Aksiyon karanlık maddenin bir süpernova esnasında oluşup gama ışınlarına dönüşmesi lazım. Onları görecek kadar şanslı olacak mıyız?
Evrenin karanlık maddesine yönelik arayış yarın bitebilir; yakındaki bir süpernova ve biraz da şansla.
Karanlık maddenin tabiatı, evrendeki maddenin %85’inin teleskoplarımızdan görülmediğinin fark edilmesinden bu yana gökbilimcilerden 90 yıl boyunca kaçmayı başarmıştı. Günümüzdeki en muhtemel karanlık madde adayı ise dünya çapındaki araştırmacıların ısrarla bulmaya çalıştığı hafif bir parçacık olan aksiyon.
Şimdiyse Berkeley – California Üniversitesinde (UC Berkeley) çalışan astrofizikçiler, yakındaki bir süpernova patlamasından çıkan gama ışınları tespit edildikten saniyeler sonra aksiyonun keşfedilebileceğini iddia ediyor. Aksiyonlar eğer varsa, dev bir yıldızın çekirdeği çöküp nötron yıldızına dönüştükten sonraki ilk 10 saniyede bol miktarda oluşuyor. Ayrıca bu aksiyonlar kaçıp, yıldızın yoğun manyetik alanında yüksek enerjili gama ışınlarına dönüşüyor.
Böyle bir tespit, bugün sadece yörüngedeki tek gama ışını teleskobu Fermi Gama-ışını Uzay Teleskobu’nun patladığı esnada süpernovanın bulunduğu yöne bakması halinde mümkün olacak. Teleskobun görüş alanı dikkate alındığında bu 10’da bir ihtimal.
Ancak gama ışınlarının sadece bir kez tespit edilmesiyle birlikte, aksiyonun kütlesi şu an Dünya üzerinde yürütülen deneylerde taranan kütle aralıkları da dahil olmak üzere devasa bir kuramsal kütle aralığında saptanabilir; özellikle de QCD aksiyonunun kütlesi. Fakat tespit yapılamazsa, aksiyon için büyük bir muhtemel kütle aralığı elenir ve karanlık maddeye dönük yapılan en güncel aramalar anlamsız hale gelir.
Fakat sorun, gama ışınlarının tespit edilecek kadar parlak olması için süpernovanın yakında olması gerekmesi (Samanyolu galaksimizin veya onun uydu galaksilerinin birinin içerisinde). Yakındaki yıldızlar ise ortalamada sadece birkaç on yılda bir patlıyor. Yakınımızda gerçekleşen son süpernova, 1987 yılında Samanyolu’nun uydularından biri olan Büyük Macellan Bulutu’ndaydı. O zamanlar artık kullanılmayan gama-ışını teleskobu Solar Maksimum Görevi, bu süpernovanın bulunduğu yöne bakıyordu ancak UC Berkeley’deki araştırma takımının analizine göre gama ışınlarının tahmini yoğunluğunu tespit edecek kadar hassas değildi.
UC Berkeley’de yardımcı fizik profesörü olarak çalışan ve geçtiğimiz hafta Physical Review Letters bülteninde çevrim içi yayımlanan bir makalenin kıdemli yazarı olan Benjamin Safdi şöyle aktarıyor: “Eğer 1987A süpernovası gibi bir süpernovayı modern bir gama ışını teleskobuyla görecek olsaydık, en ilginç aksiyon olan bu QCD aksiyonunu parametre alanının büyük bir kısmında tespit edebilir veya eleyebilirdik; esasında laboratuvarda araştırılamayan parametre alanının tamamını ve laboratuvarda araştırılabilen parametre alanının büyük bir kısmını. Üstelik hepsi 10 saniye içerisinde olurdu.”
Fakat araştırmacılar, uzun bir süredir geciken bu süpernovanın yakındaki bir evrende patlaması halinde aksiyonların ürettiği gama ışınlarını görmek için hazır olmayacağımızdan kaygı duyuyor. Bilim insanları şimdilerde gama ışını teleskoplarını yapan meslektaşlarıyla konuşup, gökyüzünün %100’ünü 7/24 kapsayacak böyle bir teleskobu veya bir teleskop filosunu fırlatıp tüm gama ışını patlamalarını yakalamayı güvence altına almanın imkanını değerlendiriyor. Hatta tam gökyüzü gama ışını uydu takımları için bir isim bile önermişler; Süpernova için GALaktik AKSiyon Cihazı veya GALAXIS.
