Karanlık madde evrenine yolculuk

Sarah Charley *

Kendi başımıza bir araya getireceğimiz alternatif bir gerçeklik tarifine ulaşmak için fazladan boyutlara veya paralel evrenlere ihtiyacımız yok. Görünmez maddeler evrenin her yerine saçılmış durumda.

Urbana-Champaign’de bulunan Illinois Üniversitesi’nden karanlık alan fiziği üzerinde çalışan uzman bir teorisyen olan Jessie Shelton, “örneğin, Güneş’ten yayılan nötrinoları ele alalım,” diyor. “Sürekli olarak nötrino sağanağına maruz kalıyoruz; fakat bunlar bizlerle etkileşime girmeden içimizden geçip giderler. Atomlarımızla aynı alanı paylaşsalar da neredeyse hiç etkileşime girmezler.”

Bilim insanlarının bizlere aktarabildiği kadarıyla, nötrinolar tekil parçacıklar. Peki, ya sıradan atomlarla değil de yalnızca birbirleriyle etkileşime giren ayrı bir parçacık dünyası mevcutsa? Karanlık alanın ardında yatan fikir şu: Evrendeki bilinen parçacıkları incelemek için kullandığımız algılayıcılara görünmeyen, ancak teorik açıdan mevcut olan bir evren söz konusu.

Shelton, “Karanlık alanlar, tanımları gereği, evrene ilişkin Standart Model’le güçlü bir şekilde etkileşmeyen parçacıklardan oluşuyor,” diye açıklıyor.

STANDART MODEL VE BİLİNEN EVRENİN SINIRLARI

Standart Model, bilinen her şeyi meydana getiren 17 parçacık türü ve kuvvete ilişkin bir fizik kılavuzu niteliğindedir. Atomların nasıl ortaya çıktığını ve güneşin neden ışıldadığının açıklamasını sunar. Öte yandan, yerçekimini, maddenin ve karşıt-maddenin kozmik dengesizliğini ya da doğanın dört kuvvetinin birbirinden ayrışan güçlerini açıklamayı başaramaz.

Görünmeyen ve bilinmeyen bir alanın parçacıkları, kendi başına bu sorulara yanıt olamaz. Ancak, yanıtları bulmak için kesinlikle yardımcı olabilir.

Karanlık alana ilişkin temel çıkmaz, üretilen teorilerin büyük ölçekli bir şekilde karanlık madde sorunuyla karşı karşıya kalması. Karanlık madde, kozmozda gözlemlenen garip yerçekimsel etkileri açıklamak için fizikçiler tarafından kullanılan bir terim. Uzaktaki yıldızlardan yayılan ışıkların, evrendeki görünmez nesnelerin yakınından geçtiği yerlerde bükülmesinin ve galaksilerin, görünür maddelerinden beş kat fazla kütleye sahipmiş gibi görünmelerinin nedeni olarak ortaya konur. Kozmik mikrodalga arka planda korunan eski ışıklar bile, galaksilerin görünmez bir kalıp veya çerçeve içerisinde oluştuğunu düşündürüyor.

Kimi teoriler, karanlık maddenin kozmozumuzun karmaşasına kütle (ve bazı başka şeyler de) katan basit bir kozmik artık olduğunu öne sürer. Ancak, fizikçiler yıllar boyunca süren araştırmaların ardından, bir laboratuvar deneyinde henüz karanlık madde tespit edemediler. Belki de tespit edememelerinin sebebi, onu küçümsüyor olmalıdır.

Shelton, “Karanlık alanda var olan her şeyin, en basit modellerimiz kadar basit olmasını beklememizi gerektirecek bir neden yok,” diyor. “Neticede, görünür evrenimizin çok zengin bir fizik yapısı olduğunu biliyoruz: Fotonlar, elektronlar, protonlar, çekirdekler ve nötrinolar, evrende nasıl var olduğumuzun kozmolojisini anlamak için tartışmasız bir önem arz ediyor. Karanlık alan da bunun kadar yoğun bir yer olabilir.”

Shelton’a göre, karanlık madde, benzer şekilde karmaşık olan bir karanlık parçacıklar grubundan geriye kalan tek örnek olabilir.

