Karanlık Madde adı verilen gizemli madde özünde görünmezdir. Doğrudan gözlemlenemez – daha yumuşak, varlığı, galaksi kümelerini birbirine bağlama ve galaksilerinin etrafında yıldız hareket ettirme gibi evren üzerindeki yerçekimi etkisi ile çıkarılır.
Henüz yayınlanan yeni araştırmalar Fiziksel İnceleme Mektupları Karanlık madde etkileşimlerini aramak için bir “kamera” kullanır, böylece bu zor şeylerin doğasını araştırır.
Bir hipotez, karanlık maddenin, yerçekimi kuvvetine tabi olan ancak sıradan meseleyle son derece zayıf bir şekilde etkileşime giren henüz bilinmeyen parçacıklardan yapılmış olmasıdır, Chicago Üniversitesi Prof. Paolo Privitera, DAMIC-M (Modan’da CCD’lerde Karanlık Madde) Uluslararası İşbirliği sözcüsü.
Son birkaç on yılda, karanlık madde parçacıkları arayışı, bir protondan çok daha ağır olduğuna inanılan WIMP’lere veya zayıf etkileşen büyük parçacıklara odaklanmıştır.
Privitera, “Ancak, meslektaşım Luca Grandi’nin Xenonnt ile yaptığı çalışma da dahil olmak üzere, bir ton ağırlığında muazzam dedektörlerin son derece hassas aramalarına rağmen, şimdiye kadar WIMP’ler bulunamadı.” Dedi.
CERN’deki büyük Hadron Çarpıştırıcı’daki Atlas deneyi de dahil olmak üzere en gelişmiş parçacık hızlandırıcılarındaki deneyler de WIMP’leri bulamadı.
Astrofizikçiler şimdi araştırmayı, son derece hassas enstrümanlar gerektiren daha hafif parçacıklara genişletiyorlar, çünkü bu tür düşük kütleli, düşük enerjili parçacıklar tarafından üretilen sinyallerin tespit edilmesi neredeyse imkansız olacaktır.
Damic-M deneyi, Fransız Alpleri yüzeyinin 5.000 feet altındaki bu zor sinyalleri arar. İlk çalışmasında karanlık madde bulamamasına rağmen, deney “gizli sektör” karanlık madde olarak bilinen birkaç parçacık adayını dışlayabildi.
Gizli sektör dedektörü
Karanlık madde dedektörleri, karanlık madde parçacıklarının çok nadir durumlarda dedektörün atomlarından birinde bir çekirdek ile çarpışacağı öncülünde tasarlanmıştır. Çekirdeğin geri tepmesi ışık, elektronları soyabilir veya atomun kafesini sallayarak bir sinyal üretebilir.
Hafif bir karanlık madde parçacığının tespit edilmesi ağır olandan çok daha zordur.
Privitera, “Bir çekirdeğe çarpan ağır bir parçacık başka bir bowling topuna çarpan bir bowling topu gibidir – büyük bir ivme kazandıracak.” Dedi. “Bir çekirdeğe çarpan hafif bir parçacık, bir bowling topuna çarpan bir ping-pong topu gibi olurdu. Hiç hareket etmezdi.”
Bununla birlikte, gizli sektör karanlık madde, bir çekirdekten binlerce kat daha az büyük olan elektronlarla etkileşime girecektir.
“Şimdi başka bir ping-pong topuna çarpan bir ping-pong topu gibi,” dedi Privitera.
Tek elektronları tespit edecek kadar duyarlı bir cihaz, gizli sektör karanlık maddesini aramak için ideal olacaktır.
DAMIC-M deneyi, bu tür eşi görülmemiş hassasiyet ve çözünürlük elde etmek için yük bağlantılı cihazlar veya CCD’ler kullanır. Standart bilimsel CCD’ler, fotonları elektrik yüklerine dönüştüren ve daha sonra dijital bir görüntüye işlenen hafif duyarlı cihazlardır.
Astronomik teleskopların “kamerası” olarak hizmet ederler. CCD’ler ayrıca cihazda elektrik yükleri izi bırakan “görüntüleme” parçacık etkileşimlerini de yapabilir.
Damic-M CCD’ler, karanlık madde parçacık etkileşimleri için dedektör kütlesini en üst düzeye çıkarmak için çok daha kalındır. Deneyin özel CCD’leri, araştırmacıların elektronları ayrı ayrı saymasına izin veren bir yenilik olan kaptan okuma yeteneğine sahiptir. Ekip, sadece birkaç elektronlu bitişik piksel piksel veya kümeleri arar – potansiyel olarak karanlık bir madde etkileşimini gösterir.
Bu çarpışmalar son derece nadirdir ve dedektör malzemesindeki doğal termal dalgalanmalar gibi arka plan kaynaklarından gelen sinyallerle gizlenebilir. Bunu en aza indirmeye yardımcı olmak için DAMIC -M CCD’ler -220 ° F’de çalıştırılır.
Dış radyasyonun etkilerini azaltmak için, dedektör birkaç ekranlama katmanı ile korunur. Fransız Alpleri’nin altındaki Laboratoire Souterrain de Modan’da bulunan dedektör, kozmik ışınlardan 5.000 feet’ten fazla kaya ile korunuyor. Mağaranın duvarlarında bulunan doğal olarak oluşan radyoaktif elemanlardan arka planı azaltmak için CCD’ler kurşunla çevrilidir.
