Deney, karanlık madde arayışında yeni bir rekor kırdı

Evrenimizdeki kütlenin çoğunu oluşturan görünmez madde olan karanlık maddenin doğasını anlamak, fizikteki en büyük bulmacalardan biridir. Dünyanın en hassas karanlık madde dedektörü LUX-ZEPLIN’den (LZ) elde edilen yeni sonuçlar, önde gelen karanlık madde adaylarından biri olan zayıf etkileşimli büyük parçacıklar veya WIMP’ler için olasılıkları daralttı.

Enerji Bakanlığı’nın Lawrence Berkeley Ulusal Laboratuvarı (Berkeley Lab) liderliğindeki LZ, Güney Dakota’daki Sanford Yeraltı Araştırma Tesisi’nde yerin yaklaşık bir mil altındaki bir mağarada karanlık maddeyi araştırıyor. Deneyin yeni sonuçları, daha önce araştırılanlardan daha zayıf karanlık madde etkileşimlerini araştırıyor ve WIMP’lerin ne olabileceğini daha da sınırlandırıyor.

“Bunlar karanlık madde ve WIMP’ler üzerinde önemli bir farkla yeni dünya lideri kısıtlamalar,” dedi LZ sözcüsü ve University College London’da (UCL) profesör olan Chamkaur Ghag. Dedektör ve analiz tekniklerinin iş birliğinin beklediğinden bile daha iyi performans gösterdiğini belirtti.

“WIMP’ler aradığımız bölgede olsaydı, onlar hakkında sağlam bir şeyler söyleyebilirdik. Daha düşük enerjileri ararken ve bu deneyin ömrünün büyük kısmını biriktirirken, orada olup olmadıklarını görmek için hassasiyete ve araçlara sahip olduğumuzu biliyoruz.”

İşbirliği, 9 gigaelektronvolt/c’nin üzerindeki bir kütleye sahip WIMP’lere dair bir kanıt bulamadı² (GeV/c²). (Karşılaştırma için, bir protonun kütlesi 1 GeV/c’den biraz daha azdır².) Deneyin zayıf etkileşimlere olan duyarlılığı, araştırmacıların verilere uymayan potansiyel WIMP karanlık madde modellerini reddetmelerine yardımcı oluyor ve WIMP’lerin saklanabileceği çok daha az yer bırakıyor.

Yeni sonuçlar 26 Ağustos’ta iki fizik konferansında sunuldu: TeV Parçacık Astrofiziği 2024 Chicago, Illinois’de ve LİDİN 2024 Brezilya’nın São Paulo kentinde. Önümüzdeki haftalarda bir makale yayınlanacak.

Sonuçlar 280 günlük veriyi analiz ediyor: Mart 2023 ile Nisan 2024 arasında toplanan 220 günlük yeni bir set, LZ’nin ilk çalışmasından 60 önceki günle birleştirildi. Deney, 2028’de sona ermeden önce 1.000 günlük veri toplamayı planlıyor.

“Karanlık madde arayışını gömülü hazine aramak gibi düşünürseniz, geçmişte başka hiç kimsenin kazmadığı kadar derin kazdık,” diyor LZ’nin yardımcı fizik koordinatörü ve Austin’deki Teksas Üniversitesi’nde profesör olan Scott Kravitz. “Bu, bir milyon kürekle yapabileceğiniz bir şey değil; yeni bir araç icat ederek yapabilirsiniz.”

LZ’nin hassasiyeti, dedektörün arka planları, karanlık madde etkileşimini taklit edebilen veya gizleyebilen yanlış sinyalleri azaltabileceği sayısız yoldan gelir. Derin yeraltında, dedektör uzaydan gelen kozmik ışınlardan korunur.

Günlük nesnelerden gelen doğal radyasyonu azaltmak için LZ, binlerce ultra temiz, düşük radyasyonlu parçadan inşa edildi. Dedektör, her katmanın ya dış radyasyonu engellediği ya da karanlık madde taklitlerini ortadan kaldırmak için parçacık etkileşimlerini izlediği bir soğan gibi inşa edildi. Ve sofistike yeni analiz teknikleri, özellikle en yaygın suçlu olan radondan kaynaklanan arka plan etkileşimlerini ortadan kaldırmaya yardımcı oluyor.

