İki karanlık madde araması, dedektörlerinin muhtemelen Güneş’ten gelen nötrinoları kaydettiğini bildiriyor ve gelecekteki karanlık madde aramalarını tehlikeye atabilecek “nötrino sisini” tespit ediyorlar.
Karanlık madde için birkaç önde gelen arama, kozmik ışınlar ve karanlık madde sinyalini belirsizleştirebilecek diğer arka planlardan korunmuş dünyanın en derin yeraltı laboratuvarlarında çalışmaktadır.
Ancak, bu çalışmalar hassasiyetlerini artırmaya devam ettikçe, hiçbir jeolojik tabakanın engelleyemeyeceği bir arka plandan etkilenebilirler – maddeyi minimum dirençle kat eden zor nötrinolar tarafından üretilen bir arka plandan bahsediyoruz.
Bu “nötrino sis”i, yapılan deneylerin karanlık maddeyi tespit etme yeteneğini potansiyel olarak bulanıklaştırabilir.
Şimdi PandaX ve XENON işbirlikleri tarafından yürütülen iki bağımsız karanlık madde arayışı, dedektörlerinin güneş nötrino akıntılarıyla ilişkili sisleri görmeye başladığına dair güçlü ipuçları bildiriyor.
Wisconsin-Madison Üniversitesi’nden parçacık fizikçisi Dan Hooper, “Bu sonuç, bu deneylerin olağanüstü hassasiyetinin önemli bir kanıtıdır” diyor.
Avustralya Melbourne Üniversitesi’nden Elisabetta Barberio ise sonuçları “dikkate değer bir başarı” olarak tanımlarken, nötrino bulutunun karanlık madde araştırmalarını en az on yıl boyunca önemli ölçüde etkilemeyeceğini vurguladı.
PandaX ve XENON tarafından yürütülen araştırmalar, karanlık madde için birincil parçacık adayı olan zayıf etkileşimli büyük kütleli parçacık (WIMP) üzerine odaklanmaktadır. Metodolojileri, büyük saf ve ultra soğuk sıvı ksenon rezervuarlarını içerir. Bir WIMP, bir ksenon çekirdeğiyle çarpışırsa, nükleer bir geri tepmeye neden olur ve fotonlar veya elektronlar olarak ortaya çıkan gözlemlenebilir bir sinyal üretir.
Yüksek enerjili bir nötrino, bir WIMP’ninkine çok benzeyen bir sinyal sağlayabilir. Araştırmacılar, bu tür sinyallerin belirli bir parametre bölgesi içindeki karanlık madde adaylarından gelen potansiyel bir sinyali gizleyebilecek bir sis yaratabileceğini uzun zamandır tahmin ediyorlardı.
Nötrino sinyalleri, tutarlı elastik nötrino-çekirdek saçılması olarak bilinen bir fenomen tarafından üretilir.
Bu sürecin tutarlı doğası, nötrinonun çekirdekle tümüyle etkileşime girdiğini gösterir; tüm nötronları ve protonları kapsar ve bu tür etkileşimleri, tek tek nükleonlar veya elektronlarla olanlardan daha olası hale getirir.
Bu önemli “kesit”e rağmen, bir nötrinonun bir çekirdekte yalnızca küçük bir geri tepmeye neden olabilmesi nedeniyle gözlem yapmak zordur. İlk olarak 2017 yılında Tennessee, Oak Ridge Ulusal Laboratuvarı’ndaki Spallation Nötron Kaynağı’nda bulunan yüksek enerjili nötrinoların önemli akısını kullanan bir hızlandırıcı tabanlı deneyle tanımlanmıştır.
Çin’deki PandaX-4T ve İtalya’daki XENONnT deneyi tarafından, hızlandırıcılar tarafından üretilenlere kıyasla güneş nötrinolarından önemli ölçüde daha zayıf bir sinyal kaydedilmiştir. Her iki deneyde de çok tonluk sıvı ksenon kullanılmıştır.
