Güney Dakota Kara Tepeleri’ndeki Sanford Yeraltı Araştırma Tesisinde sessiz evreni anlamak için yapılan büyük yeraltı Xenon (LUX) karanlık madde deneyi, çalışmaları tamamlandı.
Birleşik Krallık Sheffield’da düzenlenen uluslararası karanlık madde konferansında (IDM 2016), LUX bilimsel işbirlikçileri, dedektörün Ekim 2014’ten Mayıs 2016’ya kadar uzanan son 20 aylık faaliyet sonuçlarını sundular.
LUX‘un duyarlılığı, projede hedeflenen verileri aştı. İşbirliği bilim insanları, bu deney ile karanlık madde parçacıklarından iz bırakmadılar. LUX’un aşırı hassasiyeti, ekibi karanlık madde parçacıklarını ksenon hedefiyle etkileşime girerek dedektörün algıladığına inandırıyor.
Bu durum, bilim insanlarının karanlık madde deneylerinin gelecek nesillere eleştirel bir bakış açısı sağlayarak birçok potansiyel modelin kendiliğinden ortadan kaldırılmasını sağlayacak.
Brown Üniversitesi fizik profesörü ve LUX deneyinin sözcüsü Rick Gaitskell, “LUX 2013’deki ilk çalışmasından bu yana dünyanın en iyi arama hassasiyetini sağlamıştır.”
“2014 – 2016 yılları arasında elde edilen asıl sonuç ile LUX İşbirliği bilim insanları, cihazın hassasiyetini orijinal proje hedeflerinden dört kat daha iyi bir performans seviyesine çekti. İyileştirilmiş duyarlılığın net bir karanlık madde sinyali vermesi harika olurdu. Bununla birlikte, gözlemlediğimiz sadece arka planla tutarlı. ” dedi.
Karanlık maddenin, evrendeki kütlenin beşte dördünden fazlasını oluşturduğu düşünülmektedir. Bilim adamları karanlık maddenin varlığından eminler. Çünkü yer çekiminin etkileri galaksilerin dönüşü ve ışığın kainat boyunca ilerlemesinde de görülebilir.
Ancak deneyler karanlık madde parçacığı ile doğrudan temas kurmamaktadır. LUX deneyi, zayıf etkileşen büyük parçacıkları veya karanlık madde parçacıklarının lider teorik adayı olan WIMP‘leri aramak için tasarlandı.
WIMP fikri doğruysa, milyarlarca parçacık her saniyede elinizden, ayrıca Dünya ve içindeki her şeyden geçer. Fakat WIMP‘ler sıradan madde ile çok zayıf etkileşime girdiğinden, bu hayalet yolculuk fark edilmeyecektir.
LUX detektörü, bir WIMP‘nin depodaki bir ksenon atomuyla çarpışması durumunda yayılan hafif flaş ışığını ve elektrik yükünü algılamak üzere tasarlanmış güçlü bir sensörle çevrili, soğutulmuş bir sıvı ksenonun üçte birinden oluşur.
Dedektörün Sanford Lab’da bir kilometre kaya altında ve 72.000 galonluk, yüksek saflıkta bir su deposunun içindeki konumu, karanlık bir madde sinyaline müdahale edecek kozmik ışınlardan ve diğer radyasyondan korunmasına yardımcı oluyor.
Araştırmacılar, LUX‘un 20 aylık çalışmasında şimdiye kadar toplanan en büyük pozlardan birini karanlık madde deneyiyle temsil ettiğini belirtti.
Brown Üniversitesi Hesaplama ve Görselleştirme Merkezi’nde 1.000’den fazla bilgisayar düğümü kullanılarak ve Lawrence Berkeley Ulusal Laboratuarının Ulusal Enerji Araştırmaları Bilimsel Bilgisayarında gelişmiş bilgisayar simülasyonları ile 20 ay boyunca üretilen yaklaşık yarım milyon gigabayt’lık verinin hızlı analizi yapıldı.
LUX deneyinin sağladığı mükemmel hassasiyet, bilim adamlarının karanlık bir madde sinyali ile kalan arka plan radyasyonunu oluşturan olaylar arasındaki farkı anlamasına yardımcı olan ve deney ayrıntılı yapıldığında bile tamamen engellenemeyen bir dizi önleyici kalibrasyon önlemi sayesinde sağlandı.
California Üniversitesi, Lawrence Berkeley Ulusal Laboratuvarında kıdemli fizik profesörü ve LUX deneyinin ortak sözcüsü olan Dan McKinsey “LUX deneyinin şarj ve ışık sinyali yanıtı karanlık madde arama süresinde biraz farklı olduğu için, kalibrasyonlarımız radyoaktif zeminleri sürekli olarak reddetmemize, küçük bir statik yükü aramak ve telafi etmek için iyi tanımlanmış bir karanlık madde imzasını korumamıza izin verdi. “şeklinde konuştu.
Kalibrasyon tekniği olarak stand-in kullanıldı. Dedektöre bir nötron ışını göndererek, bilim adamları LUX dedektörünün WIMP çarpışmasından üretilmesi beklenen sinyale nasıl tepki verdiğini dikkatle ölçebilecekler.
