Peki ya size karanlık maddeyi göremediğiniz halde onu duyabildiğinizi söylesem? Biliyorum, biliyorum, kulağa çılgınca geliyor… ve çok çılgınca. Ama işe yarayabilecek kadar çılgınca. Bu gerçek hayattaki bir deney, adı…buraya bir bakayım…Süper İletken Termometrelerle Kriyojenik Nadir Olay Araması veya CRESST; eğer onu yakalayamadıysanız, bu bir çift s’dir. Bakın bu çok iyi bir kısaltma değil ama biz bununla devam edeceğiz.
Deney, orta İtalya’daki Gran Sasso Dağı’nın derinliklerine gömüldü (bu arada, Gran Sasso, bir sonraki randevu gecenizde biraz bonus bilgisine ihtiyaç duymanız durumunda İtalyanca’da “harika rock” anlamına geliyor) ve Scheelite olarak da bilinen dev bir kalsiyum tungstat kristalinden oluşuyor. Kristal, süperiletken durumunun tam sınırında, sadece birkaç millikelvin’e kadar soğutulur.
Fikir şu; eğer bir karanlık madde parçacığı dedektörle kesişirse, kristalin titreşmesine neden olur (sonuçta enerjinin bir yere gitmesi gerekir), bu da süperiletken durumu bozar ve bir algılama üretir.
CRESST yıllardır faaliyet gösteriyor ve henüz karanlık madde parçacığının doğrulanmış bir tespitini yapmadı. Ancak bilimde, bir deney yalnızca bir şey öğrenmezseniz başarısızlıkla sonuçlanır ve CRESST deneyi ile karanlık madde hakkında kesinlikle bilgi sahibi olduk. Özellikle karanlık maddenin ne olmadığını öğrendik.
Karanlık madde tespit deneyleriyle ilgili yayınlanmış makalelerde sıklıkla buna benzeyen tablo ve grafikler bulacaksınız. Karanlık madde parçacığının kimliğini bilmediğimizi unutmayın. Çeşitli teori ve kavramlara dayalı bazı tahminlerimiz var ama sonuçta o parçacığın kesin özelliklerini bilmiyoruz. Özellikle kütlesini veya normal maddeyle ne kadar kolay/nadiren etkileşime girdiğini bilmiyoruz.
Daha geniş evrendeki gözlemlerimizden kaynaklanan bazı sınırlarımız var ve nötrinolar gibi birçok olasılığı elemeyi başardık. Ama bundan sonrası adil bir oyun. Bu iki işimiz olduğu anlamına geliyor. Bir yandan, birçok yaratıcı beyin fırtınası, teori oluşturma ve tahmin yürütmeyi içeren makul ve iyi motive olmuş adaylar bulmamız gerekiyor. Öte yandan, belirli adayları eleyebilecek deneyler bulmamız ya da bunu başaramadığımızda karanlık maddenin ne tür özelliklere sahip olabileceğine dair daha kesin sınırlar koymamız gerekiyor.
Bu şekilde, söz konusu deneyin belirli kütle aralıklarını ve karanlık maddenin etkileşim güçlerini nasıl dışladığını gösteren buna benzer grafikler elde ediyoruz. Basitçe deneyi çalıştırarak ve bir süre sonra hiçbir şey görmeyerek, karanlık maddenin hangi özelliklerinin hariç tutulduğunu güvenle söyleyebilirsiniz: Karanlık maddenin bu özel etkileşim gücüne sahip bu özel kütle OLAMAYACAĞINI söyleyebilirsiniz. Ve sonra bunu tekrar, tekrar ve tekrar yaparsınız. Ve elbette tek bir deney yapmıyorsunuz. Unutmayın, karanlık madde çok çeşitli kütlelere ve etkileşim kuvvetlerine sahip olabilir ve hiçbir deney tek başına bu aralığın tamamını kapsayamaz.
Karanlık madde parçacığının olası kütlesi 50 büyüklüğün üzerinde bir aralığı kapsayabilir. Bu bir parçacık olduğu için parçacık fiziğinin dilini kullanmamız gerekiyor, bu da kütleyi elektron-volt veya eV cinsinden ifade ettiğimiz anlamına gelir. Büyük uçta, tek bir karanlık madde parçacığı 10 ağırlığında olabilir24—1030 eV, bir bakterinin kütlesi ile küçük bir böceğin kütlesi arasında bir yerdedir. Genellikle karanlık madde parçacıklarının bundan çok daha büyük olabileceğini düşünmüyoruz, çünkü kütleçekimsel mercekleme gözlemlerinde şimdiye kadar örneğin bir gezegen veya yıldızın kütlesine sahip herhangi bir şey ortaya çıkmış olurdu.
