Model’e dahil edilmiştir. Bununla birlikte, garip bir şekilde, CP simetrisi, kuarkları birbirine bağlayarak protonları, nötronları ve diğer daha kısa ömürlü hadronları oluşturan güçlü nükleer kuvvette mükemmel bir şekilde duruyor gibi görünüyor.

1977’de Roberto Peccei ve Helen Quinn, CP simetrisinin neden güçlü kuvvet tarafından ihlal edilmediğini açıklamayı amaçlayan yeni bir teori sundular. Steven Weinberg ve Frank Wilczek daha sonra fikirlerinin Standart Modelde yer almayan tamamen yeni bir parçacık gerektirdiğini gösterdiler. Son derece yüksek enerjilerde simetrinin bozulmasıyla bağlantılı olan bu parçacık, doğal olarak güçlü kuvvetteki herhangi bir CP ihlalini ortadan kaldıracaktır.

“Axion” olarak adlandırılan bu varsayımsal parçacık, son derece hafif olacak ve sıradan madde ve ışıkla yalnızca çok zayıf bir şekilde etkileşime girecek ve bu da onu tespit etmeyi inanılmaz derecede zorlaştıracak. Bu teoriye dayanarak fizikçiler, eksenlerin kozmolojideki en derin gizemlerden birini de açıklayabileceğini öne sürdüler.

Lindner, “Axionlar ve benzeri çok hafif, çok zayıf etkileşime giren parçacıklar, parçacık fiziğinin Standart Modelinin ötesindeki fizik için başlıca adaylardır” diyor. “Evrenimizdeki karanlık maddeyi, belki de karanlık enerjiyi de açıklayabilirler.”

Oluşturma ve algılama

Fizikteki herhangi bir teori gibi, eksenin varlığı da doğrudan tespit edilene kadar doğrulanamaz. Peccei ve Quinn’in öngörüsünden bu yana geçen on yıllar boyunca fizikçiler, bu bulunması zor parçacıkları çok çeşitli büyük ölçekli deneyler kullanarak aradılar. Birçoğu galaksimizi çevrelediği düşünülen karanlık madde içindeki eksenleri araştırırken, en sıkı sınırların bazıları güneş de dahil olmak üzere yıldızların gözlemlerinden geldi.

Şu ana kadar bu çalışmaların hiçbiri eksenlere dair somut bir kanıt sunamadı. Bunun da ötesinde, genellikle erken evrenin koşullarıyla ilgili doğrudan test edilemeyen varsayımlara dayandılar.

Lindner, bunun tersine, “ALPS II yaklaşımı, aynı deneylerde eksenlerin üretilmesi ve tespit edilmesine dayanıyor, dolayısıyla karanlık madde deneyleri gibi herhangi bir varsayıma ihtiyaç duymuyor” diye açıklıyor. “Dolayısıyla ALPS II’nin üst sınırları çok sağlam sonuçlardır.”

Bir duvarın içinden parlayan ışık

ALPS II deneyi, güçlü bir lazer ışınının, 12 süper iletken çift kutuplu mıknatıs dizisi tarafından oluşturulan güçlü bir manyetik alandan geçirilmesini içerir. Eğer eksenler mevcutsa, alan, lazerin fotonlarının küçük bir kısmını, aralarındaki zayıf bağlantı yoluyla eksenlere dönüştürecektir.

Daha sonra lazer, fotonlarını tamamen engelleyen opak bir duvarla karşılaşır. Buna karşılık, yeni oluşturulan eksenler doğrudan geçebilir. Duvarın diğer tarafında, küçük bir kısmını orijinal lazerle tamamen aynı dalga boyuna sahip ışığa dönüştüren 12 çift kutuplu mıknatısla karşılaşırlar.

Bu dönüşüm, yenilenen fotonları birbirine bakan bir çift ayna arasında hapseden ve ışığın birikmesini sağlayan bir optik boşluk içinde gerçekleşir. Bu ışık boşluktan dışarı sızdığında, ikinci bir lazere müdahale edecek ve kesin olarak bilinen bir frekansa sahip zayıf ancak tespit edilebilir bir “vuruş sinyali” üretecektir.

Aramayı sıkılaştırma

“Işığın duvardan geçmesi” yaklaşımı ilk kez 1987’de tanımlanmış olsa da, ALPS II benzersiz bir hassasiyet düzeyi sunuyor: toplam 24 süper iletken mıknatısı bir araya getiriyor ve optik boşluğuyla yenilenen sinyali büyük ölçüde artırıyor. Duvarın önüne şu anda kurulmakta olan ikinci bir boşluk, eksen üretimini benzer şekilde artıracaktır.

Toplamda, bu iyileştirmeler sinyal-gürültü oranını daha önceki deneylerin yaklaşık 12 kat üstüne çıkararak astronomik gözlemlerle karşılaştırılabilir bir hassasiyet sağlayacaktır.

ALPS II işbirliği, son çalışmasında, deneyin Şubat ayından Mayıs 2024’e kadar süren ilk bilim kampanyasının sonuçlarını bildirdi. Lindner, “ALPS II, ilk bilim kampanyasında eksenlerin veya benzer varsayımsal parçacıkların varlığına dair kanıt bulamadı” diyor. “Verilerde görülen ‘fazlalık’ büyük ihtimalle saatte iki foton yoğunluğuyla ışık dedektörüne ulaşan başıboş ışıktan kaynaklanıyordu.”

Buna rağmen deney, eksenlere karşı daha önceki benzer deneylerden 20 kat daha duyarlıydı. Şu anda devam eden iyileştirmelerle birlikte işbirliği, bunu iki kat daha geliştirmeyi umuyor: belki de bizi evrenin gizli kütlesi için en geniş çapta araştırılan adayı tespit etmeye bir adım daha yaklaştıracak.