Yeryüzünün derinliklerinde, bir karanlık madde dedektörü tarih yazmaya hazır

Yeryüzünün derinliklerinde, bir karanlık madde dedektörü tarih yazmaya hazır

Bu haberi okuduğunuzda şunları öğreneceksiniz:

• Yeni bir karanlık madde dedektörü, evrenin en yakalanması güç parçacığını arama çalışmalarına başlamaya hazır.

• Dedektör, aktif bir nikel madeninin 2075 metre (6.800 fit) derinliğinde yer alıyor ve sıfırın altında, derecenin binde birleri seviyesinde bir sıcaklığa kadar soğutulmuş durumda.

• Maden kuyusu; zayıf etkileşen kütleli parçacıkları (WIMP'leri) bulmak için mükemmel bir ortam sunuyor.

İnsanlığın bilgi birikiminin geleceği, uç noktalarda şekilleniyor. Bilim insanları ve mühendisler; sıcaklıkları Güneş'tekileri fersah fersah aşan füzyon reaktörleri inşa etmek için gece gündüz demeden çalışıyorlar. Öte yandan, karanlık maddeye (evrendeki tüm maddenin yüzde 85'ini oluşturan, henüz tespit edilememiş gizemli maddeye) yönelik bitmek bilmeyen arayışımızda, ortamın soğuması —hem de gerçekten çok soğuması— gerekiyor.

Geçtiğimiz ay; Ontario'nun Sudbury kenti yakınlarındaki aktif bir nikel madeninde yer alan SNOLAB bünyesindeki Süper Kriyojenik Karanlık Madde Arama (SuperCDMS) deneyi, mutlak sıfırın sadece derecenin binde birleri kadar üzerinde bir sıcaklığa —ki bu, uzay boşluğundan yüzlerce kat daha soğuk bir seviyedir— resmen ulaşmış oldu. Bu sıcaklıkta, ısı kaynaklı parçacık hareketleri neredeyse tamamen durur; bu durum da, peşinde olduğunuz parçacık ışığı soğurmayı reddedip maddeyle neredeyse hiç etkileşime girmediğinde, işinizi inanılmaz derecede kolaylaştırır.

Yerin 6.800 fit altında konumlanan SuperCDMS yapısı; ultra saf kurşundan (ki bu malzeme gama radyasyonunu engeller) ve yüksek yoğunluklu polietilenden (ki bu da nötron aktivitesini azaltır) imal edilmiş, 13'e 13 fit boyutlarında silindirik bir muhafazadan oluşuyor. Dedektörün yapımında ayrıca silikon ve germanyum elementleri kullanılmıştır; bu elementlerin (diğer avantajlı özelliklerinin yanı sıra) sahip oldukları asgari düzeydeki radyoaktif arka plan gürültüsü, onları, karanlık maddenin kaynağı olabileceği düşünülen zayıf etkileşen kütleli parçacıkları (WIMP'leri) aramak için mükemmel malzemeler haline getirmektedir.

SuperCDMS deneyinin sözcüsü ve Minnesota Üniversitesi öğretim üyesi Priscilla Cushman, yaptığı basın açıklamasında şunları söyledi: "Hedef sıcaklık seviyesine ulaşmak; hassas kriyojenik katı hal dedektörlerimize ev sahipliği yapabilecek, düşük arka plan gürültüsüne sahip bir tesis inşa etmeye yönelik, yıllara yayılan çalışmalarımızın önemli bir kilometre taşını teşkil ediyor. Bu son derece düşük sıcaklık seviyelerinde, tesisimize yerleştirdiğimiz dedektörler artık, en hafif karanlık madde parçacıklarının gizleniyor olabileceği, parametre uzayının yepyeni bir bölgesini tarama imkânına kavuşmuş durumda." SuperCDMS; 90'ların sonlarına dek uzanan bir dizi kriyojenik karanlık madde arama (CDMS) deneyinin devamı niteliğinde olup, 2011-2015 yılları arasında Minnesota'daki Soudan Yeraltı Madeni'nde gerçekleştirilen SuperCDMS Soudan deneyinin doğrudan bir mirasçısıdır. 2018'den bu yana yapım aşamasında olan ve inşası artık tamamlanmış bulunan SNOLAB'daki SuperCDMS; selefine kıyasla akla gelebilecek hemen her açıdan iyileştirmeler barındırmakta ve yarım proton kütlesi ile beş proton kütlesi arasındaki parçacıkları tespit etmesine olanak tanıyan "dünya lideri hassasiyetlere" sahip olmasıyla öne çıkmaktadır.

Dedektörlerin tasarımına katkıda bulunan SLAC Ulusal Hızlandırıcı Laboratuvarı araştırmacısı Noah Kurinsky, bir başka basın açıklamasında şunları söyledi: "Önceki SuperCDMS Soudan deneyine kıyasla dedektör başına çok daha fazla sensörün yanı sıra, yeni simülasyon araçları ve yapay zeka destekli yeniden yapılandırma teknikleri sayesinde, elde edilecek veriler başlangıçta planladığımızdan çok daha zengin olacak. Her gün yeni bir gün olacak; bu, ilk günden itibaren yepyeni bir bilim."

İşte bu dedektörlerin çalışma prensibi: Eğer bir karanlık madde parçacığı dedektörün içine girerse, atomik kafes içerisindeki bir atoma çarparak o atomun titreşmesine neden olur ve eş zamanlı olarak kristalin kendi bünyesi içinden elektronların geçişini tetikler. SuperCDMS'in; aşırı düşük sıcaklıklar, gama radyasyonuna karşı sağlanan güçlü kalkanlama ve yüksek saflıktaki germanyum-silikon dedektörler sayesinde oluşturulan kusursuz tespit ortamı sayesinde bilim insanları, dedektöre bir WIMP (zayıf etkileşimli kütleli parçacık) girip girmediğini ayırt edebilecekler. Bu sayede, karanlık maddenin ilk doğrudan gözlemi (ve potansiyel olarak, diğer nadir izotopların veya daha önce hiç görülmemiş parçacık etkileşimlerinin keşfi) gerçekleştirilmiş olacak.

SuperCDMS, bu dünyayı değiştirecek nitelikteki bilimsel atılımı (umarız ki) gerçekleştirmek için gereken sıcaklık seviyelerine nihayet ulaşmış olsa da, ekibin dedektör kanallarının kalibrasyonu ve optimizasyonu için hâlâ birkaç aya daha ihtiyacı bulunuyor. Ardından, neredeyse on yıllık bir bekleyişin ardından, artık büyük an gelip çatacak.

Kaynak: PM