Diğer kalibrasyon teknikleri, çevre radyoaktivitesi ve potansiyel bir karanlık madde sinyali tarafından üretilen sinyalleri ayırt etmeye yardımcı olmak üzere detektör içine radyoaktif gazlar enjekte etmeyi içerir.
LUX ile ilk kez kullanılan bu kalibrasyon önlemleri, bilim insanlarının karanlık madde parçacıkları için potansiyel parametre alanının geniş bir aralığında titizlikle araştırmalarına yardımcı oldu.
Deney ve Sheffield’de yeni sonuçları sunan Davis Üniversitesi’nden bir araştırmacı bilim adamı ve LUX‘un çalışma grubu koordinatörü Aaron Manalaysay “Bu dikkatli arka plan azaltma teknikleri ve hassas kalibrasyonlar ve modelleme, bir kilogram xenonda yüzyılda yalnızca birkaç olay sinyali üreten karanlık madde adaylarını soruşturmamıza olanak sağladı.” dedi.
Deney için Lawrence Berkeley Ulusal Laboratuarı fizikçi ve bilim koordinasyon yöneticisi Simon Fiorucci, “Dedektörü en uygun koşullarda çalıştırmak ve yararlı veri zamanını en üst düzeye çıkarmak için bir buçuk yıldan fazla çalıştık. Sonuç, gurur duyabileceğimiz net veriler bu çok rekabetçi alanda en uygun zamanda aldığımız bir sonuç oldu. Hatta hepimizin beklediğin olumlu bulgu olmasa bile. “dedi.
Brown Üniversitesi fizikçi Gaitskell, LUX deneyi, geniş aralıktaki kütle aralıklarını ve WIMP‘lerin mevcut olabileceği etkileşim-birleştirme kuvvetlerini başarıyla ortadan kaldırırken, WIMP modelinin kendisi “Canlı kalır.” dedi.
LUX bilim adamlarının titiz çalışmaları gelecekteki doğrudan tespit deneylerine yardımcı olacak.
Gaitskell, “Bunu Cenevre CERN‘deki çok daha Büyük Hadron Çarpıştırıcısı (LHC) ile David ve Goliath yarışması olarak gördüklerini söyledi.
“LUX, karanlık bir madde sinyali için ilk kanıtı elde edebilmek üzere son üç yıldır yarışıyordu. Şimdi, bu yıl LHC‘de yapılacak yeni koşunun karanlık madde parçacıkları hakkında delil gösterip göstermeyeceğini ya da yeni nesil bir keşif ile daha büyük doğrudan dedektörlerde gerçekleşip gelmeyeceğini görmek için bekleyeceğiz.”dedi.
Bu yeni nesil deneyler arasında Sanford Yeraltı Araştırma Tesisi’ndeki LUX’ın yerine geçecek olan LUX-ZEPLIN (LZ) deneyi olacak.
LUX‘un sıvı jenonun üçte bir tonuyla karşılaştırıldığında, LZ, LUX tarafından kullanılan harici radyasyona karşı yardım etmek için kullanılan 72 bin galonluk saf su tankına uyacak 10 ton sıvı xenon hedefine sahip olacak.
Santa Barbara Kaliforniya Üniversitesi’nden Harry Nelson ve LZ‘nin sözcüsü “LUX deneyinin yenilikleri LZ deneyi için temel oluşturuyor” “LZ‘nin LUX‘un 70 kat daha hassas olmasını bekliyoruz. LZ programı, Sanford Laboratuvarının, Enerji Bakanlığı’nın ve birçok işbirlikçi kurum ve bilim adamlarının müthiş desteği sayesinde, kilometre taşlarını geçmeye devam ediyor. LZ, 2020’de çevrimiçi olmalı. ” dedi.
Sanford Yeraltı Araştırma Tesisi’nin (Sanford Lab) Davis Kampüsü’ndeki ilk büyük astrofizik deneyi LUX, 2012’de kuruldu. Sanford Lab, Kurşun’daki eski Homestake Altın Madeni’nde bulunuyor.
Güney Dakota’ya ait tesis, Güney Dakota Eyalet Yasama Komitesinin 40 milyon dolarlık finansmanı ve hayırsever T. Denny Sanford’tan 70 milyon dolar bağış ile 2007’de madeni yeniden açan Güney Dakota Bilim ve Teknoloji Otoritesi (SDSTA) tarafından yönetiliyor. ABD Enerji Bakanlığı (DOE), Sanford Lab’ın operasyonlarını destekliyor.
DOE ve Ulusal Bilim Vakfı tarafından desteklenen LUX bilimsel işbirliği, Birleşik Devletler, Birleşik Krallık ve Portekiz’de 20 araştırma üniversitesi ve ulusal laboratuardan oluşmaktadır.
Önümüzdeki birkaç ay boyunca LUX bilim insanları, gelecekteki deneylerin nihayetinde karanlık madde parçacıklarını temizlemelerine yardımcı olmak için LUX‘un sağladığı önemli verileri analiz etmeye devam edecekler.
Gaitskell, “LUX duyarlılığı ve güvenilirliği açısından bugüne kadar beklediğimizden çok daha fazlasını yaptı,” dedi. “Dedektörlerimiz ile her zaman daha fazla zaman istiyoruz, ancak LUX‘tan alınan dersleri alıp gelecekteki karanlık madde aramalarına uygulamanın zamanı geldi.” dedi.
