Dünyanın en iyi karanlık madde dedektörünü çalıştırmak nasıl bir şey

Chamkaur Ghag, henüz tanımlamadığımız evrenin meselesinin yüzde 85’ini bulma görevinde. Büyük bilimsel deney için umutlarını ve geleceğin neler yapabileceğini detaylandırıyor

Güney Dakota’nın ortasında derin yeraltında, dünyadaki en hassas karanlık madde dedektörü sessizce bekliyor. Bu, orta kısmı büyük bir sıvı ksenon tankı olan Lux-Zeplin (LZ) deneyidir. Londra University College’daki fizikçi Chamkaur Ghag, deney üzerinde çalışan devasa bilimsel işbirliğinin liderlerinden biridir. Misyonu, evrenin henüz tanımlamadığımız meselesinin yüzde 85’ini bulmaktır.

Bugün, GHAG ve diğer avcıları, bu zor maddeyi arayışında bir dönüm noktasında duruyorlar. XLZD adlı bir dedektör inşa etmek için gevşek planlar var, bu da LZ’nin birkaç katı ve daha da hassas olacak. Ancak bunların her ikisi de malları koklayamazsa, fizikçileri karanlık maddenin yapıldığını düşündüklerini yeniden düşünmeye zorlayacaktır. GHAG’ın dediği gibi, bu yeni nesil karanlık madde dedektörlerinin yeraltı devleri olmayacağı anlamına gelebilir, ancak şaşırtıcı derecede küçük ve alçakgönüllü işler. Aslında, bu Ekim ayında CEİD Live’daki yaklaşan konuşmasından önce açıkladığı için, zaten böyle bir prototip inşa etti.

Leah Crane: Önce ilk şeyler, karanlık madde neden bu kadar önemli?

Chamkaur Ghag: Bir yandan, parçacıklar ve atomlarımız ve parçacık fiziğinin bize maddenin bileşenlerinin nasıl bir araya geldiğini anlattığı her şey var. Öte yandan, yerçekimi anlayışımız var. Bu iyi görünebilir, ancak yerçekimi ve parçacık fiziğini bir araya getirmeye çalışırsanız, büyük bir sorun var: galaksimiz burada olmamalı. Kendini göremediğimiz maddeden geliyor gibi görünen yerçekimi ile birlikte tutuyor. Ve bu sadece küçük bir tutkal değil. Evrendeki konunun yüzde 85’i bu karanlık konudur.

Neden bu kadar uzun zamandır avlıyoruz ve hiçbir şey bulamadık?

Şu anda, karanlık maddenin muhtemelen Wimps dediğimiz şeyden veya erken evrende doğan zayıf etkileşen devasa parçacıklar hakkında yapıldığını düşünüyoruz. Eğer öyleyse, sadece diğer parçacıklarla çok nadiren etkileşime girer ve o zaman bile son derece zayıf bir imza verirdi. Yani, büyük dedektörlere ihtiyacımız var. Ne kadar büyük olursa, içinden geçen karanlık bir madde parçacığının etkileşime girme şansı o kadar iyi olur. Ve gerçekten sessiz olmaları gerekir, böylece etkileşirse karanlık maddenin vurduğu parçacıkların küçük geri tepmelerine duyarlı olabilirler – en ufak titreşim bile sinyali maskeleyebilir.

Karanlık madde için teorik bir faz alanı hakkında konuşuyoruz, bu da bu şeylerin sahip olabileceği olası kitleler ve özellikler anlamına geliyor. Zaten bu alanın bir kısmını dışladık. Bu nedenle, vaat edilen topraklara yaklaşmak için daha büyük ve daha büyük dedektörlerle yeraltına daha da derinleşmeye devam etmeliyiz: karanlık madde parçacıklarının hala var olabileceği teorik faz alanı.

Gülünç derecede özenli bir zanaattır. Dedektörümüzle, neredeyse arka plan gürültüsü olmadığından emin olmalıydık. Örneğin, çoğu metal küçük miktarda radyoaktivite üretir, bu nedenle inşaat malzemelerimizde bu sorunu en aza indirmek için çok çalışmak zorunda kaldık. LZ, gezegendeki en düşük arka plan gürültüsü, çoğu radyo-saf enstrüman.

Öyleyse LZ, şu anda sahip olduğumuz en hassas dedektör – nasıl çalışıyor?

Esasen, birkaç metre genişliğinde ve 7 ton sıvı ksenon içeren birkaç metre boyunda çift duvarlı bir termos şişesi. Bu şişede, ksenon oldukça yansıtıcı bir namlu içindedir ve üst ve alttan ışık sensörleri ile görülür. Ve sonra son bir dokunuş var: Bu varil boyunca bir elektrik alanımız var. Bir wimp içeri girer ve bir ksenon çekirdeğe çarparsa, küçük bir ışık, birkaç foton parlaması üretir. Ancak bir elektrik alanımız olduğu için, elektronları (çarpışmada serbest bırak) çekirdekten uzaklaştırıyoruz ve ayrıca ayrı, daha parlak bir flaş üretiyoruz.