“Eğlenceli gerçek,” dedi Privitera, “Radyoaktif kirletici maddeleri zaten çürümüş olduğu için batık bir Roma gemisinden ve İspanyol galyonundan eski kurşun kullanıyoruz.”
Bu çalışma için ekip, iki CCD modülü barındıran ve sadece 26 gram ağırlığında olan düşük arka plan odası – bir prototip inşa etti ve iki buçuk ay boyunca birkaç bin “fotoğraf” çekti. Daha sonra bu görüntüleri karanlık madde etkileşimlerini öneren piksel kümeleri için aradılar.
Ekip, iki elektronlu 144 küme ve sadece bir dört elektron kümesi buldu – beklenen arka planlarla uyumlu rezervler.
“Bu nedenle, henüz karanlık maddeyi keşfetmedik,” dedi Privitera, sonuçların “diğer tüm deneylerden daha hassas büyüklük sıraları, bir prototip dedektörü ve küçük bir kütle ile elde edildiklerini düşündüğünde kayda değer bir başarı” olduğunu ekledi.
Arama devam ettikçe, karanlık madde etkileşim sinyalinin olmaması, karanlık maddenin doğası için derin etkileri vardır.
‘Donma’ veya ‘donma’
Büyük patlama, karanlık madde ve sıradan maddeden sonra evrenin evriminin potansiyel, basitleştirilmiş bir senaryosunda dengede başlar ve eşit oranlarda birbirine dönüşür.
Evren genişledikçe ve soğudukça, sıradan parçacıkların birbirleriyle karşılaşması ve yüksek enerjili bir çarpışma gerektiren karanlık madde yaratması giderek zorlaşıyor.
Bununla birlikte, karanlık madde parçacıklarının birbirlerini karşılaması ve yok etmesi, sıradan maddeye geri dönmesi hiçbir enerji gerektirmez, böylece karanlık maddenin bolluğu büyük patlamadan sonra hızla azalır. Sonunda karanlık madde parçacıkları da etkileşime geçmek için çok yayılır ve miktar bugün ölçtüğümüzü dengelemektedir. Bu senaryo karanlık maddenin “dondurulması” olarak bilinir.
Başka bir olası senaryoda, karanlık madde parçacıkları o kadar zayıf bir şekilde etkileşime girer ki, karanlık ve sıradan madde asla dengede değildir. Karanlık maddenin sıradan madde etkileşimleri tarafından üretildiği nadir durumlarda, geri dönüşmez ve bollukta artışlar.
Karanlık Madde üretimi, donma senaryosunda olduğu gibi, evrenin genişlemesi ile sınırlıdır, bu nedenle karanlık madde miktarı sonunda günümüzde ölçülen miktarda stabilize olur. Bu senaryo karanlık maddenin “dondurulması” olarak bilinir.
Donma ve donma senaryoları, karanlık maddenin özelliklerini-özellikle kütle ve etkileşim olasılığını-kısıtlar ve teorisyenler, gizli sektör karanlık maddesinin donma senaryolarıyla uyumlu olması gerektiğini tahmin etmişlerdir.
Privitera, “Bu teorik tahminler artık Damic-M null sonuçlarıyla ilk kez araştırılıyor.” Dedi.
Donma senaryosu için, bugün ne kadar karanlık maddenin gözlendiği ile etkileşim olasılığı arasında sıkı bir ilişki vardır. Bu kısıtlama, araştırmacıların bir aday parçacığının dedektör elektronları ile etkileşim ve bir sinyal üretme olasılığının net tahminlerini yapmalarını sağlar.
Ekip sinyalleri tespit etmediğinden, deney birkaç gizli sektör adayını tamamen hariç tutar-bunlar yoktur.
Ancak donma senaryosu için, sinyal yokluğu bu adayın varlığını kesin olarak dışlamaz.
Privitera, “Verilerimizde karanlık madde bulamadığımız gerçeği, gizli sektör parçacıklarının evrendeki karanlık maddenin tamamını oluşturduğunu hariç tutuyor.” Dedi.
Yine de gizli sektör karanlık madde mevcutsa, geri kalanını içeren başka bir şey olan tüm karanlık maddenin bir kısmı olabilir.
Ölçeklendirme
Düşük arka plan oda prototipinin başarısının ardından, tam Damic-M aparatı 2026’da veri toplamaya başlayacak.
Bilim adamları, tam ölçekli dedektörün nadir bir etkileşimi yakalama şansına sahip olacağını ve aparat malzemelerindeki daha iyi koruma ve daha az radyoaktif kirletici maddeler nedeniyle arka planların önemli ölçüde azalacağını söyledi.
Privitera, “Hedefimiz hala tüm karanlık maddenin bir kısmını oluşturmayı, aynı zamanda hafif wimps ve diğer adayları da bulabileceğimiz gizli sektör karanlık madde.” Dedi. Diyerek şöyle devam etti: “Damic-M’nin birkaç yıl boyunca bu düşük kütleli karanlık madde parçacıklarının aranmasında önde gelen deney olacağını umuyoruz.”
