Yaklaşık bir yüzyıl boyunca, dünyanın dört bir yanındaki bilim adamları karanlık madde arıyorlar – evrenin kütlesinin yaklaşık% 80’ini oluşturduğuna ve çeşitli fiziksel fenomenleri açıklamak zorunda olduğuna inanılan görünmez bir madde. Parçacık hızlandırıcılarında üretmeye çalışmaktan, uzayda yayılabileceği kozmik radyasyon aramaya kadar karanlık maddeyi tespit etme girişimlerinde çok sayıda yöntem kullanılmıştır.
Ancak bugün bile, bu konunun temel özellikleri hakkında çok az şey bilinmektedir. Arka planda çalışmasına rağmen, karanlık maddenin görünür maddeyi etkilediğine inanılmaktadır, ancak şu anda doğrudan ölçüleyemeyecek kadar ince bir şekilde.
Bilim adamları, nükleer bir saat geliştirilirse – zamanın aşırı hassasiyetle ölçmek için atom çekirdeğini kullanan biri – işaretlemesindeki en küçük düzensizliklerin Karanlık Madde’in etkisini ortaya çıkarabileceğine inanıyorlar. Geçen yıl, Almanya ve Colorado’daki fizikçiler, radyoaktif element Thorium-229 kullanarak böyle bir saat inşa etmek için bir atılım yaptı.
Prof. Gilad Perez’in Weizmann Bilim Enstitüsü’ndeki teorik fizik grubundaki araştırmacılar, bu başarıyı öğrendiklerinde, tamamen işlevsel bir nükleer saat gerçekleşmeden önce bile karanlık maddeyi araştırmak için yeni bir fırsat tanıdılar. Alman ekibi ile işbirliği içinde, yakın zamanda bir çalışma yayınladılar. Fiziksel inceleme x Toryum-229 çekirdeğinin özellikleri üzerindeki etkisini tespit etmek için yeni bir yöntem önermek.
Bir çocuğu bir salıncakta itmek, pürüzsüz, tutarlı bir hareket sağlamak için doğru zamanlamayı gerektirirken, atomik bir çekirdek de fizikte rezonans frekansı olarak bilinen optimal bir salınım frekansına sahiptir. Tam olarak bu frekansta radyasyon, çekirdeğin iki kuantum durumu arasında bir sarkaç gibi “sallanmasına” neden olabilir: bir zemin durumu ve yüksek enerjili bir durum. Çoğu malzemede, bu rezonans frekansı yüksektir, bu da çekirdeği uyarmak için güçlü radyasyon gerektirir.
Ancak 1976’da bilim adamları, ABD nükleer programının bir yan ürünü olan Toryum-229’un nadir bir istisna olduğunu keşfettiler. Doğal rezonans frekansı, nispeten zayıf ultraviyole radyasyon kullanılarak standart lazer teknolojisi ile manipüle edilecek kadar düşüktür. Bu, toryum-229’u nükleer bir saatin geliştirilmesi için umut verici bir aday haline getirdi, bu süre içinde geleneksel bir saatte bir sarkaç gibi kuantum durumları arasında “sallanan” çekirdek ile ölçüldü.
Bununla birlikte, nükleer saat üzerindeki ilerleme, bilim adamları toryum-229’un rezonans frekansını azami hassasiyetle ölçmeye çalıştıklarında ilk aşamada durdu. Bir çekirdeğin rezonans frekansını belirlemek için, fizikçiler değişen frekanslarda üzerinde bir lazer parlar ve kuantum durumları arasında geçiş yaparken ne kadar enerjiyi emdiğini veya yaydığını gözlemler. Bu sonuçlardan bir emilim spektrumu oluştururlar ve tepe emilimine neden olan frekans çekirdeğin rezonans frekansı olarak alınır.