Spektrumun diğer ucunda ise 10’a kadar inen ultra hafif karanlık madde parçacıklarına sahip olabiliriz.-21 elektron-volt, bu da birazdan bahsedeceğim gerçekten eğlenceli fırsatlara kapı açıyor.
Ancak onlarca yıldır başlıca karanlık madde adayımız, birkaç milyar veya trilyon elektron voltluk bir kütle aralığına sahip olduğunu düşündüğümüz, W ve Z bozonları ve üst kuark gibi bilinen ağır parçacıkların kütle aralığına sahip olduğunu düşündüğümüz, zayıf etkileşime giren büyük kütleli parçacık olan WIMP’di. Çok büyük ama çok büyük değil. WIMP’i beğendik çünkü standart modele yapılan çeşitli teorik genişletmeler, bu kütle aralığında ve doğru özelliklere sahip (yani çoğunlukla görünmez) bir parçacığın varlığını öngörüyordu.
Şunu söylemekten asla vazgeçmeyeceğim: WIMP’ler fizikteki en iyi fikir değil ve karanlık madde hipotezinin tamamı ikinci derece kanıtlara dayanıyor. Ama sahip olduğumuz tüm seçenekler arasında en az kötü olanı bu. En fazla sayıda gözlem için EN BASİT açıklamadır. Fizikte çok kullandığımız bu kavramın ifadesidir, yani cimrilik. Teorik fikirlere yüksek lisans öğrencileri gibi yaklaşıyoruz: En az çabayla en fazla çalışmayı nasıl elde ederiz veya mümkün olan en az varsayımdan en fazla açıklayıcı gücü nasıl elde ederiz.
Karanlık madde hipotezinin eksiklikleri var ve kesinlikle her gözlemi açıklayamıyor ve WIMP’ler, hayali peri masalı parçacıklarının sadece bir kıl kadar ötesinde. Ancak diğer herhangi bir hipotez hem daha fazla varsayıma (daha fazla hareketli parçaya) hem de daha az açıklama gücüne (daha az gözlemle eşleşir) sahiptir.
Yani… omuz silkme…WIMP öyle.
Olmayana kadar. Bunun nedeni, gün boyu tutumluluk, gözlemler ve alternatifler hakkında istediğimiz tüm tartışmaları yapabilmemizdir, ancak bilimde doğa, hangi fikirlerin kalacağı ve hangilerinin gideceği konusunda nihai hakemdir. Karanlık madde öyküsüne devam etmek istiyorsak doğrudan, zor, deneysel doğrulamaya ihtiyacımız var; WIMP’lerin peşine düşmek, birkaç Nobel ödülü toplamak ve diğer heyecan verici çözülmemiş kozmolojik bulmacalara geçmek için CRESST gibi deneyler yapmamızın nedeni tam olarak budur.
Bu özel kütle aralığındaki karanlık madde parçacıkları olan WIMPS’i bulmak için dünya çapında düzinelerce doğrudan tespit deneyi gerçekleştirdik. Ve bunların hepsi aynı türden deneyler değil. Ayrıca birkaç ton ksenon gibi dev bir sıvılaştırılmış asal gaz fıçısını kullanan sintilatörler de var. Bir karanlık madde parçacığının ksenona çarpmasını ve onun parıldamasına neden olmasını bekliyorlar, bu da “ışıltı” anlamına gelen süslü bir bilim sözcüğüdür. Işıltıyı görüyoruz; karanlık maddeyi tespit ediyoruz.
WIMP’ler yalnız değil. Bunlar, Q-topları, WIMPzillalar ve kısır nötrinolar gibi hoş isimlere sahip, daha geniş bir karanlık madde adayları sınıfının yalnızca bir örneğidir. Farklı deneylerimizi, bu geniş karanlık madde spektrumunun mümkün olduğu kadar çoğunu kapsayacak şekilde farklı kütle aralıklarını veya etkileşim güçlerini yakalayacak şekilde ayarladık. Parçacık çarpıştırıcı deneylerimizde çeşitli türde karanlık madde üretmeyi bile denedik.
Ve hiçbir şey bulamadık.
