Don Lincoln, Amerika'nın en büyük Büyük Hadron Çarpıştırıcısı araştırma kurumu olan ABD Enerji Fermilab Departmanı'nda kıdemli bir bilim insanıdır. Ayrıca son zamanlarda yaptığı gibi halk için bilim hakkında yazıyorBüyük Hadron Çarpıştırıcısı: Higgs Boson'un Olağanüstü Hikayesi ve Zihnini Darbe Edecek Diğer Şeyler"(Johns Hopkins University Press, 2014). Onu takip edebilirsinizFacebook. Lincoln bu yazıya WordsSideKick.com’ın katkılarıyla katkıda bulundu. Uzman Sesler: Op-Ed & Insights.
Aşkın dünyayı dolaştığını ve bunun doğru olabileceğini söylüyorlar. Ama şeylere çok daha büyük bir ölçekte baktığınızda - galaksilerin büyüklüğü - aşk sadece yeterli değil. Ve bu konuda, galaksilerin kendileri de değil. Aslında, gökadaların etrafından dolaşmasını sağlayan şey, doğrudan gözlenmeyen bir maddedir. Bu keşfedilmemiş “şeyler”, karanlık madde olarak adlandırılıyor ve bilimsel dünyanın uzun süredir devam eden düşünceleri yeniden gözden geçirmesine neden olan inanılmaz yeni bir ölçüm açıklandı.
Kara madde bilgimize olan en son katkı, Büyük Yeraltı Xenon (LUX) işbirliğiyle yapıldı. LUX, bir ton sıvı xenon'un üçte birini içeren bir kaptır ve şimdiye kadar yapılmış en güçlü karanlık madde detektörüdür. Sanford Yeraltı Araştırma Tesisi'nde (SURF) bulunan bu karanlık madde laboratuvarı, Kurşun, Güney Dakota yakınlarındaki Kara Tepeler'in hemen altında bir mil uzaklıkta bulunuyor. Güneş sisteminden geçtiği düşünülen karanlık maddenin buharlı rüzgârını zaman zaman tespit etmek için tasarlanmıştır. [6 Serin Yeraltı Bilimi Laboratuarları]
Ve şey şu ki, hiçbir şey tespit etmedi. Bu keşif, fizikçilerin karanlık maddeyi nasıl düşündüklerini yeniden düşünmelerine neden oluyor.
Karanlık madde, neredeyse asırlık bir sorunun cevabıdır. 1930'ların başlarında, gökbilimciler, evrenin sayısız galaksiden oluştuğunu anladıktan kısa bir süre sonra, bilim adamları, galaksilerin etrafında dönen yıldızların - aslında, galaksilerin nasıl dönüştüklerinin - dinamiklerini anlama konusuna dikkat çektiler. Hollandalı gökbilimci Jan Oort, Newton'un hareket ve yerçekimini kendi Samanyolu'ndaki gözlenen maddeye uyguladı ve galaksimizin hesaplamış olduğundan daha hızlı döndüğünü gördü. Samanyolu'nun gökbilimcilerin tahmin ettiği kütleye iki kat daha fazla olduğu ortaya çıktı. Kuşkusuz bu, kesin galaktik astronominin ortaya çıktığı ve hesaplama ile sadece iki faktörün ölçümü arasındaki uyuşmazlıkların mükemmel bir anlaşma olduğu bir çağdaydı.
