Yeni önerilen bir karanlık madde algılama yöntemiyle, milyar yıllık mineral örneklerine kazınmış karanlık madde izleri aranacak. Karanlık madde, belki de evrende en bol bulunan maddedir ve normal maddeden beş kat daha fazla olduğu tahmin edilmektedir.
Yine de, onu bulmak için düzinelerce girişime ve bazı tahminlerin milyarlarca karanlık madde parçacığının her gün vücudumuzdan doğrudan geçtiğini öne sürmesine rağmen, karanlık madde doğrudan doğruya hiçbir yerde hiçbir şekilde gözlenememiştir.
Bunun neden bilim insanlarının, karanlık maddenin diğer maddelerle yalnızca çok zayıf etkileşime girdiğine inandıklarından kaynaklanmaktadır. Her ay Dünya’da dolaşan çok sayıda karanlık madde parçacığından belki de sadece birinin bir atom çekirdeğiyle çarpıştığı sanılmaktadır.
Bu tür çarpışmalar çok nadir olacağından, bilim insanları, onları yakalamaya çalışmak için çok büyük, kristal diziler veya ksenon gibi saflaştırılmış sıvılardan oluşan dev fıçılara sahip megaton detektörler kullanmaktalar. Bu detektörlerdeki atom çekirdeklerine karışan karanlık madde, normalde görünmez olan ışık parlamalarına, parçacıkların anlık olarak canlı görüntülerine neden olur.
Şimdi araştırmacılar, karanlık maddeyi aramak için boyuta göre zamana dayalı yeni bir yol önermekteler. Karanlık maddenin gelmesini beklemek yerine, Dünya’nın derinliklerinde gömülü minerallerde onun eski belirtilerini keşfetmeyi umuyorlar. Çalışmanın arkasındaki bilim insanları, küçük, milyar yıllık bir mineral örneğinin yeni, bin kiloluk bir detektörden daha iyi çalışabileceğini söylüyorlar.
Stockholm Üniversitesi fizikçilerinden Andrzej Drukier liderliğindeki bir araştırma ekibi paleo detektör dedikleri yeni bir fikir ve araştırma yöntemi geliştirdiler. Drukier’e göre, “Daha büyük ve daha büyük detektör inşa etmenin ille de daha iyi olmadığını düşünüyorum. Yeni bir detektör sınıfına ihtiyacımız var” diyor.
Karanlık madde izinin peşinde
Karanlık madde detektörleriyle, görünmez bir karanlık madde parçacığının bir atom çekirdeğine çarparken neden olduğu serpinti aranır. İster sıvı detektörlerde ister eski bir kayada olsun, bu çarpışmanın sonucunda oluşan enerji transferinin iz bırakması beklenir.
Sıvı detektörlerde bilim insanları, atomlar iyonize olurken ortaya çıkan kısa flaşları ararlar. Kayaç yapılar söz konusu olduğunda, böyle bir çarpışma çekirdeğin fırlamasına neden olacak ve yalnızca onlarca nanometre uzunluğunda, ancak kalıcı olarak taşa kazınmış küçük bir iz bırakacaktır.
Paleo detektör araştırmacıları, bu tür imzaları bulmak için bir milyar yaşında yalnızca 100 gr kadar bir kaya örneğinin gerekeceğini tahmin ediyorlar. Bilim insanları, helyum iyonu ışın mikroskobu ya da küçük açılı X-ışın spektroskopisi gibi yeni teknolojiler kullanarak, oradan geçen karanlık madde parçacıkları hakkında daha fazla bilgi edinmek için bir kayadaki izleri ölçebileceklerini düşünüyorlar.
İz uzunluğu parçacık kütlesine karşılık geleceği için, bilim insanları, karanlık madde parçacıklarının izlerini nötronlar ve nötrinolar gibi diğer parçacıklardan ayırmak ve kütlelerini belirlemek için kullanabilirler. Ancak kozmik ışınlar gibi yüksek enerjili parçacıklar da ayak izleri bırakabileceğinden, bu tür parçacıkların kolayca nüfuz edemediği yeraltı derinlerindeki kayalar kazılıp incelenerek bu yanlıştan kaçınılabilir.