“Çok güçlü bir karanlık enerjiyle etkileşime giren ve birbirine bağlı bir parçacık bileşimi hali olan protonu andıran bir olgu olabilir. Veya bir hidrojen atomu gibi daha da zayıf bir karanlık enerjiyle etkileşime giren bağlı bir parçacık bileşimi de olabilir,” diyor.

HIGGS BOZONU GÖZLEMLEMEYE YARDIMCI OLABİLİR

Dünyada yapılan deneyler bu kararlı karanlık madde parçacıklarını doğrudan tespit edemese bile, karanlık fotonlar veya kısa ömürlü karanlık parçacıklar gibi “Higgs bozonu” ile kuvvetli biçimde etkileşime giren diğer türden karanlık parçacıkları tespit edebilirler.

Shelton, “Higgs, Standard Model parçacıklarının karanlık alanla girdiği etkileşimi tespit etmenin en kolay yollarından birisi,” diye belirtiyor.

Bilim insanlarının anladığı kadarıyla, Higgs bozonu seçici bir parçacık değil. Sıradan atomlar gibi görünmeyen atomlar da dahil olmak üzere, her türden büyük parçacıklarla etkileşime girebilir. Bilim insanları, Higgs bozonunun büyük karanlık alan parçacıklarıyla etkileşime girdiğinde ortaya çıkan özelliklerinin Standart Model öngörülerinden nasıl farklılaştığını gözlemlemeli. Büyük Hadron Çarpıştırıcısı’nda (LHC) görevli bilim insanları, yeni bir fizik anlayışının kapısını aralayabilecek beklenmedik davranışlar gözlemlemek amacıyla, Higgs bozonunun bütün özelliklerini tespit etmeye çalışıyorlar.

Bu çalışmaya paralel olarak, bilim insanları, karanlık alan parçacıklarını doğrudan gözlemleyebilmek için de LHC’yi kullanıyor. Bir teoriye göre, aşırı yüksek sıcaklıklarda, karanlık madde ve sıradan madde birbirinden pek de farklı davranmıyor ve karanlık enerjinin yardımıyla birbirlerine dönüşebiliyorlar. Sıcak ve olağanüstü yoğun durumdaki genç evrende, bu durum sıkça gerçekleşmiş olmalıydı.

Shelton, “Ancak evren genişledikçe ve soğudukça bu etkileşim donmaya başladı ve ardında bir miktar karanlık madde kalıntısı bıraktı,” diyor.

LHC dahilinde sürdürülen yüksek enerjili parçacık çarpışmaları, erken evrende gerçekleşen koşulları taklit edebilir ve karanlık alandaki parçacıkları anlaşılır hale getirebilir. Şayet bilim insanları şanslıysa, karanlık alan parçacıklarını bir dönüşüm yaratarak sıradan madde haline getirebilirler; deneysel çalışmalarda aniden görünür hale gelen bir kaynaktan, görünmeyen parçacık izlerinin gözlemlenebileceği bir olay gerçekleşebilir.

Diğer yandan, Shelton’ın aktardığı kadarıyla, karanlık alan ile Standart Model parçacıkları arasındaki etkileşimlerin çok küçük boyutlarda gerçekleştiği, yani modern deneylerin bir sonuca ulaşamayacağı bazı başka olasılıklar da mevcut.

“Bu ‘kâbus’ senaryoları gerçekten de mantıklı olasılıklar ve hâl böyleyken, karanlık parçacık fiziğinin ipuçlarını aramak için astrofizik ve kozmolojik yollar hakkında çok daha ayrıntılı biçimde düşünmemiz gerekecek,” diyor.

Karanlık alan, parçacık algılayıcıları tarafından erişilemese dahi, karanlık madde, evrendeki yerçekimi üzerinde yaptığı etkiler aracılığıyla her zaman tespit edilebilecek.

Shelton, “Yerçekimi bize evrende ne oranda karanlık madde olduğunu ve karanlık alan parçacıklarının dahil olabileceği ve olamayacağı parçacık etkileşimleri hakkında pek çok şey gösteriyor,” diyor. “Mesela, oldukça hassas yerçekimi dalgası deneyleri, bize geriye dönerek evrenin oldukça yüksek bir enerji yoğunluğunda nasıl göründüğünü anlama ve evrende varlığını sürdüren bu görünmez olguya ilişkin daha fazla bilgi edinme olanağı sunacaktır.”

* Yazının aslı symmetrymagazine sitesinde yayınlanmıştır. (Çeviren: Tarkan Tufan)