Bilim insanları, bir zamanlar imkansız olduğu düşünülen son derece güçlü bir nötrinonun, “karanlık yük” adı verilen bir kavramı içeren egzotik bir kara delik  modeliyle açıklanabileceğini söylüyor.

2023 yılında, şimdiye kadar gözlemlenen herhangi bir parçacıktan daha fazla enerji taşıyan bir nötrino Dünya’ya çarptı. Bu tespit fizikçileri hayrete düşürdü.

Parçacığın enerjisi, dünyanın önde gelen parçacık hızlandırıcısı olan Büyük Hadron Çarpıştırıcısı’nın (LHC) ürettiği en güçlü çarpışmalardan yaklaşık 100.000 kat daha fazla olarak ölçüldü.

Süpernovalar veya süper kütleli kara delikler de dahil olmak üzere bilinen hiçbir astrofiziksel motorun bir parçacığı bu kadar aşırı hızlara ulaştırabileceği düşünülmezdi.

Massachusetts Amherst Üniversitesi’ndeki (UMass Amherst) fizikçiler yakın zamanda, “yarı-aşırı ilkel kara delik” adı verilen özel bir kara delik türünün patlaması durumunda buna benzer bir şeyin olabileceği hipotezini ortaya attılar.

Yeni çalışmada, ekip sadece böylesine olağanüstü bir nötrinonun nasıl oluşabileceğini açıklamakla kalmayan, aynı zamanda bu olayın evren hakkında en temel düzeyde ipuçları sunabileceğini de öne süren bir model sundu.

Kara Delikler ve Hawking Radyasyonu

Çoğu kara delik, dev yıldızların kendi çekim kuvvetleri altında çökmesiyle oluşur. Bu yıldız kalıntıları muazzam, uzun ömürlü ve nispeten kararlıdır.

Ancak, eğer varsa, ilkel kara delikler, Büyük Patlamadan sonraki kaotik ilk anlarda, yoğunluktaki küçük dalgalanmaların maddeyi minyatür kara deliklere sıkıştırmış olabileceği zaman oluşmuş olmalıdır. Yıldızsal kuzenlerinin aksine, ilkel kara delikler çok daha küçük olabilir.

Stephen Hawking’in 1970’lerdeki çığır açan çalışmalarına göre, küçük kara delikler tamamen siyah değildir. Hawking radyasyonu olarak bilinen kuantum süreciyle parçacıklar yayarak yavaşça kütle kaybederler.

Küçüldükçe ısınırlar. Isındıkça daha hızlı radyasyon yayarlar. Sonunda, bu geri besleme döngüsü güçlü bir parçacık patlamasıyla sonuçlanabilir.

UMass Amherst’ten Andrea Thamm, “Bir kara delik ne kadar hafifse, o kadar sıcak olmalı ve o kadar da çok parçacık yaymalıdır.” 

“Kara delikler buharlaştıkça, giderek daha hafif ve dolayısıyla daha sıcak hale gelirler ve patlamaya kadar kontrolden çıkmış bir süreçte daha da fazla radyasyon yayarlar. Teleskoplarımızın tespit edebildiği şey işte bu Hawking radyasyonudur” diyor.

Kozmik Parçacık Katalogları Olarak Patlamalar

Böyle bir patlamanın tespit edilmesi bilimsel açıdan dönüştürücü olurdu. Elektronlar, kuarklar ve Higgs bozonları gibi iyi bilinen parçacıkların dökümlü listesi oluşurdu.

Ayrıca, karanlık maddeyi oluşturduğu düşünülen varsayımsal parçacıklar ve muhtemelen daha önce hiç gözlemlenmemiş tamamen yeni parçacıklar da dahil olmak üzere temel parçacıkların tam bir envanteri ortaya çıkabilirdi.

