Kozmik ışınlardaki antimadde izleri, karanlık madde olarak ‘WIMP’ arayışını yeniden başlatıyor

Modern kozmolojinin en büyük zorluklarından biri karanlık maddenin doğasını açığa çıkarmaktır. Var olduğunu biliyoruz (evrendeki maddenin %85’inden fazlasını oluşturur), ancak onu hiçbir zaman doğrudan görmedik ve hala ne olduğunu bilmiyoruz.

dergisinde yayınlanan bir çalışma Kozmoloji ve Astropartikül Fiziği Dergisi kozmosta, daha önce hiç gözlemlenmemiş, WIMP (Zayıf Etkileşen Büyük Parçacıklar) adı verilen ve karanlık maddeyi oluşturabilecek yeni bir parçacık sınıfını ortaya çıkarabilecek antimadde izlerini inceledi.

Çalışma, kozmik ışınlardaki “antinükleuslara” ilişkin yakın zamanda yapılan bazı gözlemlerin WIMP’lerin varlığıyla tutarlı olduğunu, ancak aynı zamanda bu parçacıkların önceden düşünülenden daha da garip olabileceğini öne sürüyor.

Madrid’deki Teorik Fizik Enstitüsü’nden fizikçi Pedro De la Torre Luque, “WIMP’ler teorileştirilmiş ancak hiç gözlemlenmemiş parçacıklardır ve karanlık madde için ideal aday olabilirler” diye açıklıyor.

Birkaç yıl önce bilim camiası bir “mucize”yi selamladı. WIMP’ler karanlık maddenin tüm gerekliliklerini karşılıyor gibi görünüyordu ve ne olabilecekleri ve nasıl tespit edilebilecekleri “hayal edildikten” sonra, birkaç yıl içinde onların varlığına dair ilk doğrudan kanıta sahip olacağımız düşünülüyordu.

Aksine, son yıllardaki araştırmalar, kendilerine özgü emisyonlarına dayanarak bu parçacıkların tüm sınıflarının hariç tutulmasına yol açmıştır. Bugün, varlıkları tamamen göz ardı edilmemiş olsa da, olası WIMP türlerinin aralığı, bunları tespit etmeye yönelik metodolojilerle birlikte önemli ölçüde daraldı.

De la Torre Luque, “Önerilen çok sayıda en iyi motivasyona sahip modelden çoğu bugün göz ardı edildi ve bunlardan yalnızca birkaçı hayatta kaldı” diyor.

Ancak yakın zamanda yapılan bir keşif, davayı yeniden açmış gibi görünüyor. De la Torre Luque, “Bunlar AMS-02 deneyinden bazı gözlemler” diye açıklıyor. AMS-02 (Alfa Manyetik Spektrometre), Uluslararası Uzay İstasyonunda kozmik ışınları inceleyen bilimsel bir deneydir. “Proje liderleri, kozmik ışınlarda, özellikle de kimsenin beklemediği antihelyumda antinükleus izleri tespit ettiklerini açıkladılar.”

Bu antinükleilerin WIMP’ler ve karanlık madde için neden önemli olduğunu anlamak için öncelikle antimaddenin ne olduğunu anlamak gerekir.

Antimadde, “normal” madde parçacıklarınınkine zıt elektrik yüküne sahip bir madde biçimidir. Sıradan madde, elektronlar, pozitif yük (protonlar) veya nötr yük gibi negatif elektrik yüküne sahip parçacıklardan oluşur.

Antimadde zıt yüklere sahip “ayna” parçacıklardan oluşur (“pozitif” elektron, pozitron, “negatif” proton vb.). Madde ve antimadde karşılaştığında birbirlerini yok ederler ve güçlü gama radyasyonu yayarlar.

Büyük çoğunluğu normal maddeden oluşan evrende, bazılarınızın geçmiş olabileceği tıbbi görüntüleme muayenesi olan PET için kontrast madde olarak pozitronların kullanıldığı göz önüne alındığında, bazen düşünülebileceğinden daha yakın olan az miktarda antimadde vardır.

Bilim adamları, bu antimaddenin bir kısmının Büyük Patlama sırasında oluştuğuna inanıyor, ancak daha fazlası sürekli olarak belirli olaylar tarafından yaratılıyor, bu da onu gözlemlemeyi çok önemli kılıyor. De la Torre Luque, “Çok az beklediğiniz yıldızlararası ortamda antipartiküllerin üretimini görürseniz, bu alışılmadık bir şeyin olduğu anlamına gelir” diye açıklıyor. “Bu yüzden antihelyumun gözlemi bu kadar heyecan vericiydi.”

AMS-02 tarafından gözlemlenen antihelyum çekirdeklerini üreten şey gerçekten de WIMP’ler olabilir. Teoriye göre, iki WIMP parçacığı karşılaştığında bazı durumlarda yok oluyorlar, yani birbirlerini yok ediyorlar, enerji yayıyorlar ve hem madde hem de antimadde parçacıkları üretiyorlar.

De la Torre Luque ve meslektaşları bazı WIMP modellerini gözlemlerle uyumlu olup olmadıklarını görmek için test ettiler.

Çalışma, antihelyumla ilgili bazı gözlemlerin bilinen astrofiziksel olaylarla açıklanmasının zor olduğunu doğruladı.

De la Torre Luque, “Teorik tahminler, kozmik ışınların yıldızlararası ortamdaki gazla etkileşimler yoluyla antipartiküller üretebilmesine rağmen, antinükleus miktarının, özellikle de antihelyumun son derece düşük olması gerektiğini ileri sürdü.” diye açıklıyor.

“Her birkaç on yılda bir bir antihelyum olayı tespit etmeyi bekliyorduk, ancak AMS-02 tarafından gözlemlenen yaklaşık on antihelyum olayı, standart kozmik ışın etkileşimlerine dayanan tahminlerden çok daha yüksek büyüklüklerdedir. Bu antinükleusların makul bir ipucu olmasının nedeni budur. WIMP’in yok edilmesine.”

Ama daha fazlası da olabilir. AMS-02 tarafından gözlemlenen antihelyum çekirdekleri iki farklı izotoptan (aynı element, ancak çekirdekte değişen sayıda nötron ile), antihelyum-3 ve antihelyum-4’ten oluşur. Özellikle Antihelium-4 çok daha ağır ve aynı zamanda çok daha nadirdir.

Özellikle kozmik ışınları içeren doğal süreçler yoluyla, kütleleri arttıkça daha ağır çekirdeklerin üretilmesi ihtimalinin giderek azaldığını biliyoruz, bu yüzden bu kadar çok sayıda çekirdek görmek bir uyarı işaretidir.

De la Torre Luque şöyle devam ediyor: “En iyimser modellerde bile, WIMP’ler yalnızca tespit edilen antihelyum-3 miktarını açıklayabilir, ancak antihelyum-4’ü açıklayamaz.” diye devam ediyor De la Torre Luque ve bu, evrenden bile daha garip bir parçacığın (veya parçacık sınıfının) hayal edilmesini gerektirir. Şu ana kadar önerilen WIMP’ler ya da teknik jargonda, daha da “egzotik”tir.

Dolayısıyla De la Torre Luque ve meslektaşlarının çalışması WIMP’lere giden yolun henüz kapanmadığını gösteriyor. Artık çok daha kesin gözlemlere ihtiyaç var ve belki de bugüne kadar bilinen parçacıkların standart modeline yeni “egzotik” unsurlarla yeni bir karanlık sektör ekleyerek teorik modeli genişletmemiz veya uyarlamamız gerekebilir.