Kabarcık çemberi fluorid
Kara maddenin görünür evrenin ağırlığının yüzde seksen beşini oluşturduğunu biliyoruz fakat bu bilgi sadece çıkarıma dayanıyor zira kara maddeyi doğrudan gözlemleyecek bir yol henüz keşfedemedik. Bununla birlikte dünya çapında bir çok bilim insanı kara maddenin farklı tiplerini test etmek için metodlar geliştirmeye çalışıyorlar. Bunlardan biri sıradan kabarcıklar kullanmaya dayanıyor.
Fermilab’ın PICO deneyi kara maddenin hipoteze dayalı bir çeşidi olan yoğun parçacıkların zayıf etkileşimlerini tespit etmek için bir kabarcık çemberi kullanıyor. Son edinilen sonuçlar her ne kadar kara maddeyi tam olarak tespit etmekten uzak olsa da, yoğun parçacıkların özellikleriyle ilgili olası en iyi sınırları açığa çıkarıyor.
Özünde, içerisinde kabarcıklar oluşabilecek sıvı dolu cam bir kavanoz ve kavanozun içini gözlemlemek için kullanılan bir kameradan oluşan deneyde kavanoz içerisinde bulunan sıvı (kabarcık çemberi olarak adlandırılıyor) kaynama noktasına yakın sıcaklıklara kadar ısıtılır. Daha sonra, örneğin atom altı bir parçacıkta biriken zayıf bir enerji, sıvının kaynama noktasına erişmesine neden olarak, işlem esnasında kabarcıkların oluşmasını sağlar.
Northwestern Üniversitesi mezunu ve aynı zamanda Fermilab’da gönüllü olarak çalışan PICO’nun son deneyindeki koordinatör Dan Baxter, Pazartesi günü yapmış olduğu bir açıklamada “PICO’yu ilginç kılan şey, diğer kara madde deneylerine oranla kullandığımız dedektör tasarımının oldukça basit olması” dedi.
Kabarcıkların fokurdama sesi
Kanada’da yerin yaklaşık 2 km altında bulunan SNOLAB’a kurulan PICO kabarcık çemberi, görünmesi yıllar alabilecek hassaslıktaki nötral WIMP parçacıklarını bulmak üzere tasarlandı. Eğer var iseler, bu parçacıklar PICO’nun kabarcık çemberindeki sıvı ile ara ara etkileşimde bulunmalıydılar. Ve nihayetinde her yıl belirli sayıda kabarcık oluşturacaklardı.
PICO deneyi üzerinde çalışan bilim insanları kabarcık çemberindeki ısı ve basıncı ayarlayarak dedektörün WIMP’ler haricinde elektron ya da gamma ışınları gibi diğer arka plan faktörlere karşı hassas olmadığından emin olmalıydılar. Aynı zamanda kabarcıkların fokurdama sesini de kullanarak kabarcığa sebep olan parçacıkların doğasını teşhis edeceklerdi.
Fermilab’da fizikçi olarak çalışan Andrew Sonnenschein bir açıklamasında kabarcık fokurdamasına atıfta bulunarak “Bir çeşit cıvıltı şeklinde sesler duyduk. Bu da bize bu cıvıltı sesinin frekans içeriğine ve genliğine bakarak farklı parçacık etkileşimleri arasındaki farkı söyleme fırsatı veriyor” dedi.
Sonuçsuzluktan çıkarılan sonuç
Tüm ince ayarlamalar bittikten sonra PICO deneyi, WIMP’lerin etkileşimlerinden tek bir kabarcık dahi açığa çıkmadığını gösterdi. Tabii bu da araştırmacıların hem WIMP’lerin kütleleri üzerinde, ve hem de bilinen maddeyle etkileşimde bulunan parçacıkların var olma olasılıklarına limit koyma imkanı vermiş oldu. Bu limitleri yerleştirmek, araştırmacıların bu aşamadan sonra hipotez ölçütünde olan parçacığa nereden itibaren bakmaya başlamaları gerektiğine dair olasılıkları daraltmış oluyor.
PICO olası farklı kara madde çeşitlerinden olan ‘dönmeye-bağlı’ WIMP’leri incelemek üzere tasarlandı. Bu parçacıklar çekirdeğin dönüşüne karşı hassas olan parçacıklardır. Bir atomun dönüşü, atomik çekirdeğin asıl özelliğidir. PICO kabarcık çemberi, oldukça büyük nükleer dönmeye sahip olan fluoridin kullanıldığı sıvı bileşenle bu etkenden faydalanıyor. Böylece dönmeye duyarlı WIMP’leri tespit etme imkanı 17 kat arttırılmış oldu.
Fermilab’da fizikçi olan Hugh Lippincott “WIMP’lerin ne olduklarını bilmiyoruz. Fakat kabataslak bir anlatımla şunu söyleyebiliriz: normal bir madde ile WIMP’lerin etkileşimleri iki kategoriye ayrılır. Biri çekirdeğin dönmesine hassasiyet gösterirken diğeri göstermiyor” dedi.
Kara maddenin tespitinde yaşanan zorluk normal madde ile kolay kolay etkileşime geçmemesi. Bu durum bilim adamlarının bu maddeyi tespit etmek için yaratcı yollar bulmasını zorunlu klıyor. Fermilab’ın Tevatron’unda ya da CERn’deki büyük hadron çarpıştırıcılarında kurulan en yeni kara madde dedektörleri son derece etkileyici veriler üretiyorlar, fakat yüksek oranlı işlem gücü gerektiriyorlar.
Bu oldukça basit tasarımlı kabarcık çemberleri 60 yıl önce keşfedildiler ve elektron ve proton gibi yüklü parçacıkların tespitinde kullanıldılar. Farklı yöntemlerle daha büyük miktarda veriler elde edilmeye başlanınca, kullanımdan kaldırıldılar.
