Evrendeki karanlık madde parçacıklarını doğrudan tespit etmek için tasarlanan en büyük, en hassas cihazın montajı yakın zaman önce tamamlanmış ve cihaz yerin 1,5 kilometre altına indirilmişti.
Karanlık madde, evrenin toplam kütlesinin %85’ini oluşturduğuna inanılan esrarlı bir madde. Ancak sıradan madde ile etkileşimi son derece zayıf olduğu için tespit edilmesi çok zor.
Karanlık madde parçacıklarının varlığının kanıtlanması, evrenin içeriğine dair bildiklerimizi kökten değiştirecek. Zira standart fizik modelleri şu anda bu partiküllerin varlığını hesaba katmıyor.
LUX-ZEPLIN (LZ) olarak adlandırılan ve şu ana kadar yapılmış en hassas karanlık madde deneyi olan projenin ana bileşeninin montajı 2019 yılında tamamlanmış ve cihaz yerin 1,5 kilometre altına indirilmişti. Kompleksin ana parçasını oluşturan sıvı ksenon Zaman İzdüşüm Odası (TPC), Güney Dakota’daki Stanford Yeraltı Araştırma Tesisi’nde (SURF) montajı tamamlanarak çalışmaya hazır hale getirilmişti. Projenin yürütücülerinden Londra Imperial College Fizik bölümünden Prof. Henrique Araújo, “Bu ksenon dedektör, LZ karanlık madde deneyinin kalbinde yer alacak” diyor.
TPC cihazını birleştirmek için dünya çapında 37 kuruluştan toplam 250 kişi bir araya gelerek cihazın mekanik, optik, elektrik, radyolojik ve hijyenik gereksinimlerini tamamladılar.
TPC için gerekli on binlerce parçanın üretimine 2015 yılında, montajına ise 2018 sonunda başlanmıştı. 13 bin saatten uzun süren çabalar sonucunda, yer üstü laboratuvarında cihazın doğru çalışması için gerekli temizlik koşulları da sağlanmıştı.
Ayrıca SURF yer altı ve yer üstü tesisleri ile Berkeley laboratuvarı arasında yüksek hızlı veri akışı için bir ağ bağlantısı da kuruldu. Dedektörün elektronik aksamı tarafından gönderilen veriler, ESnet ağı üzerinden LZ’nin Berkeley’deki ana veri merkezi olan Ulusal Enerji Araştırma Bilimsel Bilgi işlem Merkezine (NERSC) gönderilecek.
Bir sonraki adımda ise TPC, onu soğuk tutacak olan bir odaya, kriyostat hazneye yerleştirilerek yerin 1500 metre altına, şimdi SURF tesisinin yer aldığı, artık kullanılmayan altın madenine indirildi.
Işık algılama hassasiyetini yükselten ışık çoğaltıcı tüpler SURF tesislerinde LZ için hazırlanıyor.TPC yer altına, sarsıntıları soğurmak için özel olarak üretilmiş bir kafes içinde indirildi ve ardından geçici olarak inşa edilen metal bir ray sistemi boyunca hava kızakları ile kaydırılarak deney alanına ulaştırıldı. Son olarak, yer altında hazır bulunan geniş titanyum hazneye indirilerek sıvı ksenon gazının izolasyonu için gerekli son vakumlama işlemleri gerçekleştirildi. Tüm bu parçaların taşınması bile oldukça zor. Bir devridaim sistemi, ksenon gazını iç dedektörde sürekli dolaştıracak, saflaştıracak ve sıvılaştıracak. Ksenon ağır bir element olduğu için WIMP adı verilen –varsayımsal- karanlık madde parçacıklarıyla etkileşim yapma olasılığı da daha yüksek.
Araştırmacılara göre bir WIMP (yüksek kütleli, zayıf etkileşimli parçacık), ksenon atomu ile etkileşime girdiğinde iki parlama yapacak. Bunlardan biri, parçacık ksenon atomuyla çarpıştığı anda gerçekleşecek ve ksenon atomu sıvı içinde geri çekilecek. İkinci parlama ise bu çarpışma nedeniyle sarsılan elektronlar tarafından üretilecek ve dedektörün tepesine doğru hareket edip sıvının üzerindeki gaz haldeki ksenon tabakasında hızlandırılacaklar.
Bu parlamalar insan gözü ile görülemeyeceğinden, dedektörün içi 500 adet ışık çoğaltıcı ile donatıldı. Bu son derece hassas sensörler, tek bir fotondan gelen sinyali bile algılayıp yükseltebiliyorlar.
LZ için üretilen TPC’nin tasarımı, bir etkileşimin nerede gerçekleştiğini ve sebebinin gerçek karanlık madde sinyali olup olmadığını algılayan benzer dedektörlerle test edildi. Bu dedektörler arasında, yine ABD menşeli olan ve LZ’nin temellerini atan LUX deneyi de var.
Cihazın yerin altında bulunması, karanlık madde sinyallerini engelleyebilecek (uzayda bulunan ve Dünya’yı sürekli bombalayan kozmik ışınlar gibi) diğer arka plan gürültülerinden de korunmasını sağlıyor.
Stanford Üniversitesi Ulusal Hızlandırıcı Laboratuvarından Prof. Tom Shutt ise “TPC son derece karmaşık bir sistem ve tamamen birleştirilmiş olması bile büyük bir başarı. Karanlık maddeyi bulma yönünde büyük bir adım teşkil ediyor” diyor. Shutt ayrıca bunun, ABD ve Birleşik Krallıktan grupların yıllar boyunca bir araya gelerek yaptıkları tasarım ve üretim çalışmalarının bir sonucu olması açısından da sevindirici bir durum olduğunu söylüyor.
Yazar: Matt Kapust/Rochester Üniversitesi. Çeviren: Güneş Ulukuş.
