Karanlık madde için 5 aday

Şimdiden karanlık madde için, her biri kendince etkileşime giren bir kaç aday bulunuyor.

En güçlü teleskoplarımızla dahi evrene baktığımızda orada olması gerektiğini bildiğimiz maddenin ancak bir kısmını gözlemleyebiliyoruz. Esasında, evrende gözlemlenebilen her bir gramlık atoma karşılık bunun en az beş katı “karanlık madde” denilen gözlemlenemeyen bir kütle var. Bilim insanları, onyıllardır araştırma yapsalar da, şimdiye kadar onu gözlemlemeyi başaramadılar.

Gözlemleyebildiğimiz galaksi kümeleri üzerindeki kütleçekim etkileri ve diğer fenomenler sayesinde varlığını bilebiliyoruz. Bir kümede gözlemlediğimiz madde, o kümeyi sadece kütleçekimi ile bir arada tutmak için yeterli değil. Bunun anlamı, gözlemleyemediğimiz başka maddelerin de olması. Ancak bunun ne olduğu konusunda gerçek bir fikrimiz bulunmuyor. Hatta yeni ve henüz keşfedilmemiş bir parçacık da olabilir.

Karanlık madde parçacığının etkileşime girebileceği 4 temel kuvvet bulunuyor. Bunlar, atomun çekirdeğini bir arada tutan güçlü kuvvet; radyoaktivite gibi parçacıkların bozunumunu yöneten zayıf kuvvet; yüklü parçacıklar arasındaki güçleri kontrol eden elektromanyetik kuvvet ve kütleçekimsel etkileşimleri yöneten kütleçekim kuvveti. Uzay boşluğunda maddeyi gözlemlemek için elektromanyetik kuvvet ile etkileşime girmesi ve böylece teleskoplar tarafından kaydedilebilecek ışık veya diğer elektromanyetik radyasyon salınımı yapması gerekiyor.

Şimdiden karanlık madde için, her biri kendince etkileşime giren bir kaç aday bulunuyor. Ancak, bazı kuramların diğerlerinden daha başarılı olması daha muhtemel görünüyor. Bu adaylardan en güçlü 5 adayı ise şunlar:

1.WIMP’ler

Zayıf etkileşimli büyük kütleli parçacık (weakly interacting massive particle-WIMP), vaatkar gözüken teorik bir parçacık. Bildiğimiz maddeden tamamen farklı olması gerektiği gibi uzayda büyük ölçüde gözlemlenememesini açıklayabilecek şekilde elektromanyetik kuvvetle etkileşmiyor. Her saniye Dünyanın her santimetrekaresinden, çevresindeki maddeyle sadece zayıf kuvvet ve kütleçekim ile etkileşen, yaklaşık 100 bin WIMP parçacığı geçtiği tahmin ediliyor.

Eğer WIMP’ler varsa, matematiksel modeller normal maddeden 5 kat fazla olması gerektiğini gösteriyor. Bu evrende gözlemlendiğimiz karanlık madde ihtiyacıyla örtüşüyor. Bu, çarpıştıklarında Dünya üzerindeki yüklü parçacıkların geri tepmesine neden olacaklarından XENON100 gibi deneylerde onları tespit edebilmemiz anlamına geliyor.

WIMP’ler, özellikle, “WIMP mucizesi” denen bir tesadüfle, bağımsız olarak böyle bir parçacığı öngören fiziğin Standart Modeli’nin ötesinde, çok sayıda derinlemesine araştırmanın konusu oldu.

2.Axion’lar

Axion’lar düşük kütleli, yavaş hareket eden, yükü olmatan ve maddeyle sadece zayıf bir şekilde etkileşen ve bu nedenle imkansız olmasa da belirlenmesi çok zor olan parçacıklardır. Sadece belirli bir kütledeki axion’lar karanlık maddenin ‘görünmez’ doğasını açıklayabilmektedir çünkü daha ağır veya daha hafif olmaları halinde onları görebilmemiz gerekir. Eğer axion’lar varsa bir çift ışık parçacığına (foton) bozunabilirler ve böylece biz de onları tespit edebilirdik. Axion Karanlık Madde Deneyi de dahil olmak üzere deneylerde axion’lar böyle aranmaktadır.

3.MACHO’lar

Büyük kütleli sıkı hale cisimleri (massive astrophysical compact halo object-MACHO), karanlık madde için ilk adaylardandı. Nötron yıldızları, kahverengi ve beyaz cüceler de dahil olmak üzere bu cisimler aslında olağan maddeden oluşuyor. Gözlemlenememelerinin sebebi ise hemen hemen hiç ışık yaymamaları.

Bunları gözlemlemenin bir yolu, uzak yıldızların parlaklıklarını incelemektir. Işık ışınları büyük kütleli bir cismin yakınından geçerken bükülürler. Uzak bir kaynaktan gelen ışık, daha yakındaki bir cisim tarafından odaklanarak uzak cisimde ani bir parlaklığa neden olur. Kütleçekimsel merceklenme denilen bu etki, bir galakside bulunan normal ve karanlık maddenin miktarına bağlıdır. Bu etkiyi kullanarak etrafta gizlenen madde miktarını hesaplamak için kullanabiliyoruz. Ancak, şimdi bu karanlık cisimlerin, var olan büyük miktardaki karanlık maddenin tamamı için yeterli olmasının pek muhtemel olmadığını biliyoruz.

4.Kaluza-Klein parçacığı

Kaluza-Klein parçacığı, uzay içerisinde, üç uzamsal (uzunluk, genişlik ve derinlik) boyut ile zamanın yanı sıra uzay içerisinde bükülen görünmez bir “beşinci boyut”un varlığına dayanmaktadır. Sicim teorisinin öncülü olan bu teori, 550 ile 650 protonun kütlesine eşit bir kütleye sahip olacak bir karanlık madde parçacığı olabilecek bir parçacığın varlığını ileri sürmektedir.

Bu parçacık türü hem elektromanyetizma hem de kütleçekim ile etkileşebilir. Ancak, göremeyeceğimiz bir boyuta büküldüğünden, onu sadece gökyüzüne bakarak gözlemleyemeyiz. Şansımıza, bu parçacık nötrino ve foton gibi ölçebileceğimiz parçacıklara bozulduğundan deneylerde incelenmesi kolaydır. Ancak, Büyük Hadron Çarpıştırıcısı gibi güçlü parçacık hızlandırıcılar henüz bu parçacığı tespit edememiştir.

5.Gravitino

Genel görelilik ve “süpersimetri” teorileri, gravitino denen bir parçacığı öngörmektedir. Fizikte yapılan çok sayıda gözlemi açıklayabilen başarılı bir teori olan süpersimetri, tüm “bozon” parçacıklarının, yarım sayı farklı, bir açısal ivme türü olan ‘spin’e sahip bir “süpereş”inin olduğunu söyler. Gravitino, kütleçekim gücünü taşıyan kuramsal “graviton” parçacığının süpereşidir. Gravitinonun çok hafif olduğu bazı süperkütleçekim modellerinde bu parçacığının karanlık madde olması mümkündür.