Ancak, Oort'un ölümünden kısa bir süre sonra, Bulgar-İsviçreli astronom Fritz Zwicky, muazzam bir yapıdaki karşılıklı çekimiyle bir araya getirilen binlerce gökadadan oluşan büyük bir grup olan Coma Kümesini inceliyordu. Galaksilerin hızını ölçtüğünde, onlar da, yerçekiminin yumuşak bir çekişe sahip olmaları için çok hızlı hareket ettiklerini keşfetti. Tüm haklara göre, kümelenme kendini parçalamalıydı. Ama öyle olmadı. Kümenin, sıradan teleskoplar tarafından görülenden 400 kat daha fazla madde tuttuğunu hesapladı. Modern ölçümler bu sayıyı azalttı, ancak çelişkinin hala 100 bir faktör olduğu düşünülüyor. Zwicky, "dunkle Materie" ya da karanlık madde diye adlandırdığı kümeyi bir arada tutan bir tür görünmeyen madde olduğunu öne sürdü. [TED-Ex Talk: Karanlık Madde Nasıl Bir Yıldızın Hızını Açıklıyor?]
1970'lerde, astronom Vera Rubin, dikkatini galaksilerin dönme eğrilerine yönelttiği zaman tartışılması gereken tartışmasız bir konu bulmaya çalışıyordu. Bu, galaksilerdeki yıldızların orbital hızının merkezden uzaklıklarının bir fonksiyonu olarak ölçülmesidir. Ölçümlerin galaksinin merkezinde çok iyi tahminlerle ve hatta çevreye yaklaştığını gördü. Ancak galaksinin çok dışında, yıldızlar bilinen fizik yasaları ve gözlenen madde ile uyumlandırıldığından çok daha hızlı yörüngede. Zwicky'nin karanlık maddesinin gökadaların iç kısımlarında da ortaya çıkması gibi görünüyordu. (Açıkçası Rubin, tartışmasız bir konu bulma girişiminde epeyce başarısız oldu.)
Yıllar boyunca, Newton'un hareket yasaları, hızlanmalar arttıkça uygulanamayacağı ihtimalinden, Newton ve Einstein'ın yerçekimi konusunda yanlış olduğu fikrine kadar, geniş bir astronomik gizem dizisini açıklamak için çeşitli fikirler önerilmiştir. Bu hipotezler titiz testlerden geçememiştir. Başka bir fikir, belki de evrende elektromanyetik enerji yaymayan madde türleri mevcuttu. Bu Zwicky'nin karanlık maddesiydi.
Fakat burada bile birçok olasılık vardı. En akla yatkın seçenek, evrenin, kara deliğin, kahverengi cücelerin, haydut gezegenlerin ve evrenin görünür bileşenini oluşturan aynı türden sıradan maddeden oluşan diğer karanlık nesnelerin bulunduğu bir müşevere ev sahipliği yapmasıydı. Bu nesneler, yıldızlar gibi ışık yaymayacak kadar büyük ve kompakt ve soğuktur. Bunlar gibi bazı nesneler bulundu, ancak gizemi çözmek için yeterli değil. Ve böylece, 1990'lardaki astronomik araştırmalar da bu fikri tamamen ortadan kaldırdı. Sherlock Holmes'ten "Dörtlü" adlı kitabından bir sayfa alarak, "İmkansızı hükümsüz kıldığınızda, ne olursa olsun her ne kadar imkansız olursa olsun, gerçek olmalı" diyerek bilim adamlarının yeni bir form çıkardığı sonucuna varmışlardır. Görünmez karanlık maddenin evrene nüfuz eder. Belki daha da şaşırtıcı, sıradan maddeden beş kat daha fazla karanlık madde var gibi görünüyor.
Asla karanlık maddeyi doğrudan gözlemlemedik, ancak bunun ne olması gerektiğine dair çok şey biliyoruz: Masif olmalı (çünkü galaksilerin rotasyonunu etkiler); elektriksel olarak nötr olmalıdır (çünkü göremiyoruz); sıradan maddeden farklı olmalıdır (çünkü maddenin her zamanki yollarla etkileşime girdiğine dair bir kanıt göremiyoruz); ve istikrarlı olmalıdır (çünkü evrenin başlangıcından beri var olmuştur). Bu özellikler kesin.
