İsviçre’deki CERN parçacık hızlandırıcısı tesislerindeki Büyük Hadron Çarpıştırıcısı, Higgs parçacığını tespit etti. Higgs parçacığı nükleer fiziği ve atomaltı parçacıkları açıklayan Standart Modelin öngörülerine uyuyordu. Bu keşif bizi şaşırtmadı, Higgs parçacığı beklenen enerji değerlerinde gözlendi ve beklenen özellikleri gösterdi…

…Ve işte bu sebeple, karanlık maddeyle ilgili bazı kuramların çöpe gitmesini sağladı: Ancak Higgs parçacağına izin veren Karanlık Madde kuramları geçerli olabilirdi.

Liste daralınca karanlık madde araştırmaları hızlandı. Şimdi, şu küçülen karanlık madde listesine göz atalım:

CERN’de çalışan bilim adamları süpersimetri teorisiyle ters düşen bazı bulgular elde ettiler. Süpersimetri teorisi, proton ve nötron gibi atomaltı parçacıkların nasıl medyana geldiğini ve fiziksel özelliklerini açıklıyor. Süpersimetri teorisi, aslında kendini kanıtlamış Standart Modelden daha kapsamlı bir teori ama henüz ispat edilmedi.

Son bulgular, süpersimetri teorisinde öngörülen karanlık madde türlerini daha da sınırlandırdı. Higgs ile uyumlu olan bazı Karanlık Madde parçacıklarının, süpersimetrideki yeni keşifler yüzünden, aslında evrende var olamayacağı ortaya çıktı.

Şansımıza bu araştırmalar süpersimetriyi tümüyle yalanlamadı. Dediğimiz gibi, Standart Modelin yetersiz kaldığı alanları süpersimetri teorisi dolduruyor.

Karanlık Maddeye geri dönecek olursak…

 Kaçabilirsin ama saklanamazsın!

CERN’deki Büyük Hadron Çarpıştırıcısı, karanlık maddeyi görmek için yeterli enerji düzeylerine erişmemizi sağladı. Eskiden labarotuvarlarda ürettiğimiz enerji, karanlık maddeyi oluşturan atomaltı parçacıkları gözlemlememize yetmiyordu. Bunu nasıl yapıyoruz?

CERN’de proton gibi bilinen parçacıkları neredeyse ışık hızında birbiriyle çarpıştırıyoruz.

Mikroskobik dünyada meydana gelen bu küçük enerji patlamaları, protonları parçalayarak, normalde göremeyeceğimiz bazı yeni parçacıkların meydana gelmesine yol açıyor. Evrende tek başına sadece çok kısa sürelerde var olan (saniyenin milyonda biri veya daha kısa sürelerde) ve daha sonra bilinen başka parçacıklara dönüşen bu nadir parçacıklar arasında, Karanlık Madde parçacıkları olabilir.

Karanlık Maddenin onu görmemizi zorlaştıran, yani normal maddeyle çok az etkileşime girmesine neden olan egzotik özellikleri var (elektromanyetik alanlardan etkilenmiyor mesela). Gerçekten de CERN’de üretilen veya üretilecek olan bu kısa ömürlü parçacıklar, soygazlar gibi nötr ve istikrarlı olmak zorunda…

 Örneğin WIMP parçaçıkları

WIMP İngilizce bir kısaltma ve Zayıf Etkileşimli Büyük Kütleli Parçacık demek. WIMP’ler bilim adamlarının öngördüğü karanlık madde türlerinden birini oluşturuyor. Evrende bilinen birçok parçacıkdan daha büyük kütleli olan bu parçacıkların elektrik yükü, bilinen maddeyle aynı ama dönme yönleri farklı (spin durumu).

WIMP’lerin kütlesi o kadar büyük ki bunları şu anda CERN’de bile görmemiz imkansız. O kadar yüksek enerji düzeylerine erişemiyoruz .Ancak, WIMP’ler varsa, bunları dolaylı yoldan gözlemleyebiliriz.

Örneğin, ilginç elektriksel özelliklere sahip gümüş grisi renginde metalik görünüşlü bir element olan germanyum ile veya ksenon gazıyla deneyler yapılabilir.

Bunun için büyük miktarda germanyum veya ksenon gazı alırız. Bunları yerin yüzlerce metre altındaki depolara veya gaz tanklarına doldururuz. Yeraltı deposunun üstündeki kalın kaya tabakası ve kalın kurşun veya beton zırh, kozmik ışınların ve normal parçacıkların germanyuma ya da ksenon gazına ulaşmasını engeller. Bunlarla sadece büyük kütleli WIMP’ler etkileşim kurabilir. Yalnızca Karanlık Maddeyi oluşturduğu düşünülen WIMP’ler, büyük kütleleri sayesinde, kalın kaya tabakasını aşarak depolara ulaşabilir.

California Stanford Üniversitesi’nin yeraltı tünellerinde özel bir Dondurulmuş Karanlık Madde araştırması yapılıyor (CDMS deneyi). Yerin yüzlerce metre altında kalın zırhla yapılan bir deney olmadığı için, WIMP hassasiyetini korumak amacıyla, laboratuvarda süper soğuk yarı iletkenler kullanılıyor.

İtalyanlar da yarıştan geri kalmış değiller… Gran Sasso’daki bir yeraltı laboratuvarında, XENON100 projesini uygulamaya koydular. ABD’nin Güney Dakota eyaletindeki Homstake madeninde inşa edilen yeni laboratuvar ise, LUX deneyinde kullanılacak (Büyük Yeraltı Ksenon Deneyi). Her şey Karanlık Maddeyi keşfetmek için.

