ABD’nin Güney Dakota eyaletindeki eski bir altın madeninin yaklaşık 1,6 kilometre altında bulunan son derece hassas bir cihaz, bilim insanlarının şu ana kadar kolaylıkla açıklayamadığı tek bir parçacık etkileşimi kaydetti.
Bu olay, karanlık maddenin doğrudan gözlemlenen ilk izi olabilir ancak keşfin ilan edilmesi için yeterli değil.
Sinyal, “LZ” olarak bilinen LUX-ZEPLIN deneyinden geldi. Deney, karanlık maddeyi açıklama konusunda öne çıkan adaylardan biri olan ve “zayıf etkileşimli büyük kütleli parçacıklar” adı verilen varsayımsal parçacıkları araştırıyor.
Karanlık madde ışık yaymadığı ve ışığı soğurmadığı için teleskoplarla görülemiyor. Ancak bilim insanları, yıldızlar ve galaksilerin hareketleri üzerindeki kütle çekimsel etkilerinden yola çıkarak onun varlığını tespit ediyor.
Karanlık maddenin evrendeki maddenin yaklaşık yüzde 85’ini oluşturduğu düşünülüyor. Buna rağmen şimdiye kadar hiçbir laboratuvar karanlık maddenin yapısını belirleyemedi veya onu doğrudan gözlemleyemedi.
Ksenondan yapılmış bir tuzak
LZ dedektörünün merkezinde 7 tonluk son derece saf ve aktif sıvı ksenon bulunuyor. Sistemde toplam yaklaşık 10 ton ksenon yer alıyor.
Cihaz, kozmik ışınları ve bilinmeyen bir parçacığın çarpışmasına benzeyebilecek olağan sinyalleri azaltmak amacıyla yer altına kuruldu.
Bir parçacık, ksenon atomunun çekirdeğine çarptığında çekirdek geri teperek ani bir ışık parlaması oluşturuyor. Bunu, serbest kalan elektronların meydana getirdiği ikinci bir ışık sinyali izliyor.
Dedektördeki 494 algılama birimi bu iki sinyali kaydediyor. Böylece araştırmacılar çarpışmanın yerini, parçacığın enerjisini ve etkileşimin niteliğini belirleyebiliyor.
LZ araştırma grubunun yayımladığı bilimsel makaleye göre dedektör, 16 Haziran 2023’te yaklaşık 248 kiloelektronvolt enerjiye sahip bir ksenon çekirdeğinin geri tepmesiyle uyumlu bir olay kaydetti.
Olay, 220 günlük çalışma süresince toplanan ve 2,84 ton-yıllık maruziyete karşılık gelen veriler arasında tespit edildi.
Olayın önemi, enerjinin yükseldiği ancak bilinen parçacıklardan veya radyasyondan kaynaklanan etkileşimlerin çok az görülmesinin beklendiği bir aralıkta meydana gelmesinden kaynaklanıyor.
Araştırma ekibi, verileri in inceledikten sonra olağan arka plan kaynakları arasında sinyali açıklayabilecek güçlü bir neden bulamadığını açıkladı.
Keşif neden ilan edilmedi?
Sinyalin kü küres küresel küresel ist küresel istatistiksel anlamlılık düzeyi 2,6 sigma olarak hesaplandı. Bu değer, sinyalin bilinen arka plan etkileri sonucunda ortaya çıkmış olma iht olasılığının yaklaşık yüzde 0,5 olduğu anlamına geliyor.
Bu oran düşük görünse de fizikçilerin bir keşif ilan etmek için kullandıkları “5 sigma” ölçütüne ulaşmıyor. Beş sigma, sonucun tes tesadüfen meydana gelme ihtimalinin son derece düşük olduğunu gösteriyor.
Ayrıca sonuç yalnızca tek bir olaya dayanıyor. Tekil sinyaller, bilinen bir parçacığın nadir bir etkileşiminden, çevredeki radyasyondan veya cihazın içinde henüz tam olarak anlaşılamamış bir olaydan kaynaklanabilir.
Olay, dedektörü kalibre etmekte kullanılan bir radyasyon kaynağının kaldırılmasından 25 dakika sonra kaydedildi. Ancak araştırmacılar söz konusu kaynağın cihazın karşı tarafında bulunduğunu belirtti.
Cihazın çalışma koşulları ve kalibrasyon verilerinin incelenmesi sonucunda sinyali açıklayabilecek herhangi bir arıza veya olağan dışı olay kümesine rastlanmadı.
Eğer olayın arkasında karanlık madde bulunuyorsa hesaplamalar, buna neden olan parçacığın kütlesinin protonun kütlesinden 200 kattan daha fazla olabileceğini gösteriyor.
Ayrıca bu parçacığın sıradan maddeyle etkileşime girme biçiminin, daha önce test edilen basit modellerden daha karmaşık olabileceği değerlendiriliyor.
LZ dedektörü veri toplamayı sürdürüyor. Aynı özelliklere sahip başka olayların ortaya çıkması hâlinde kanıtların gücü artacak. Ancak sinyalin tek bir olay olarak kalması durumunda, veri miktarı büyüdükçe öneminin azalması mümkün.
Bu nedenle Berkeley Laboratuvarları sonucu, karanlık maddenin keşfi olarak değil, deneyin şimdiye kadar kaydettiği en güçlü işaret olarak tanımlıyor.