Bu, dedektörümüzde olan her şeyin bize iki ışık sinyali verdiği anlamına gelir. Bunun olduğu yerde bize olayın pozisyonunu anlatır ve daha sonra birincil flaştan ikincil flaşa karşı ışık miktarı bize bunun bir gamma ışını gibi bir wimp veya başka bir şey olup olmadığının mikrofiziklerini söyler. Kozmik ışınlardan korumak için bir mil yeraltına sahibiz ve sonra onu kayanın kendisinden korumak için bir su deposunda var.

Çok karmaşık bir çaba. Çalışmasını sağlamanın en zor kısmı neydi?

Lux adında benzer, daha küçük bir selef deneyi vardı ve enstrümanı 10 kat daha hassas hale getirmek için ne yapmamız gerektiğini biliyorduk. Aslında bunu yapmak zorlayıcıydı. Benim için en zor kısım, enstrümanın olması gerektiği kadar temiz ve sessiz olduğundan emin olmaktı. LZ’yi alırsanız ve onu ortaya çıkarırsanız, çok büyük, futbol sahası büyüklüğünde bir alan ve tüm yüzeyde sadece tek bir gram toz tolere edebiliriz.

Yeraltında şu ana kadar bu ultra temiz dedektörde çalışmak nasıl bir şey?

Bu eski bir altın madeni, bu yüzden endüstriyel görünümlü bir ortam var. Sert şapkalarınızı alıyorsunuz ve bir mil aşağı iniyorsunuz ve sonra laboratuvarda biraz trek var. Laboratuvara girdikten sonra nerede olduğunuzu unutabilirsiniz. O zaman temiz oda kıyafetine giriyorsunuz ve bilgisayar ve ekipman ve ne değil-sadece penceresiz bir laboratuvar. Ama aşağı yolculuk başka bir dünya.

Şimdiye kadar, WIMP’ler karanlık madde için baskın aday oldu. Ama henüz kimsenin hiçbir kanıtını tespit etmediğinden, hangi noktada Wimps’in öldüğünü söylüyoruz?

Sanırım planladığımız daha büyük dedektör olan XLZD’nin inşa edildiği ve onları görmediği noktaya ulaşırsak. Bu enstrümanın aralığının ötesinde keşfetmek zorunda kalırsak, çerez kesici standart wimp’in var olması zorlaşır. Ama o noktaya kadar, hala çılgınlar. Şimdiye kadar keşfettiğimiz ve XLZD’nin nereden alacağı arasındaki bu bölge, eğlenceli şeyler.

Karanlık madde için tamamen farklı ve çok daha küçük bir dedektör geliştirdiniz. Bize bundan bahset.

Sahip olduğumuz şey, lazerlerle kaldırdığımız 150-nanometre genişliğinde bir cam boncuktur, böylece oldukça hassas bir kuvvet dedektörü olarak işlev görür. Güzel olan, üç boyuttan herhangi birinde hareket edip etmediğini söyleyebilmemizdir. Yani, ‘Tamam, bir şey onu belirli bir yönden ping attı’ diyebiliriz. Bu harika, çünkü artık yeraltında malzemelerden radyoaktif bozulma gibi tüm karasal geçmişlerinizi dışlamaya başlayabileceğiniz anlamına geliyor.

Bu, LZ gibi büyük dedektörlerden oldukça ayrılıyor. Bunun arkasındaki mantık nedir – ve daha fazla küçük dedektör görecek miyiz?

Büyük yeraltı deneyleri çok büyüktür, bu yüzden süper hassastırlar – ancak bir anlamda, çok büyük oldukları gerçeği aslında hassasiyetlerini sınırlar. Diyelim ki karanlık bir madde parçacığı ksenon dedektörüme çarptığında 10 foton üretiyor. Xenon tankım küçükse, bunların hepsini kolayca tespit edebilirim, ancak büyük bir tankım varsa, her yerde zıplamak zorundalar ve sadece üçünü yakalayabilirim.

Şimdi, karanlık bir madde parçacığının dedektörüme çarptığında, ilk etapta sadece iki foton ürettiğini hayal edelim. Bu senaryoda, LZ’ye benzer bir dedektörden alabileceğiniz maksimum sinyal azalır. Bu yüzden şimdi LZ aralığının dışında olan daha düşük kütle karanlık madde parçacıkları aramak için bir baskı var – ve bu da diğer tür dedektörlere yönelmek anlamına geliyor.

Diyelim ki aslında karanlık bir madde buluyoruz. Bu fizik ve evren için ne anlama geliyor?

İki problemi çözer. Bu bariz olan: Evrenimizdeki konunun yüzde 85’ini eksik olan bu nedir? Ancak bunu, gerçekliğin yapı taşlarının temel listesi olan standart parçacık fiziği modelini içermeyecek şekilde yapar. Yani, karanlık bir madde bulursanız, bu modelin dışında ilk gözünüz var. Henüz standart modelin dışında belirli bir şey için sağlam bir kanıtımız yok – hiçbir şey. Bu, odaya ilk ışık demeti olurdu.