Yeni araştırma, karanlık maddeyi taramak için koaksiyel ‘çanak’ anteni kullanıyor

Modern bilimin en büyük gizemlerinden biri karanlık maddedir. Karanlık maddenin evrendeki diğer nesneler üzerindeki etkileri sayesinde var olduğunu biliyoruz, ancak onu hiçbir zaman doğrudan göremedik. Ve bu hiç de önemsiz bir şey değil; şu anda bilim insanları bunun evrendeki tüm kütlenin yaklaşık %85’ini oluşturduğunu düşünüyor.

Chicago Üniversitesi ve Fermi Ulusal Hızlandırıcı Laboratuvarı tarafından yürütülen ve Axion Detection için Geniş Bant Reflektör Deneyi veya BREAD olarak bilinen yeni bir deney, ilk sonuçlar yayınlanan bir çalışmada karanlık madde arayışında Fiziksel İnceleme Mektupları. Karanlık maddeyi bulamasalar da, onun olabileceği yerle ilgili kısıtlamaları daralttılar ve nispeten az yer ve maliyetle gizemli maddenin arayışını hızlandırabilecek benzersiz bir yaklaşım sergilediler.

UChicago Doç. Dr., “Şu ana kadar yapabildiklerimiz konusunda çok heyecanlıyız” dedi. Deneyin konseptini ilk geliştiren Fermilab’dan Andrew Sonnenschein ile birlikte deneyin eş lideri Prof. David Miller. “Bu tasarımın pek çok pratik avantajı var ve biz zaten bu 11-12 gigahertz frekansında bugüne kadarki en iyi hassasiyeti gösterdik.”

Dedektörün yapımına ve çalışmasına öncülük eden Fermilab doktora sonrası araştırmacısı ve çalışmanın başyazarı Stefan Knirck, “Bu sonuç, konseptimiz için bir dönüm noktasıdır ve yaklaşımımızın gücünü ilk kez ortaya koymaktadır” dedi. “Küçük bir ekibin deneyi oluşturmaktan veri analizine kadar her şeyi yapabileceği, ancak yine de modern parçacık fiziği üzerinde büyük bir etkiye sahip olduğu bu tür yaratıcı masa üstü ölçekli bilimi yapmak harika.”

‘Orada bir şey var’

Evrenin etrafına baktığımızda, bir çeşit maddenin yıldızları, galaksileri ve ışığı geçirmeye yetecek kadar yer çekimi uyguladığını görebiliriz, ancak şimdiye kadar hiçbir teleskop veya cihaz bu kaynağı doğrudan tespit edememiştir; dolayısıyla “karanlık madde” adı verilmiştir.

Ancak şimdiye kadar hiç kimse karanlık maddeyi görmediğinden, onun tam olarak neye benzediğini ve hatta onu tam olarak nerede arayacağımızı bile bilmiyoruz. Miller, “Orada bir şeyin olduğundan oldukça eminiz, ancak bunun alabileceği pek çok biçim var” dedi.

Bilim insanları, bakılacak yerler ve formlar için en olası seçeneklerin birçoğunun haritasını çıkardı. Tipik olarak yaklaşım, belirli bir alanı (bu durumda frekans kümesini) elemek amacıyla çok ayrıntılı bir şekilde araştıracak dedektörler oluşturmak olmuştur.

Ancak bilim adamlarından oluşan bir ekip farklı bir yaklaşım araştırdı. Tasarımları “geniş bant”tır; bu, biraz daha az hassasiyetle de olsa daha geniş olasılık kümesini araştırabileceği anlamına gelir.

Miller, “Eğer bunu bir radyo gibi düşünürseniz, karanlık madde arayışı, belirli bir radyo istasyonunu aramak için kadranı ayarlamaya benzer, ancak kontrol edilecek bir milyon frekans vardır” dedi. “Bizim yöntemimiz, birkaç taneyi iyice taramak yerine 100.000 radyo istasyonunu taramaya benziyor.”

Kavramın bir kanıtı

EKMEK dedektörü belirli bir olasılık alt kümesini arar. Doğru koşullar altında görünür bir fotona dönüştürülebilen, son derece küçük kütleli parçacıklar olan, “eksen” veya “karanlık fotonlar” olarak bilinen parçacıklar biçimindeki karanlık maddeyi aramak üzere inşa edilmiştir.

Dolayısıyla EKMEK, potansiyel fotonları yakalayıp bir ucundaki sensöre ileten kavisli bir yüzey içeren metal bir tüpten oluşur. Her şey kollarınızın sığabileceği kadar küçük; bu da bu tür deneyler için alışılmadık bir durum. Tam ölçekli versiyonda BREAD, güçlü bir manyetik alan oluşturmak için bir mıknatısın içine yerleştirilecek ve bu da karanlık madde parçacıklarının fotonlara dönüştürülme şansını artıracak.

Ancak prensip kanıtı olarak ekip, deneyi mıknatıslar olmadan gerçekleştirdi. İşbirliği, prototip cihazı UChicago’da yaklaşık bir ay boyunca çalıştırdı ve verileri analiz etti.

Bilim adamları, seçilen frekansta çok yüksek hassasiyet gösteren sonuçların oldukça umut verici olduğunu söyledi.

Sonuçlar yayınlandığından beri Fiziksel İnceleme Mektupları Kabul edildi, BREAD, Argonne Ulusal Laboratuvarı’nda yeniden tasarlanmış bir MRI mıknatısının içine taşındı ve daha fazla veri alıyor. Fermi Ulusal Hızlandırıcı Laboratuvarı’ndaki nihai evi daha da güçlü bir mıknatıs kullanacak.

Sonnenschein, “Bu, planladığımız bir dizi heyecan verici deneyin sadece ilk adımı” dedi. “Axion aramamızın hassasiyetini artırmak için birçok fikrimiz var.”

Miller, “Bilimde hala pek çok açık soru var ve bu soruların üstesinden gelmeye yönelik yaratıcı yeni fikirler için muazzam bir alan var” dedi. “Bunun, bu tür yaratıcı fikirlerin gerçekten ayırt edici bir örneği olduğunu düşünüyorum; bu durumda, üniversitelerdeki küçük ölçekli bilim ile ulusal laboratuvarlardaki daha büyük ölçekli bilim arasındaki etkili, işbirlikçi ortaklıklar.”

BREAD cihazı, laboratuvarın dedektör Ar-Ge programının bir parçası olarak Fermilab’da üretildi ve daha sonra bu çalışma için verilerin toplandığı UChicago’da çalıştırıldı. UChicago doktora öğrencisi Gabe Hoshino, lisans öğrencileri Alex Lapuente ve Mira Littmann ile birlikte dedektörün çalışmasına liderlik etti.

Argonne Ulusal Laboratuvarı, EKMEK fizik programının bir sonraki aşaması için kullanılacak bir mıknatıs tesisine sahiptir. SLAC Ulusal Hızlandırıcı Laboratuvarı, Lawrence Livermore Ulusal Laboratuvarı, Illinois Teknoloji Enstitüsü, MIT, Jet Propulsion Laboratuvarı, Washington Üniversitesi, Caltech ve Urbana-Champaign’deki Illinois Üniversitesi gibi diğer kurumlar, UChicago ve Fermilab ile birlikte çalışıyor. Deneyin gelecekteki versiyonları için Ar-Ge.