Karanlık madde, evrenin büyük bir bölümünü oluşturduğuna inanılan varsayımsal bir madde şeklidir. Işığı yaymadığı, emmediği veya yansıtmadığı için “karanlık” olarak adlandırılır ve bu nedenle teleskoplar veya elektromanyetik radyasyonu algılayan diğer aletlerle doğrudan algılanamaz. Bununla birlikte, varlığı, yıldızlar ve galaksiler gibi görünür maddeler üzerindeki yerçekimi etkilerinden anlaşılabilir. Bilim adamları, karanlık maddenin evrendeki kütlenin yaklaşık %85’ini oluşturabileceğine ve bunun varlığının, galaksilerin dönme hızları ve maddenin kozmik ölçekte dağılımı gibi gözlemlenen bir dizi olguyu açıklamak için gerekli olduğuna inanıyor.
Uluslararası bir araştırma ekibi, Bern Üniversitesi’nde geliştirilen hassas bir deneyi kullanarak karanlık madde arayışında önemli ilerleme kaydetti.
Yıldızların ve galaksilerin yörüngelerine ilişkin kozmolojik gözlemler, gök cisimleri arasında etkili olan yerçekimi kuvvetlerinin, görebildiğimiz görünür madde ile tam olarak açıklanamayacağını ortaya koymuştur. Bu, galaksilerin hareketlerini ve gelişimini etkileyen, bilinmeyen başka bir madde türü olabileceğini düşündürmektedir.
1933’te İsviçreli fizikçi ve astronom Fritz Zwicky, doğrudan görülemeyen ancak yerçekimi etkileriyle tespit edilebilen bir madde türü olan karanlık maddenin varlığını öne sürdü. Evrendeki kütlenin yaklaşık %85’ini oluşturduğuna inanılıyor ve aşina olduğumuz görünür maddenin yaklaşık beş katı kütleden oluşuyor.
Deney düzeneğinin bir kısmı Bern’deki laboratuvarda Ph.D. öğrenci Ivo Schulthess. Kredi bilgileri: F. Piegsa
Son zamanlarda, Albert Einstein Temel Fizik Merkezi’nde (AEC) geliştirilen hassas bir deneyin ardından Bern Üniversitesi, uluslararası bir araştırma ekibi, karanlık maddenin varlığının kapsamını önemli ölçüde daraltmayı başardı. 100’den fazla üyesi bulunan AEC, parçacık fiziği alanında önde gelen uluslararası araştırma kuruluşlarından biridir. Bern liderliğindeki ekibin bulguları yakın zamanda saygın bir dergide yayınlandı. Fiziksel İnceleme Mektupları.
Karanlık maddeyi çevreleyen gizem
Ph.D. AEC’de öğrenci ve çalışmanın baş yazarı. Ancak kesin olan şey, yıldızları, Dünya gezegenini veya biz insanları oluşturan aynı parçacıklardan yapılmadığıdır. Dünya çapında, olası karanlık madde parçacıklarını araştırmak için giderek daha hassas deneyler ve yöntemler kullanılıyor – ancak şimdiye kadar başarılı olamadı.
Ivo Schulthess, Ph.D. Bern Üniversitesi Albert Einstein Temel Fizik Merkezi’nde (AEC) öğrenci. Kredi bilgileri: I. Schulthess
Axion olarak bilinen bazı varsayımsal temel parçacıklar, karanlık madde parçacıkları için umut verici bir olası aday kategorisidir. Bu son derece hafif parçacıkların önemli bir avantajı, parçacık fiziğindeki henüz anlaşılmamış diğer önemli olguları eş zamanlı olarak açıklayabilmeleridir.
Bern deneyi karanlığa ışık tutuyor
AEC’de Düşük Enerji ve Hassas Fizik Profesörü Florian Piegsa, “Uzun yıllara dayanan uzmanlık sayesinde, ekibimiz son derece hassas bir ölçüm cihazı olan Işın Erozyon deneyi tasarlamayı ve inşa etmeyi başardı” diye açıklıyor. ERC, nötronlarla yaptığı araştırma için 2016’da Avrupa Araştırma Konseyi’nden Hibeler Başlatıyor. Eğer anlaşılması zor aksiyonlar gerçekten varsa, ölçüm aparatında karakteristik bir imza bırakmalıdırlar.
Schulthess, “Deneyimiz, elektrik ve manyetik alanların üst üste gelmesiyle hareket eden nötron dönüşlerinin dönme frekansını belirlememizi sağlıyor” diye açıklıyor. Her bir nötronun dönüşü, bir kol saatinin saniye ibresine benzer şekilde, ancak yaklaşık 400.000 kat daha hızlı bir manyetik alan nedeniyle dönen bir tür pusula iğnesi görevi görür. Piegsa, “Bu dönme frekansını hassas bir şekilde ölçtük ve eksenlerle etkileşimlerin neden olabileceği en küçük periyodik dalgalanmalar için inceledik” diye açıklıyor. Deneyin sonuçları açıktı: “Nötronların dönüş frekansı değişmeden kaldı, bu da ölçümlerimizde eksenlere dair hiçbir kanıt olmadığı anlamına geliyor” diyor Piegsa.
Parametre alanı başarıyla daraltıldı
Laue-Langevin Enstitüsündeki Avrupa Araştırma Nötron Kaynağında Fransa’dan araştırmacılarla gerçekleştirilen ölçümler, eksenlerin daha önce tamamen keşfedilmemiş bir parametre uzayının deneysel olarak dışlanmasına izin verdi. Daha önce diğer deneylerde mümkün olandan 1000 kat daha ağır olan varsayımsal eksenleri aramanın da mümkün olduğu kanıtlandı.
Schulthess, “Bu parçacıkların varlığı gizemli kalsa da, karanlık maddenin önemli bir parametre uzayını başarılı bir şekilde dışladık,” diye bitiriyor Schulthess. Gelecekteki deneyler artık bu çalışmanın üzerine inşa edilebilir. Piegsa, “Sonunda karanlık madde sorusunu yanıtlamak, bize doğanın temelleri hakkında önemli bir fikir verecek ve evreni tam olarak anlamaya büyük bir adım daha yaklaştıracak” diye açıklıyor.
Referans: Ivo Schulthess, Estelle Chanel, Anastasio Fratangelo, Alexander Gottstein, Andreas Gsponer, Zachary Hodge, Ciro Pistillo, Dieter Ries, Torsten Soldner, Jacob Thorne ve Florian M. Piegsa, “Soğuk Nötronları Kullanan Axionlike Dark Matter Üzerine Yeni Sınır”, 4 Kasım 2022, Fiziksel İnceleme Mektupları.
DOI: 10.1103/PhysRevLett.129.191801
Araştırma, Avrupa Araştırma Konseyi ve İsviçre Ulusal Bilim Vakfı tarafından finanse edildi.