Çok sayıda rakip deneyin (kim önce bulacak?) iki avantajı var. Biri başarılı olamazsa, diğeri karanlık maddeyi görebilir. Karanlık maddenin birçok bağımsız araştırma tarafından tespit edilmesi, yanlış alarm riskini de önleyecektir.

Galaksileri birbirine bağlayan dev karanlık madde köprüsü

Evrende, iki büyük galaksi kümesini birbirine bağlayan dev bir görünmez karanlık madde şeridi keşfedildi. Uzayda ipliksi bir şerit oluşturan görünmez Karanlık Maddenin güçlü kütleçekim kuvveti, birbirinden milyarlarca ışık yılı uzaktaki iki galaksi kümesini birbirine bağlıyor.

Bu galaksi kümelerinin adı Abell 222 ve Abell 223. Aralarındaki mesafe ise tam 2,7 milyar ışık yılı. Ne Karanlık Maddeymiş! Bütün evreni kuşatıyor ve bakın ne kadar uzakları birbirine bağlıyor!

Bilim adamları evrende böyle süper uzun Karanlık Madde şeritleri olduğunu düşünüyor. Karanlık Madde bantları, evreni karpuz çizgileri gibi boyuna şeritler halinde kuşatıyor. Karanlık Maddeyi evrende şeritler halinde uzatan şey, evreni doğuran Büyük Patlamanın ardından yaşanan kısa süreli Şişme Evresi olmalı.

Bu “Karanlık” madde şeritlerini göremiyoruz elbette, hele o kadar uzaktan hiç… Ancak, Karanlık Maddenin kütleçekim etkisini ölçebiliyoruz ve bunu galaksi kümelerinin hareketlerine bakarak anlıyoruz. Arada Karanlık Madde olmasaydı, birbirinden çok uzakta bulunan bu iki galaksi kümesinin bir arada hareket etmesi imkansızdı.

 Karanlık Madde şeritleri, evrenin dikiş yerleri

Blim adamları, galaksi kümelerinin Karanlık Madde şeritlerinin kesişme noktasında bulunduğunu söyleyen teorilerden yola çıktılar ve galaksi kümelerini inceleyerek, uzun araştırmalardan sonra Karanlık Maddeyi buldular.

Bunun için, uzak galaksi kümeleri arasındaki diğer galaksilerin ışığına baktılar ve bunlardan gelen ışığın, göremedikleri bir maddenin kütleçekim etkisiyle çarpıldığını gördüler. Yakındaki galaksiler için bu lens etkisini görmek imkansızdı. Yakında iken bu etki fark edilemeyecek kadar küçüktü. Ancak, çok uzak galaksilerin ışığındaki bükülmeyi görmek kolaydı. Karanlık Maddenin varlığı böyle kanıtlandı.

Aslında, bu ışık etksini görmek için elimizdekinden çok daha hassas teleskoplar yapmak gerekiyordu ve buna 20 yıl vardı ama bu iki galaksi kümesi, özel konumu nedeniyle işimizi kolaylaştırdı. Bunun için…

 …Einstein’a teşekkürler

Genel Görelilik Teorisine göre, yıldızlar ve gezegenler gibi büyük kütleli cisimler, çevrelerindeki uzay−zamanı büker (parmağınızla yastığa bastırın ve oluşan çukuru düşünün, ona benziyor). Bükülen uzayda yol alan ışığın rotası da değişir.

Evrende yıldızlar ve diğer gökcisimleri olmasaydı, ışık uzayda düz bir yol izleyecekti. Ancak, büyük kütleli Karanlık Madde çevresindeki uzayı da büyük ölçüde büktüğü için, bilim adamlarının gökyüzünde baktığı bölgeden gelen ışık ışınları eğimli bir yol izliyor ve gökte bir tür yay çiziyor. Işığın bükülmesi ve lens etkisi dediğimiz şey bu.

Uzayın böyle bükülmüş bir bölgesine bakarsanız, galaksilerin de bükülüp çarpıldığını, incelip uzadığını görürsünüz. Tabii koca galaksilerin büküleceği yok ama bize gelen ışık bükülüyor. Bu da Karanlık Maddeyi ele veriyor.

Abell 222 ve Abell 223 galaksi kümeleri gökyüzünde birbirine çok yakın görünüyor ama biri Dünya’ya daha yakın, diğeri daha uzak… Bu da lens etkisini artırarak Karanlık Maddenin keşfini kolaylaştırdı.

Aslında gökyüzündeki takımyıldızlar da böyle. Karşıdan bakınca yan yana duruyorlar ama uzayda yandan bakarsanız, birbirlerinden çok uzak olduklarını ve gerçek bir takımyıldız oluşturmadıklarını göreceksiniz.

Sonuçta, bilim adamları, iki galaksi kümesinin arasından gözüken daha uzaktaki veya Dünyamız ile galaksi kümeleri arasındaki 40 binden fazla galaksinin resmini incelediler ve sonunda, ışığı büken lens etkisini tespit ettiler.

Araştırmacıları bu bölgeyi incelemeye teşvik eden, dikkatleri özellikle bu iki galaksiye çeken bir sebep de astronomların 2008 yılında yaptığı gözlemlerdi. O zaman, galaksi kümelerinin yakınında sıcak gaz bulmuşlardı. Uzayın derin soğuğunda nispeten sıcak gaz…

İki galaksi kümesini birleştiren sıcak gazı belki Karanlık Madde ısıtmıştı. Belki de Karanlık Maddenin kütleçekim etkisi, iki galaksi kümesinden sifon gibi gaz çekmiş ve galaksileri birbirine bağlayan bir gaz kuşağı oluşturmuştu. Her durumda, bilim adamları bu gazın Karanlık Maddenin varlığına işaret edebileceğini düşündüler ve haklı çıktılar.

A.K