Karanlık ışıma keşfedildi

Manuel Gnida *

2015'te bir grup araştırmacı, son derece güçlü bir elektron demetinin yalnızca bir milimetrenin yarısı kadara mesafeye bir parçacık detektörü yerleştirdi. detektör, “karanlık bölme” olarak adlandırılan parçacıkların ve güçlerin gizli dünyasına ilişkin yeni bir araştırmaya başlayabilir veya detektörün hassas parçalar ışın içinde yanması da söz konusu olabilir.

Bu ayın başlarında, bilim insanları, ABD Enerji Bakanlığı Thomas Jefferson Ulusal Hızlandırıcı Tesisi, Ağır Proton Araştırmasına (HPS / Heavy Proton Search) dair işbirliği toplantısında, ilk araştırmanın sonuçlarını sundular. Bilim insanlarının keyifli oluşuna bakılırsa, düzenek kusursuz bir şekilde çalışıyor.

Karanlık bölme parçacıkları, karanlık maddenin uzun zamandır aranan bileşenleri olabilir; evrende bu gizemli madde biçiminin normal maddeden beş kat daha fazla olduğu düşünülüyor. HPS, özel olarak, parçacık fiziği standart modelinde temel elektromanyetik kuvveti taşıyan temel “ışık parçacığı” olan fotonun karanlık sektör versiyonunu arıyor.

Benzeri biçimde, karanlık fotonun, karanlık sektör parçacıkları arasında bir kuvvet taşıyıcısı olabilir. Fakat normal fotonun aksine, karanlık foton bir kütleye sahip olabilir. Bu sebeple, bu parçacığa “ağır foton” adı da verilmektedir.

KARANLIK IŞIMA BİR ANOMALİ

HPS deneyinde karanlık fotonları aramak amacıyla Jefferson Laboratuvarı’nın CEBAF adlı hızlandırıcısından gelen çok yoğun ve neredeyse sürekli ışıyan bir elektron ışını kullanılıyor. Bir tungsten (ışıma ve elektrik iletimi amacıyla kullanılan bir madde) hedefe çarptığında, elektronlar gizemli parçacıkları potansiyel olarak üretebilecek enerjiyi yayarlar. Karanlık fotonların, HPS detektöründe iz bırakan elektron çiftleri ve antipartikülleri olan pozitronlara dönüşerek çabucak dağıldığı düşünülmektedir.

İlk verilerin analizine öncülük eden ve ulaşılan sonuçları işbirliği toplantısında sunan SLAC Ulusal Hızlandırıcı Laboratuarı’ndan Omar Moreno’ya göre “Karanlık fotonlar, verilerimizde bir anomali olarak ortaya çıkıyor; elektron-pozitron çiftleri üreten diğer süreçlerde gözlemlenen, pürüzsüz bir arka plan üzerinde meydana gelen çok dar bir şişkinlik görünümündeler.”

Sorun, geniş ışın enerjisinden dolayı, dağılmadan kaynaklanan ürünlerin ışın yönünde çok dar bir bölgeye sıkıştırılmış olmasıdır. Onları yakalamak için kullanılan detektör, elektron demetine yakın bir yerde olmalıdır. Ancak çok da yakın olmamalı; bu durumda, çok küçük ışın hareketleri ışının detektöre doğru sapmasına yol açabilir. Işın doğrudan HPS cihazına çarpmasa bile, hedefte etkileşen elektronlar detektör üzerinde dağılabilir ve istenmeyen sinyallere neden olabilir.

HPS ekibi, detektörün potansiyel olarak yıkıcı ışınların etkilerine karşı sağlamlığından emin olmak için bazı önlemler aldı. Herhangi bir geniş ışın hareketliliğini kesmek için bir düzenek kurdular ve araçları dikkatli biçimde hizaladılar; detektörün destek yapısını, detektörü ışına yakın hale getirmek için hareketli hale getirdiler ve ışın pozisyonunu kesin biçimde ölçtüler. Ayrıca hareketlenme beklenenden büyük olursa ışını kapatacak bir geri bildirim sistemi de hazırlandı. Işının gaz molekülleri ile etkileşiminin çok fazla arkaplan oluşturması nedeniyle bütün kurulumu vakum altına yerleştirdiler. Neticede, radyasyon hasarının etkilerini azaltmak için detektörü -30 Fahrenheit derecede soğutuyorlardı. Bu önlemler sayesinde ekip deneylerini ışına çok yakın bir şekilde yürütme olanağı buldu.

KARANLIK IŞIMA HİÇ OLMADIĞI KADAR YAKIN

HPS detektörünün en içteki kısmı olan Silicon Vertex Tracker’ı (Silikon Kesit Gözlemcisi) inşa eden SLAC’daki HPS grubunun başında bulunan John Jaros, “Şimdiye dek böyle bir parçacık demetine hiç kimsenin olmadığı kadar yakınız.” diyor. “detektör ve ışın arasındaki mesafeyi kademeli olarak azalttığımızda oldukça heyecanlıydık ve her şeyin planlandığı gibi yürüdüğünü gözlemledik. Bu başarının büyük kısmı, Jefferson Laboratuvarı tarafından sağlanan güzel ışınlarla ortaya çıkıyor.”

HPAC analiz grubunu denetleyen SLAC’den Mathew Graham, “Aslında deney yapabilir miyiz diye düşünmekten ziyade, ilk faaliyet deneyde arka planda ortaya çıkan sinyalleri anlamamıza ve karanlık foton arayışımızda için ihtiyaç duyduğumuz veri inceleme araçlarını geliştirmemize de yardımcı oldu.” diyor.

Şimdiye kadar, ekip karanlık fotonlardan hiçbir iz gözlemlemedi; ancak, analiz ettikleri veriler sadece 1,7 günlük bir çalışma sürecinde toplandı. Aynı ışın çizgisini kullanarak protonları ve nötronları araştıran CLAS deneyi devre dışı kaldığında, HPS daha kısa sürede daha çok veri toplayacaktır.

Şu an analizin ikinci kısmı devam etmektedir: Araştırmacılar aynı zamanda bir elektron-pozitron çiftinin ortaya çıktığı tam yeri veya köşeyi de yakından denetliyorlar.

Moreno, “Eğer bir karanlık foton yeteri kadar uzun yaşarsa, onu üzerinde üretildiği tungsten maddesinin dışına taşıyabilir ve bir elektron-pozitron çifti haline gelmeden önce detektörden biraz uzaklaşabiliriz” diyor. Detektör, bir sinyalin gözlenlenmesi amacıyla özel olarak tasarlandı.

Jefferson Laboratuvarı, HPS projesini toplam 180 günlük deneme süresi için onayladı. Şimdi, HPS bilim insanları ağır ama emin adımlarla bu şansı kullanıyorlar.

* Makalenin orijinali symmetrymagazine'de yayınlanmıştır.  (Çeviren: Tarkan Tufan)