Ancak, tam olarak ne olduğunu bilmiyoruz. En popüler jenerik teoride, karanlık madde partikülü, zayıf bir şekilde etkileşen büyük parçacık için bir WIMP olarak adlandırılır. WIMP'ler, bir protondan 10 ila 100 kat daha ağır bir kütleye sahip ağır nötronlar gibidir (fakat kesinlikle nötron değildir). Büyük Patlama sırasında büyük miktarlarda yaratılmışlar ve bu güne kadar küçük bir kalıntı kalmıştır.
Kozmologlar WIMP fikrini Big Bang'in fikirlerine eklediklerinde, nasıl etkileşime gireceğini hesaplayabilirler. Evrenin en erken evrelerinde, WIMP'lerin baskın bir madde biçimi olduğunu, ancak evrenin genişledikçe ve soğudukça ve etkileşim oranının sıfıra düştüğü zaman, WIMP'lerin kalıntı miktarının sıradan madde kadar kütlesel olarak beş kat olduğunu bulmuşlardır. WIMP fikrinin, Higgs bozonu parçacığının böylesine küçük bir kütleye sahip olmasının nedenleri hakkında basmakalıp bir teoriyi açıklayabileceği gerçeğiyle birleştiğinde, WIMP fikrinin bu kadar çok kişiye cevap verdiğini göz önünde bulundurarak bilim adamları buna "WIMP mucizesi" diyorlar. sorular.
Böylece bu bizi LUX deneyine geri götürüyor. WIMP'leri tespit etmek için tasarlanmış en yeni ve en güçlü deneydir. Buradaki fikir, dedektörün bir yıl ya da daha uzun bir süre, yeraltında oturması ve nadir bir WIMP'in bir ksenon atomuna çarpması ve tespit edilmesidir. (Dedektör, kozmik ışınlardan korumak için yeraltına gömülüdür, ki bu da ksenon atomlarına çarpacak ve karanlık madde tespiti yapacaktır. Yarım mil veya bir mil yeraltı neredeyse tüm kozmik ışınları durduracaktır.)
27 Ağustos günü, LUX araştırmacıları sonuçlarını açıkladı. Karanlık madde WIMP'leri için kanıt görmediler.
Yani bu aslında bu şaşırtıcı değil. Karanlık maddeyi araştıran ve hiçbir şey bulamayan düzinelerce deney yapıldı. Bu anlamda LUX, saygıdeğer bir gruba katıldı. Fakat LUX da çok daha yetenekli. WIMP'leri bulmak için diğer herhangi bir aparattan daha iyi bir atış olması bekleniyordu.
Ama öyle olmadı.
Yani bu, WIMP fikrinin öldüğü anlamına mı geliyor? Hayır gerçek değil. Karanlık madde detektörleri, belirli bir mikrofona soprano veya bas sesleri duyduklarından daha iyi bir ses çıkarabilmeleri gibi, belirli kütlelere en duyarlı olacak şekilde optimize edilir. LUX, bir protondan birkaç on kez daha ağır bir kütleye sahip bir WIMP'yi bulmak için optimize edilmiştir. Aslında, etkileyici bir reddiyle bir protonun 50 katı kütleye sahip bir WIMP'yi kararlaştırdı. Bununla birlikte, LUX, bir protonun 10 katı altında bir kütle ile WIMP'leri tespit etmede pek başarılı değildir. Ve eğer WIMP'ler varsa ve bir protondan 1000 kat daha ağır bir kütleye sahipse, bu aynı zamanda LUX'un araştırma için optimum aralığı değildir. Yani bir WIMP'in var olabileceği bir dizi kitle var.
Yine de, WIMP'ler karanlık madde için en popüler fikirdi. Başka hipotezler var. Bir hipotez, nükleer reaksiyonlarda üretilen daha tanıdık nötrinoların kuzeni olan steril bir nötrino adı verilen bir parçacığa işaret eder. Aslında, en büyük yakındaki nükleer reaktörden (güneş) gelen nötrinler Dünya'yı sürekli olarak barikatlar. Ultra hafif olan ve zayıf nükleer kuvvetle etkileşime giren düzenli nötrinoların aksine, steril nötrinolar ağırdır ve zayıf kuvveti görmezler. Steril nötrinoyu ideal bir karanlık madde adayı yapan ağır kitle ve etkileşmeyen niteliklerdir.