“Bence bu makaledeki herkes, sıradaki süpernovanın doğru cihazlarımız olmadan gerçekleşmesinden endişe duyuyor” diyor Safdi. “Yarın bir süpernova patlarsa ve aksiyonu tespit etme fırsatını kaçırırsak bu çok büyük bir utanç olur; bu fırsat bir 50 yıl daha gelmez.”
Safdi’nin eş yazarları arasında yüksek lisans öğrencisi Yujin Park ve doktora sonrası araştırma görevlileri Andrea Manzari ile Inbar Savoray var. Bu dört bilim insanı, UC Berkeley’in fizik bölümünün ve ABD Ulusal Lawrence Berkeley Laboratuvarındaki Kuramsal Fizik Grubu’nun üyeleri.
QCD aksiyonları
Karanlık maddeye dönük yürütülen aramalar esasen soluk, ağır ve kompakt hale cisimleri (MACHO’lar) üzerine odaklanmıştı. Kuramsal olarak galaksimize ve evrene yayılı durumda oldukları düşünülen bu cisimler somutlaşmadığında, fizikçiler kuramsal olarak etrafımızda dolaşan ve Dünya tabanlı laboratuvarlarda tespit edilebilmesi gereken temel parçacıkları aramaya başlamışlardı. Bu zayıf etkileşimli ağır parçacıklar (WIMP’ler) da ortaya çıkmamıştı. Bilim insanlarının şu an karanlık maddeye yönelik en iyi adayı, standart fizik modeline güzel biçimde uyan ve parçacık fiziğinde öne çıkan diğer bilmeceleri çözüme kavuşturan bir parçacık olan aksiyon. Aksiyonlar, evrenin altında yatan geometriye dönük bir hipotez olup kozmik ölçeklerdeki etkileşimleri açıklayan kütleçekim ile son derece küçük olan şeyleri tanımlayan kuantum mekaniği kuramını birleştirebilecek sicim kuramından da düzgün şekilde çıkıyor.
“Aksiyon gibi parçacıklar olmadan kuantum mekaniğiyle birleşen tutarlı bir kütleçekim kuramı neredeyse imkansız gibi görünüyor” diyor Safdi.
Aksiyonlar, Evren Araştırmacılarının Beklediği Fosil Olabilir
Aksiyon için en güçlü aday, adını geçerli kuvvetli güç kuramı kuantum kromodinamiğinden alan QCD aksiyonu. Bu aksiyon, zayıf şekilde olsa da bütün maddelerle doğanın dört kuvveti üzerinden etkileşime giriyor: Kütleçekim, elektromanyetizma, atomları bir arada tutan kuvvetli güç ve atomların parçalanmasını açıklayan zayıf güç yoluyla. Bu durumun bir sonucu da; güçlü bir manyetik alanda bir aksiyonun bazen bir elektromanyetik dalga veya fotona dönüşmesinin gerekmesi. Aksiyon, bir diğer hafif ve zayıf etkileşimli parçacık olan ve sadece kütleçekim ile zayıf kuvvet üzerinden etkileşime girip, elektromanyetik kuvveti tümden es geçen nötrinodan çok farklı.
Hepsinde de UC Berkeley araştırmacılarının yer aldığı ALPHA Konsorsiyumu (Aksiyon Boylamsal Plazma HAloskobu), DMradio ve ABRACADABRA gibi laboratuvar tezgahınde yürütülen deneylerde, bir ses çatalı gibi düşük kütleli bir aksiyonun güçlü bir manyetik alan karşısında dönüşmesiyle oluşan zayıf elektromanyetik alanla ya da fotonla yankılanan veya bunun gücünü artıran kompakt boşluklar kullanılıyor.
Alternatif olarak astrofizikçiler, 1987A gibi çekirdeği çöken bir süpernovanın hemen ardından nötron yıldızlarının içerisinde oluşan aksiyonları aramayı önermişti. Fakat şimdiye kadar çoğunlukla, bu aksiyonların galaksilerin manyetik alanlarında yavaşça fotonlara dönüşmesinden çıkan gama ışınlarının tespitine odaklanmışlardı. Safdi ve meslektaşları, bu sürecin gama ışını üretmede çok etkili olmadığının farkına varmış; en azından Dünya’dan tespit edilecek kadar etkili olmadığının.