UMass Amherst grubunun daha önceki çalışmaları, bu patlayıcı olayların on yılda bir kadar sık ​​meydana gelebileceğini öne sürüyor. Dikkatli bir izleme ile mevcut gözlemevleri bunları potansiyel olarak yakalayabilir.

Şimdiye kadar her şey teorik

Ardından, 2023’te KM3NeT İşbirliği (Akdeniz’de nötrino detektörlerinden oluşan bir ağ) deneyi, imkansız görünen o nötrinoyu yakaladı; bu da UMass Amherst ekibinin yakında görebileceğimizi varsaydığı türden bir kanıttı.

Bu sanatçının konsepti, küçük ilkel kara delikleri hayal etmeye yönelik hayal gücüne dayalı bir yaklaşım sergiliyor. Gerçekte, bu kadar küçük kara deliklerin burada görünür olmalarını sağlayan yığılma disklerini oluşturmaları oldukça zor olurdu. 

Ancak bir sorun vardı: IceCube (Antarktika’da inşa edilen bir nötrino gözlemevi) adlı benzer bir deney de yüksek enerjili kozmik nötrinoları yakalamak için kurulmuştu, ama bu olayın kaydını tutmakla kalmadı, gücünün yüzde biri kadarını bile hiçbir zaman ölçmedi.

Evren nispeten ilkel kara deliklerle doluysa ve bunlar sık sık patlıyorsa, yüksek enerjili nötrinolarla yağmur altında kalmamız gerekmez mi? Bu tutarsızlığı ne açıklayabilir?

Karanlık Yük ve Yarı-Aşırı Kara Delikler

UMass Amherst’ten Joaquim Iguaz Juan, “Bizce ‘karanlık yüke’ sahip ilkel kara delikler (biz bunlara yarı-ekstrem ilkel kara delik diyoruz) eksik halkayı oluşturuyor” diyor.

Karanlık yük, bildiğimiz normal elektrik kuvvetinin bir kopyasıdır, ancak ekip tarafından “karanlık elektron” olarak adlandırılan, çok ağır, varsayımsal bir elektron versiyonunu içerir.

UMass Amherst’ten Michael Baker, “Piyasada ilkel kara deliklerin daha basit başka modelleri de var; bizim karanlık yük modelimiz daha karmaşıktır.”

“Bu da gerçekliğin daha doğru bir modelini sağlayabileceği anlamına geliyor. En harika olan şey, modelimizin aksi halde açıklanamayan bu fenomeni açıklayabilmesi” diyor.

Thamm ise, “Karanlık yüke sahip bir ilkel kara delik, benzersiz özelliklere sahiptir ve diğer, daha basit ilkel kara delik modellerinden farklı şekilde davranır. Bunun, görünüşte tutarsız olan tüm deneysel verileri açıklayabileceğini gösterdik” diye ekliyor.

Karanlık Madde İçin Çıkarımlar

Ekip, karanlık yüklü ilkel kara delik modelinin yalnızca nötrinoyu açıklamakla kalmayıp, karanlık madde gizemini de çözebileceğinden emin. Baker, “Galaksilerin ve kozmik mikrodalga arka planının gözlemleri, bir tür karanlık maddenin var olduğunu gösteriyor” diyor.

Iguaz Juan, “Eğer varsayımsal karanlık yükümüz doğruysa, o zaman diğer astrofiziksel gözlemlerle tutarlı olacak ve evrendeki eksik karanlık maddenin tamamını açıklayacak önemli bir ilkel kara delik popülasyonu olabileceğine inanıyoruz” diyor.

Baker ise, “Yüksek enerjili nötrinoyu gözlemlemek inanılmaz bir olaydı. Bize evrene dair yeni bir pencere açtı. Ancak şimdi Hawking radyasyonunu deneysel olarak doğrulamaya, hem ilkel kara delikler hem de Standart Modelin ötesindeki yeni parçacıklar için kanıt elde etmeye ve karanlık maddenin gizemini açıklamaya çok yakın olabiliriz” diyor.