Yaklaşık beş yıldır, bilim adamları Toryum-229’un rezonans sıklığını nükleer bir saat oluşturmak için yeterli hassasiyetle ölçemediler, ancak geçen yıl iki büyük ilerleme sağladılar. İlk olarak, Almanya Ulusal Metroloji Enstitüsü (PTB) bir grup nispeten doğru ölçümler yayınladı. Birkaç ay sonra, Colorado Üniversitesi’nden bir ekip, birkaç milyon kat daha kesin olan sonuçları yayınladı.
“Nükleer bir saat geliştirmek için hala daha da hassasiyete ihtiyacımız var,” diyor Perez, “ama zaten karanlık maddeyi inceleme fırsatı belirledik.
“Sadece görünür maddeden oluşan bir evrende, herhangi bir materyalin fiziksel koşulları ve emilim spektrumu sabit kalacaktır. Ancak karanlık madde bizi çevrelediği için, atomik çekirdeklerin kütlesini ustaca değiştirebilir ve thorium-229’un emilim spektrumunda, emilim spektrumunun emilim spektrumunda tespiti tespit etme yeteneğinin, büyük etkiye sahip olduğunu ortaya koyabileceğini varsaydık.
Perez’in grubundan ve diğer doktora sonrası arkadaşlarından Dr. Wolfram Ratzinger tarafından yönetilen ekip tarafından yapılan teorik hesaplamalar, yeni ölçümlerin yerçekiminden 100 milyon kat daha zayıf olsa bile karanlık maddenin etkisini tespit edebileceğini gösterdi.
Ratzinger, “Burası henüz kimsenin karanlık meseleyi aramadığı bir bölge” diyor. “Hesaplamalarımız, sadece rezonans frekansındaki kaymaları aramanın yeterli olmadığını gösteriyor. Karanlık maddenin etkisini tespit etmek için tüm emilim spektrumundaki değişiklikleri tanımlamamız gerekiyor.
“Bu değişiklikleri henüz bulamamış olsak da, göründüklerinde onları anlamak için zemin hazırladık. Bir sapmayı tespit ettiğimizde, yoğunluğunu ve Karanlık Madde parçacığının kütlesini hesapladığı sıklığı kullanabiliriz.
“Çalışmanın ilerleyen saatlerinde, farklı karanlık madde modellerinin Thorium-229’un absorpsiyon spektrumunu nasıl etkileyeceğini de hesapladık. Bunun sonuçta hangi modellerin doğru olduğunu ve gerçekte hangi karanlık maddenin yapıldığını belirlemeye yardımcı olacağını umuyoruz.”
Bu arada, dünyanın dört bir yanındaki laboratuvarlar, yıllar alması beklenen bir süreç olan Toryum-229’un rezonans frekansının ölçümünü geliştirmeye devam ediyor. Sonunda bir nükleer saat geliştirilirse, toprak ve uzay navigasyonu, iletişim, güç şebekesi yönetimi ve bilimsel araştırmalar gibi birçok alanda devrim yaratabilir.
Günümüzün en doğru zaman tutma cihazları, iki kuantum durumu arasındaki elektronların salınımına dayanan atomik saatlerdir. Bunlar son derece hassastır, ancak önemli bir dezavantajı vardır: Çevreden elektriksel parazitlere karşı savunmasızdırlar, bu da tutarlılıklarını etkileyebilir. Aksine atom çekirdekleri, bu tür rahatsızlıklara çok daha az duyarlıdır.
“Karanlık Madde söz konusu olduğunda,” diyor Perez, “Toryum-229 tabanlı bir nükleer saat nihai dedektör olacaktır. Şu anda, elektrik paraziti aramada atomik saatleri kullanma yeteneğimizi sınırlar.
“Ancak nükleer bir saat, işaretlemesinde inanılmaz derecede hafif sapmalar tespit etmemize izin verecek – yani, rezonans frekansındaki küçük kaymalar – karanlık maddenin etkisini ortaya çıkarabilir. Gravardan 10 trilyon kat daha zayıf kuvvetleri tespit edeceğini tahmin ediyoruz, bu da karanlık maddemizde aradığımızdan 100.000 kat daha iyi bir çözünürlük sağlayacaktır.”
