Karanlık maddedeki araştırmalar, tasarlanan yeni deneysel tekniklerle, ileri teknolojiden ve disiplinler arası işbirliğinden yararlanarak kozmosun bu yakalanması zor bileşeninin sırlarını ortaya çıkarmak için ilerliyor.

Evrene musallat olan bir hayaletin olduğunu biliyoruz. Bu görünmezlik, astronomi ve kozmolojide onlarca yıldır bilinmektedir. Gözlemler evrendeki tüm maddelerin yaklaşık % 85’inin gizemli ve görünmez olduğunu göstermektedir.

Bu iki nitelik ismine de yansımaktadır: Karanlık madde. Çeşitli deneyler bunun neden yapıldığını ortaya çıkarmayı amaçladı, ancak onlarca yıllık araştırmalara rağmen bilim insanları bir sonuca varamadı.

Şimdi Yale Üniversitesi’nde yapım aşamasında olan bir deney yeni bir taktik öne sürüyor. Karanlık madde, zamanın başlangıcından beri evrenin etrafındaydı.

Karanlık madde görünmüyorsa onu nasıl belirliye biliriz?

Yıldızları ve galaksileri bir araya getiriyordu. Görünmez ve incelikli olduğundan ışıkla ya da herhangi bir maddeyle etkileşime girmiyor gibi görünüyordu. Dolayısıyla  aslında tamamen yeni bir şey olmalıydı.

Parçacık fiziğinin standart modeli eksiktir ve bu bir sorundur. Yeni temel parçacıklar aranmalıdır. Şaşırtıcı bir şekilde, standart modeldeki aynı kusurlar, bunların nerede saklanabileceği konusunda değerli ipuçları verir.

Nötron Sorunu

Örneğin nötronu ele alalım. Protonla birlikte atom çekirdeğini oluşturur. Genel olarak nötr olmasına rağmen teori, onun kuark adı verilen üç yüklü temel parçacıktan oluştuğunu belirtir.

Bu nedenle, nötronun bazı kısımlarının pozitif, diğerlerinin ise negatif olarak yüklenmesi beklenir; bu, fizikçilerin elektrik dipol momenti dediği şeye sahip olduğu anlamına gelir.

Ancak bunu ölçmeye yönelik bir çok girişim aynı sonuca ulaşmıştır: O da tespit edilemeyecek kadar küçük olduğudur. Başka bir hayalettir bu.

Araçsal yetersizliklerden değil, on milyarda birden daha küçük olması gereken bir parametredir konu. O kadar küçüktür ki tamamen sıfır olabilir mi diye merak edilir.

Ancak fizikte matematiksel sıfır her zaman güçlü bir ifadedir. 70’lerin sonlarında parçacık fizikçileri Roberto Peccei ve Helen Quinn ve daha sonra Frank Wilczek ve Steven Weinberg teori ve kanıtları bir araya getirmeye çalıştılar.

Parametrenin belki de sıfır olmadığını öne sürdüler. Aksine, Büyük Patlamadan sonra yavaş yavaş yükünü kaybeden, sıfıra evrilen dinamik bir niceliktir bu.

Teorik hesaplamalar, eğer böyle bir olay meydana geldiyse, arkasında çok sayıda hafif, sinsi parçacık bırakmış olması gerektiğini gösterir.

Bunlara “aksiyon” adı verildi çünkü nötron sorununu ortadan kaldırabiliyorlardı. Eğer bunlar erken evrende yaratıldıysa, o zamandan beri ortalıkta dolaşıyorlardı.

Aksiyonlar fizikteki büyük sorunu çözebilecek mi?

En önemlisi, özellikleri karanlık madde için beklenen tüm koşulları karşılıyordu. Bu nedenlerden dolayı aksiyonlar karanlık madde için favori aday parçacıklardan biri haline geldi.