Bir başka olası karanlık madde parçacığı olan eksen, 1977'de, güçlü nükleer kuvvetle işlenmiş maddenin ve antimaddenin eşit düzeyde (gözlemlere katılacağı şekilde) sağlanması için bir yol olarak önerilmiştir. Aks, çok hafif ama yine de masif, varsayımsal bir parçacıktır. LUX dedektörü, eksenleri incelemek için tasarlanmamıştır.
Öyleyse, elbette, karanlık maddenin tek, nötr, etkileşmeyen bir parçacık olmadığını ileri süren daha yaratıcı hipotez vardır. Sonuçta, sıradan madde oldukça karmaşıktır. Kuantum ölçeğinde, kuarklar ve leptonlar ve dört kuvvet var. Makro ölçekte, sen ve ben, şekerler, yıldızlar ve yanardağlar ve birbirleriyle etkileşim içinde oldukları çeşitli yollar var. Sıradan madde her türlü etkileşime ve bileşene sahiptir. Neden karanlık madde değil? [Quarks Hakkında 7 Garip Gerçekler]
Bu hipotez altında, karanlık madde “karanlık bir yük” veya karanlık maddenin elektriksel yükü şeklinde olabilir. Aynı şekilde karanlık madde karanlık bir yüke maruz kalmaz, belki de sıradan madde karanlık bir yüke maruz kalmaz. Bu karanlık yük, karanlık fotonlarla veya sıradan ışık parçacıklarının karanlık ikizleriyle etkileşime girerdi.
Daha da cesur, belki de karanlık madde, pek çok güç deneyimliyor ve karanlık atomlar, karanlık moleküller ve hatta belki de karanlık yaşamla bütün karmaşık bir karanlık sektör var. Bu olası karanlık etkileşimler üzerinde kısıtlamalar kurabiliriz; Örneğin, karanlık yıldızları ve gezegenleri dışlamak için yeterince şey biliyoruz, ancak karanlık asteroitler mümkündür. Yine, LUX bu yeni fikirler üzerinde sessizdir.
LUX ölçümünün, parçacık fiziği ve kozmolojisinde bir krize yol açtığını söylemek yanlış olmaz. Ama kesinlikle bilim adamlarının duraksamalarını ve bu WIMP olayına başka bir göz atmamız gerektiğini öne sürüyor. Belki başka fikirlerin yeniden gözden geçirilmesi gerekiyor. Öte yandan, WIMP fikrini sürdürmek isteyen bilim adamlarının, teknoloji ilerledikçe daha da ileriye bakacakları bir şeyleri var. LUX bir ton sıvı xenonun üçte birini kullanır. 10 ya da 15 yıl içinde, bilim adamları 100 ton içerebilecek detektörler kurmayı planlıyorlar ve bu nadir WIMP etkileşimini yakalama şansı daha da artıyor. Bunlar karanlık maddeli bir bilim adamı olmak için kafa kafaya düşüyor.
Ama sonunda, hala bilmiyoruz. Sadece LUX'un yeteneklerinin yeterince iyi olduğunu biliyoruz, belki düşüncemizi genişletmenin zamanı geldi. Rock grubu Buffalo Springfield'in sözleriyle, "Burada bir şeyler oluyor. Tam olarak ne anlama gelmiyor..."
Facebook, Twitter ve Google + 'da Uzman Sesler konularını ve tartışmaları takip edin ve tartışmanın bir parçası olun. İfade edilen görüşler yazarın görüşleridir ve yayıncının görüşlerini yansıtmaz. Makalenin bu sürümü ilk olarak Canlı Bilim'de yayınlandı.