LUX-ZEPLIN deneyi dünyanın en büyük karanlık madde dedektörüdür. Zayıf Etkileşimli Büyük Kütleli Parçacık (WIMP) adı verilen karanlık madde parçacığını aramaktadır. Yerin yaklaşık 1.600 metre altında bulunan LZ dedektörü karanlık madde parçacıkları ile büyük sıvı ksenon arasındaki nadir etkileşimleri aramak için ideal olan sessiz bir ortamda bulunuyor. Dünyadaki en hassas karanlık madde dedektörü olan LZ, 250 bilim insanı tarafından 55 milyon $ bütçeyle inşa edildi. İlk olarak Aralık 2021'de çalışmaya başladı.
Evrenin Neyden Oluştuğunu Keşfetmek
Karanlık madde bulmacası fizikçiler için önemli çünkü çevremizde gördüğümüz her "şeyi" oluşturan sıradan baryonik madde yani evrendeki tüm gezegenler, yıldızlar ve gaz bulutlarını oluşturan madde ve enerji evrenin yalnızca %5'ini kapsıyor. Evrenin geri kalanı gizemli karanlık enerji ve karanlık maddeden oluşur. Evrenin artan hızda genişlemesini sağlayan bu karanlık enerji tüm maddenin %70'i ve karanlık madde ise %25'idir.
Yani öyle bir zamanda yaşıyoruz ki evrenin büyük bir kısmı şu anda açıklayamadığımız bir gizemle çevrili. LUX-ZEPLIN veya LZ deneyi, karanlık madde nedir ve karanlık enerji nedir sorularını yanıtlamaya çalışıyor.
Zayıf Etkileşimli Büyük Kütleli Parçacık nedir?
Karanlık maddeyi tespit etmek çok zordur çünkü elektromanyetik radyasyonla etkileşime girmez. Bu da bize karanlık maddenin proton ve nötron (baryonlar) gibi sıradan atom altı parçacıklardan oluşmadığını ve sıradan maddeden çok farklı olduğunu söylüyor.
Gökbilimcilerin onun varlığına dair çıkarım yapabilmelerinin tek yolu kütleçekim etkileşimidir. Eğer karanlık maddenin kütleçekimsel etkileri olmasaydı, galaksiler o kadar hızlı dönerdi ki birbirinden ayrılırlardı. Ancak, karanlık maddeyi tespit etmenin başka bir yolu daha var. Eğer WIMP'lerden oluşuyorsa, karanlık madde görünür madde denilen sıradan baryonik madde ile çok zayıf şekilde etkileşime girmelidir.
WIMP'ler evrenin erken dönemlerinde diğer atom altı parçacıkların çarpışmasıyla oluşan, kütleleri bir protonun kütlesinin 1 ila 1.000 katı arasında değişen ağır ve yavaş hareket eden parçacıklardır. Evren genişledikçe ve soğudukça, bu çarpışmalar giderek daha nadir hale geldi. Karanlık madde teorisine göre, bu süreç geride bugün ölçülen miktarda karanlık maddeye (sıradan maddenin yaklaşık beş katı) karşılık gelen WIMP bırakmıştır.
WIMP'lerin baryonik madde ile etkileşimi, evrenin dört temel kuvvetinden biri olan zayıf nükleer kuvvet aracılığıyla gerçekleşiyor ve etkileşim o kadar hafif ki onu tespit etmek için son derece hassas bir dedektör gerekiyor. İşte LZ deneyi burada devreye giriyor.
LUX-ZEPLIN Deneyi
LZ deneyi çok seviyeli bir dedektör sistemine sahip ve arka plan kaynaklarından gelen "gürültüyü" mümkün olduğunca ortadan kaldırmak için hassas şekilde tasarlanmış çevresel koşullarda bulunuyor. Bu karanlık madde dedektörünün planlanması 9 yıl önce başladı, Güney Dakota'daki Sanford Laboratuvarı'ndaki üretimine iki yıl sonra geçildi.
LZ dedektörünün merkezinde yaklaşık 10 ton sıvı ksenon içeren iki titanyum varil var. Bu ksenon -100 santigrat derecede muhafaza edilir; bilim adamları deney için ksenon elementini seçti çünkü son derece yoğun ve çok saf hale getirilebiliyor. WIMP'ler ile sıradan madde arasındaki etkileşim çok nadir olduğundan, dedektör ne kadar çok ksenon kullanabilirse, böyle bir olayı yakalama şansı o kadar artar. LZ deneyinin ksenon kapasitesi ise diğer tüm karanlık madde dedektörlerinden büyük.
Ksenon varilleri, zayıf ışık parıltılarını tespit etmek için tasarlanmış 500 hassas ışık dedektörü içeren foto çoğaltıcı tüplerle (PMT) çevrili. Parçacıklar ksenon atomlarıyla çarpıştığında, atomlar sintilasyon yaparak küçük bir ışık parıltısı yayar ve ksenon iyonize olurken etrafa atomik elektronlar saçılır. Elektronlar, ksenon ile elektrik alan etkileşimine girerek ksenonun tepesine sürüklenir. Elektronlar tepeye ulaştığında, daha güçlü elektrik alanıyla sıvıdan dışarıya çıkarak üstteki gaz katmanına çekilir. Elektronlar burada ikinci bir ışık parlaması üretirler.
Bu iki ışık parlaması arasındaki zaman farkı, araştırmacıların etkileşimin meydana geldiği tanklardaki derinliği belirlemesini sağlıyor. Dolayısıyla her bir olayın 3 boyutlu konumunu çıkarıyorlar. Bu iki ışık parlaması etkileşimin enerjisi hakkında bilgi verir ve WIMP etkileşimini arka plan olaylarından ayırt etmeyi sağlar.
LUX-ZEPLIN düzeneğinin etrafında, deneyi arka plan radyasyonundan korumaya yardımcı olan bir su tankı var. Bilim insanları arka plan radyasyonlarını önlemek için LZ dedektöründeki her bileşenin radyoaktivitesini kontrol etti yani her ögeyi, her somunu, cıvatayı, vidayı, teli, teflon parçasını ve kalay parçasını test ederek şimdiye kadarki en hassas karanlık madde dedektörünü ürettiler.
Bunun dışında LZ deneyinde ikinci, daha büyük bir algılama sistemi daha var. Bunun amacı, karanlık madde benzeri etkileşimler yaratabilecek parçacıkları, özellikle de nötronları tespit ederek yanlış bulguları ortadan kaldırmaktır. LZ deneyi yerin yaklaşık 1.600 metre altında olmasıyla Güneş'ten ve kozmik ışınlar olarak adlandırılan diğer kozmik kaynaklardan gelen yüksek enerji yüklü parçacıklardan korunuyor.
LUX-ZEPLIN'in Önemi
Bilim insanları LZ deneyi ile ilk bulguları elde etmeye başladı. Önümüzdeki 3 yıl boyunca LZ deneyinin hassasiyeti daha da artırılacak. Buna göre LUX-ZEPLIN dedektörünün arkasındaki bilim insanları LZ'nin evreni anlama potansiyelimize büyük katkı sağlayacağına inanıyor. Hatta yakın gelecekte ders kitapları, medya makaleleri ve popüler basında LZ dedektörü sayesinde tamamen yeni sayfaların açılacağını belirtiyor.