Aksiyon’lar diğer parçacıklarla yalnızca zayıf bir şekilde etkileşime girerler. Ancak bu, yine de kısmen etkileşime girecekleri anlamına gelir.

Görünmez aksiyonlar, ironik bir şekilde, ışığın özü olan fotonlar da dahil olmak üzere sıradan parçacıklara bile dönüşebilir. Bu durum, manyetik alanın varlığı gibi belirli durumlarda gerçekleşebilir. Bu deneysel fizikçiler için bir nimettir.

Deneysel tasarım

Bir çok deney, bir laboratuvarın kontrollü ortamında aksiyon hayaletini uyandırmaya çalışıyor. Bazıları, örneğin ışığı aksiyonlara dönüştürmeyi ve duvarın diğer tarafındaki aksiyonları tekrar ışığa dönüştürmeyi amaçlıyor.

Şu anda en hassas yaklaşım, haloskop adı verilen bir cihazla galaksiye ve dolayısıyla Dünya’ya nüfuz eden karanlık madde halesini hedef alıyor.

Güçlü bir manyetik alana batırılmış iletken bir boşluk, ilki bizi çevreleyen karanlık maddeyi yakalar bunun aksiyonlar olduğunu varsayarak, ikincisi ise ışığa dönüşümü tetikler.

Sonuç, boşluğun içinde beliren, aksiyon kütlesine bağlı olarak karakteristik bir frekansta salınan bir elektromanyetik sinyaldir.  Sistem alıcı bir radyo gibi çalışır. İlgilendiğimiz frekansı yakalayacak şekilde uygun şekilde ayarlanması gerekir.

Pratik olarak boşluğun boyutları, farklı karakteristik frekanslara uyum sağlayacak şekilde değiştirilir. Aksiyonun ve boşluğun frekansları eşleşmiyorsa, bu tıpkı bir radyonun yanlış kanala ayarlanması gibidir.

Güçlü mıknatıs Yale’deki laboratuvara taşınırken.

Maalesef aranılan kanalı önceden tahmin etmek mümkün değildir. Tüm potansiyel frekansları taramaktan başka seçenek yoktur.

Bu, frekans düğmesini her çevirdiğimizde daha büyük veya daha küçük olması gereken eski bir radyoyla gürültü denizinde bir radyo istasyonu seçmek gibidir.

Ancak zorluklar yalnızca bunlarla kalmaz. Kozmoloji, aksiyon araştırmasında en son ve umut verici sınır olarak onlarca gigahertze işaret etmektedir.

Daha yüksek frekanslar daha küçük boşluklar gerektirdiğinden, bu bölgeyi keşfetmek, anlamlı miktarda sinyal yakalamak için çok küçük boşluklar gerektirecektir. Yeni deneyler alternatif yollar bulmaya çalışıyor.

Karanlık madde halelerinin süper bilgisayar simülasyonuyla yüksek çözünürlüklü görünümü.

Aksiyon Boyuna Plazma Haloskop (ALFA) deneyi meta malzemelere dayalı yeni bir boşluk konseptini kullanıyor. Meta malzemeler, bileşenlerinden farklı küresel özelliklere sahip kompozit malzemelerdir; parçalarının toplamından daha fazlasıdır.

İletken çubuklarla dolu bir boşluk, hacmini neredeyse hiç değiştirmeden sanki bir milyon kat daha küçükmüş gibi karakteristik bir frekans alır. Ayrıca çubuklar yerleşik, kolay ayarlanabilen bir ayar sistemi sağlar.

Şu anda birkaç yıl içinde veri almaya hazır hale gelecek kurulum yapılıyor. Teknoloji umut vericidir. Gelişimi, katı hal fizikçileri, elektrik mühendisleri, parçacık fizikçileri ve hatta matematikçiler arasındaki işbirliğinin sonucudur.

Bu kadar yakalanması zor olmasına rağmen, aksiyonlar hiçbir hayaletin asla geri alamayacağı ilerlemeyi körüklüyorlar.