Bilim insanları bunun yerine, aksiyonları oluşturan yıldızın etrafındaki güçlü manyetik alanlarda yer alan aksiyonların oluşturduğu gama ışınlarını araştırmışlar. Süperbilgisayarlarda yapılan canlandırmaların gösterdiği üzere bu süreç, çok etkili bir şekilde aksiyonun kütlesine bağlı olan bir gama ışını patlaması meydana getiriyor ve bu patlamanın, sıcak nötron yıldızının içerisinden çıkan bir nötron patlamasıyla eş zamanlı olarak meydana gelmesi gerekiyor. Ancak bu aksiyon patlaması, nötron yıldızı oluştuktan sonra yalnızca 10 saniye sürüyor ve yıldızın dış katmanlarının patlamasından saatler önce meydana geliyor; sonrasında oluşum oranı çarpıcı şekilde düşünüyor.
Kara Deliğe Atılan ‘Aksiyon Bombası’, Temel Fizik Kanunlarına Meydan Okuyor
“Bu durum bizi, aksiyon laboratuvarları olarak aksiyon aramak üzere en uygun hedeflerin nötron yıldızları olduğunu düşünmeye sevk etti” diyor Safdi. “Nötron yıldızlarında birçok ilginç şey oluyor. Son derece sıcak cisimler. Ayrıca çok güçlü manyetik alanları var. Evrenimizdeki en kuvvetli manyetik alanlar, laboratuvarda yapabileceğimiz herhangi bir şeyden on milyarlarca kat daha büyük manyetik alanlara sahip magnetarlar gibi nötron yıldızlarının etrafında bulunuyor. Bu durum, o aksiyonların gözlemlenebilir sinyallere dönüştürülmesine yardımcı oluyor.”
Safdi ve meslektaşları, iki yıl önce QCD aksiyonunun kütlesine yönelik en iyi üst sınırı yaklaşık 16 milyon elektron volt ya da elektronun kütlesinden 32 kat kadar daha düşük olarak belirlemiş. Bu tespit, nötron yıldızlarının soğuma oranına dayanıyor. Soğuma, aksiyonlar bu sıcak, kompakt cisimlerin içerisinde nötrinolarla birlikte oluştuğunda daha hızlı gerçekleşiyor.
UC Berkeley ekibi, mevcut çalışmada bir nötron yıldızına dönüşen çekirdek çöküşünün ardından gama ışını üretimini tanımlamakla kalmıyor; aynı zamanda 1987A süpernovasından çıkan gama ışınlarının tespit edilmeyişinden faydalanarak, aksiyon benzeri parçacıkların kütlesine yönelik şimdiye kadarki en iyi sınırlamaları da koyuyor (bu parçacıklar, güçlü kuvvet yoluyla etkileşime girmemeleri bakımından QCD aksiyonlarıyla farklılık gösteriyor).
Araştırmacılar bir gama ışını tespitinin, 50 mikroelektron voltun (mikro-eV veya μeV) üstünde veya elektronun kütlesinin yaklaşık 10 milyarda biri olması halinde QCD aksiyonunun kütlesini belirlemelerine olanak sağlayacağını tahmin ediyor. Safdi’nin söylediğine göre tek bir tespit, mevcut deneylerin odağını aksiyonun kütlesini onaylamaya doğru değiştirebilir. Yakındaki bir süpernovadan çıkan gama ışınlarının tespiti için en iyi seçenek bu işe ayrılmış bir gama ışını teleskobu filosu olsa da; Fermi’nin şansının yaver gitmesi çok daha iyi olur.
“Aksiyonlar için en iyi senaryo, Fermi’nin bir süpernova yakalaması olur” diyor Safdi. “Tek problem bunun düşük bir ihtimal olması. Ancak Fermi bunu görürse, kütlesini ölçebiliriz. Etkileşim kuvvetini ölçebiliriz. Aksiyonla ilgili bilmemiz gereken her şeyi belirleyebiliriz ve bu sinyalden inanılmaz derecede emin oluruz çünkü böyle bir olayı meydana getirebilecek hiçbir sıradan madde yok.”
Araştırma ABD Enerji Bakanlığından gelen fonlarla desteklenmiş.
Yazar: Robert Sanders/Berkeley – California Üniversitesi. Çeviren: Ozan Zaloğlu.