Çinli bilim insanı Qing Lin, sonucun deneyin oldukça önemli bir doğrulaması olduğunu ileri sürüyor.
“Böylesine nadir bir sinyalin tespiti, eğer varsa, karanlık madde sinyalini tanımlama yeteneğimizi göstermektedir.”
Ancak, iddia edilen sinyal aynı zamanda bu girişimler için yeni bir gözlem fırsatı da sunmaktadır.
Tsinghua Üniversitesi’nden Fei Gao “Bu, karanlık madde deneyini kullanan astrofiziksel nötrinoların ilk ölçümünü temsil ediyor,” diyor.
Her deney, iki yıl boyunca yürütülen iki bilimsel çalışmanın verilerini inceledi. Araştırmalar, dedektörlerin, güneş çekirdeğindeki füzyon reaksiyonları sırasında oluşan bir izotop olan bor-8’in radyoaktif beta bozunmasıyla üretilen nötrinolardan kaynaklanan olayları tespit ettiğini gösterdi.
Tüm araştırmalarda, aday oluşumların enerji dağılımı ve olay sayıları, mevcut dedektör kapasitesine ve bor-8 güneş nötrinolarının iyi tanımlanmış akışına dayanan teorik tahminlerle uyumluydu.
XENONnT, Tsinghua Üniversitesi’nden Kexin Liu ve Columbia Üniversitesi’nden Dacheng Xu’nun belirttiği gibi, bu arka planların fiziksel kökenleri hakkında tam bir anlayışa sahip olmamalarına rağmen, ekibin çeşitli arka plan türlerinden yaklaşık 11 sinyali ayırt etmesini sağlayan kapsamlı bir makine öğrenimi veri analizi uygulandı.
PandaX-4T ise tam tersine 75’e kadar olayı belgelendi ve artan sayının bir uzlaşmadan kaynaklandığını belirtiliyor.
Azaltılmış bir algılama enerjisi eşiği ile karakterize edilen deneyleri, daha zayıf sinyallere karşı artan bir hassasiyet sergiledi, ancak aynı zamanda artan arka plan paraziti yaşadılar. PandaX-4T ve XENONnT, sırasıyla 2,64 sigma ve 2,73 sigma kaydederek bor-8 olaylarının tespitinde karşılaştırılabilir istatistiksel öneme ulaştı.
Bu rakamlar parçacık fiziğinde “kanıt” (3-sigma) veya “keşif” (5-sigma) iddiaları için sıklıkla kullanılan titiz standartları karşılamasa da, araştırmacılar yorumlama konusunda eminler.
Gao, “Yeni bir fiziğin keşfini değil, tamamen beklenen bir sürecin ölçümünü iddia ediyoruz” diyor.
Duke Üniversitesi’nden Kate Scholberg de aynı fikirde: “Kendim de dahil olmak üzere bireylerin çoğunluğunun, her iki işbirliğinin de nötrino sisini ölçtüğünden oldukça emin olduğuna inanıyorum.”
Karanlık madde araştırmacıları nötrino sisine giriyorsa, bu doğrudan karanlık madde araştırmaları için zorlu engeller olduğunu mu gösteriyor?
Barberio, Hooper ve Gao, bunu belirlemek için erken olduğunu iddia ediyorlar. Barberio, nötrino sisinin sunduğu hayali “varoluşsal tehdit”in muhtemelen abartıldığını iddia ediyor.
Hooper da aynı fikirde. “Bu arka planın devam eden ilerlememizi engellemesinden önce önemli çalışmalar yapılması gerekiyor.” Hooper, yalnızca önümüzdeki on yılda başlaması planlanan yeni nesil denemelerin önemli ölçüde etkilenebileceğini ileri sürüyor.
KAYNAK: physics.aps.org/articles/v17/161
Haberi Derleyen: Yusuf Havvat – Çukurova Üniversitesi Fizik Bölümü