Dünya’nın kendisinden kaynaklanan böyle kirlenmeler daha büyük bir sorun. Yerin derinliklerinde bulunan uranyum kökenli radyoaktif bozunma, benzer şekilde kayalarda izler bırakabilir. Bundan kaçınmanın bir yolunu bulmaya gönül veren bilim insanları, karanlık madde belirleme işinde mükemmel bir tuvali bulmak için aylar süren binlerce mineral üzerinde çalıştılar.
Sonunda, deniz suyundan oluşan ve uranyum içeriği daha az olası olan kaya tuzu gibi deniz buharlaşmaları üzerine yoğunlaştılar. Texas Üniversitesi’nde teorik astrofizikçi olan Freese, “Uranyumdan çok fazla radyoaktif bozulma olmaması için en uygun malzemeleri tanımlamak için çok çalıştık. Bu sorunla başa çıkma konusunda çok dikkatliyiz” diyor.
Bu yeni algılama yöntemi, “zayıf etkileşimli büyük parçacıklar” anlamına gelen WIMP’ler adı verilen popüler bir teorik karanlık madde parçacıkları sınıfı için idealdir. WIMP’ler, hem çekim kuvveti hem de zayıf kuvvet yoluyla sıradan maddeyle etkileşime girecek şekilde teorize edilmişlerdir.
Ancak kütlelerine bağlı olarak, WIMP’lerin sıradan maddelerle etkileşimleri, en büyük ve en hassas parçacık detektörleri için bile çok küçük olabilir. Önerilen paleo detektör, bir protonun kütlesinin yaklaşık yarısından 10 bin katına kadar mevcut detektörlerle ölçülebilecek olandan daha geniş bir WIMP kütlesi aralığını inceleyecektir.
Freese, “Gerçekten büyük bir fark yarattığımız yer daha küçük kütlelerdedir, çünkü mevcut detektörler düşük kütleleri çok iyi yapamaz. Bir paleo detektör WIMP’leri tespit etmezse, bu onları göz ardı etmeyecektir. Şu anda önerilen hiçbir deney onları tamamen ortadan kaldırmaz” diyor.
Paleo detektörlerle yapılan deneyler, geleneksel deneylerden 10 ila 50 kat daha ucuz olabilecek. Paleo detektör grubunun üyeleri, numunelerin en az 5 km yeraltından çıkması gerektiğini ve bu tür numuneleri tedarik edebilecek mevcut bilimsel sondaj deliklerinin 12 km’yi aştığını söylüyorlar. Bununla birlikte, grubun da kabul ettiği gibi, deney uzun bir şans olacaktır. Bir numunenin bir şey gösterip göstermeyeceğini şimdiden kimse bilmiyor.
Bunun ötesinde ayrıca, karanlık maddenin gerçekten WIMP’lerden oluşup oluşmadığını da kimse bilmiyor. Bazı bilim insanları, paleo detektörlerin bile onları kaydedemeyeceği kadar inanılmaz derecede küçük etkileşimleri olan eksen adı verilen aday parçacıklar olarak gördüklerini öne sürüyorlar.
Valencia Üniversitesi’nden paleo detektör çalışmasına dahil olmayan teorik fizikçi Valentina De Romeri, “Bu fikir geleneksel doğrudan tespit yöntemlerinden önemli ölçüde farklıdır. Kutunun dışında düşünmenin önemli olduğuna inanıyorum ve karanlık madde bulmacasını mümkün olan her şekilde çözmeye çalışan fizikçilerin yaratıcılığını kabul etmemiz gerekir” diyor.
Karanlık maddeyi aramak için önerilen yöntemler ne kadar fazlaysa, sonunda bu gizeme ışık tutmamız için şansımız o kadar artar. Şimdilik, paleo detektör fikri kanıtlanmamış bir yaklaşım olmaya devam ediyor. Ancak bu kavramı takip eden bilim insanları, WIMP’lerin gerçekten taşta yazılıp yazılmadığını görmek için deneysel parçacık fiziği ve jeoloji uzmanlarıyla işbirliği yapabileceklerinden umutlular.