Bu sonuç aynı zamanda LZ’nin “tuzlama” tekniğini uyguladığı ilk zamandır; bu teknik veri toplama sırasında sahte WIMP sinyalleri ekler. Araştırmacılar gerçek verileri en son “tuzsuzlaştırma” işlemine kadar kamufle ederek bilinçsiz önyargılardan kaçınabilir ve analizlerini aşırı yorumlamaktan veya değiştirmekten kaçınabilirler.

“Daha önce insanların karanlık madde aramadığı bir rejimin sınırlarını zorluyoruz,” diyor LZ fizik koordinatörü ve Berkeley Lab’da yakın zamanda Chamberlain Üyesi olan ve şu anda Michigan Üniversitesi’nde yardımcı doçent olan Scott Haselschwardt. “Verilerdeki kalıpları görme isteği insanda var, bu yüzden bu yeni rejime girdiğinizde hiçbir önyargının olmaması gerçekten önemli. Bir keşif yaparsanız, bunu doğru yapmak istersiniz.”

Karanlık madde, ışığı yaymadığı, yansıtmadığı veya emmediği için bu şekilde adlandırılmıştır ve evrendeki kütlenin %85’ini oluşturduğu tahmin edilmektedir ancak doğrudan tespit edilememiştir, ancak birçok astronomik gözlemde parmak izlerini bırakmıştır. Evrenin bu gizemli ancak temel parçası olmadan var olamazdık; karanlık maddenin kütlesi, galaksilerin oluşmasına ve bir arada kalmasına yardımcı olan kütle çekimine katkıda bulunur.

LZ, karanlık madde parçacıklarının potansiyel olarak çarpabileceği yoğun, şeffaf bir malzeme sağlamak için 10 ton sıvı ksenon kullanır. Umut, bir WIMP’in bir ksenon çekirdeğine çarparak onu hareket ettirmesidir, tıpkı bilardo oyununda bir bilardo topunun vuruşu gibi. LZ, etkileşimler sırasında yayılan ışığı ve elektronları toplayarak diğer verilerle birlikte potansiyel WIMP sinyallerini yakalar.

“WIMP arama makinesi olarak ne kadar güçlü olduğumuzu gösterdik ve çalışmaya devam edip daha da iyi olacağız; ancak bu dedektörle yapabileceğimiz başka birçok şey var,” diyor UCL’de yardımcı doçent ve WIMP arama çalışmalarının lideri Amy Cottle.

“Bir sonraki aşama, bu verileri kullanarak diğer ilginç ve nadir fizik süreçlerine bakmaktır, örneğin ksenon atomlarının nadir bozunmaları, nötrinosuz çift beta bozunması, güneşten gelen boron-8 nötrinoları ve Standart Modelin ötesindeki diğer fizik. Ve bu, son 20 yılın en ilginç ve daha önce erişilemeyen karanlık madde modellerinden bazılarını araştırmaya ek olarak.”

LZ, ABD, Birleşik Krallık, Portekiz, İsviçre, Güney Kore ve Avustralya’daki 38 kurumdan yaklaşık 250 bilim insanının bir araya gelmesiyle oluşan bir işbirliğidir; rekor kıran deneyin inşası, işletilmesi ve analiziyle ilgili işlerin çoğu kariyerinin başındaki araştırmacılar tarafından yapılmaktadır.

İş birliği, bir sonraki veri setini analiz etmeyi ve daha düşük kütleli karanlık maddeyi aramak için yeni analiz hileleri kullanmayı şimdiden dört gözle bekliyor. Bilim insanları ayrıca LZ’yi daha da iyileştirmek için olası yükseltmeleri düşünüyor ve XLZD adlı yeni nesil bir karanlık madde dedektörü planlıyor.

Kravitz, “Karanlık maddeyi arama yeteneğimiz Moore Yasası’ndan daha hızlı bir oranda gelişiyor,” dedi. “Üstel bir eğriye bakarsanız, şimdiye kadar olan her şey hiçbir şeydir. Sırada ne olduğunu görene kadar bekleyin.”