Michigan Üniversitesi’nden bir araştırma ekibi, dedektörlerin nötrinolara ve muhtemelen karanlık maddeye karşı duyarlılığını önemli ölçüde artırabilecek bir deney gerçekleştirdi. Physical Review D’de yayınlanan çalışmanın sonuçları, deney düzeneğinin ince ayarının, bir nötron ışınına maruz bırakıldığında nükleer geri tepmenin daha doğru bir şekilde ölçülmesine olanak sağladığını ve bunun da dedektörlerin uygun şekilde kalibre edilmesini sağladığını göstermektedir.
Nötrinolar ve karanlık madde, parçacık fiziğini ve deneysel kozmolojiyi anlamak için büyük önem taşıyan, ölçülmesi zor iki madde biçimidir. Nötrinolar, zayıf nükleer kuvvetler aracılığıyla diğer maddelerle yalnızca ara sıra etkileşime giren küçük atom altı parçacıklardır. Karanlık madde ise görünür madde üzerinde çekimsel bir etki yaratır ancak ışığı absorbe etmez, yansıtmaz veya yaymaz.
Nötrinoları ve karanlık maddeyi tespit etmek için, atomik titreşimlerden kaynaklanan sinyal gürültüsünü en aza indirgemek için 77 Kelvin’e soğutulmuş yüksek saflıkta germanyum (HPGe) dedektörleri kullanılır. Bu dedektörler çarpışma olasılığını artırmak için büyük bir ağır metal çekirdek kullanır. Bu küçük bozuklukları doğru bir şekilde tespit etmek için, dedektörlerin öncelikle nötron ışınından gelen nükleer geri tepmeyi ölçmesi ve anlaması gerekir.
Çalışma, germanyum çekirdeklerinin 254 elektron volt (eV) veya bir keV’nin yaklaşık dörtte biri kadar nükleer geri tepmeye verdiği tepkiyi ölçtü. Aynı enerjide nükleer geri tepmeyi ölçen önceki iki deney, çelişkili iyonizasyon sonuçları verdi. Önceki deneysel farklılıkları uzlaştırmak için araştırmacılar, gelişmiş dijital elektronik kayıt cihazları kullanarak hem HPGe dedektöründen hem de harici bir sodyum iyodür (NaI) sintilasyon dedektöründen gelen ham çıktı verilerini depoladılar.
“Radyasyon, ister Büyük Hadron Çarpıştırıcısında, ister karanlık madde deneylerinde, ister nükleer deneylerde olsun, Evreni gözlemlememizin bir yoludur. Bu radyasyonun madde ile nasıl etkileşime girdiğini anlamak, ölçüm sonuçlarını yorumlama yeteneğimiz üzerinde önemli bir etkiye sahiptir, “dedi Michigan Üniversitesi’nde nükleer mühendislik ve radyolojik bilimler profesörü ve çalışmanın ortak yazarı Igor Jovanoviç.
Ham çıktı verilerinin kullanılması, sinyal işleme yanlılığını ortadan kaldırarak şekillendirme analizini iyileştirdi ve en uygun yöntemi bulmak için aynı verilerin birden fazla algoritma kullanılarak analiz edilmesine olanak sağladı. Sonuçlar, iyonizasyon veriminin önceden tahmin edilenden %50 daha yüksek olduğunu gösterdi; bu da, yüksek saflıktaki germanyum dedektörlerinin karanlık madde veya nötrinoları tespit etme hassasiyetini önemli ölçüde artırdı.
Çalışmanın başyazarı Alexander Kavner, “Sonuçlarımız, nötrinoları tespit etmek için piyasada bulunan dedektör teknolojilerinin hassasiyetini önemli ölçüde artırabilir ve devam eden birkaç nötrino deneyinin sonuçlarını etkileyebilir” dedi.
Deney, Ohio Eyalet Üniversitesi Nükleer Reaktör Laboratuvarı’nda gerçekleştirildi.