
Karanlık madde gizemi, son teknoloji bir gama ışın teleskopuyla çözülebilir, tabi o an teleskop patlayan bir süpernovaya bakıyorsa… Berkeley’deki Kaliforniya Üniversitesi’nden astrofizikçiler, bir süpernovanın ilk 10 saniyesi içinde, göz açıp kapayıncaya kadar var olduklarını kanıtlayacak kadar axion adı verilen teorik parçacıkların yayılabileceğini öngörüyor. İşte bu süpernova çöküşünü yakalamak piyango çıkmasına benziyor.
Berkeley’deki Kaliforniya Üniversitesi’nden astrofizikçiler, bir süpernovanın ilk 10 saniyesi içinde, göz açıp kapayıncaya kadar var olduklarını kanıtlayacak kadar axion adı verilen varsayımsal parçacıkların yayılabileceğini öngörüyor.
Başka yollarla ikna edici bir sayıya ulaşmanın yıllar alabileceği düşünüldüğünde, yakınlardaki bir yıldız çöküşünde axion talih kuşunu yakalamak fizik piyangosunu kazanmak gibi olacaktır.
Tabii ki bu tespit için böyle bir patlamanın yakınlarına doğru zamanda bakan bir gama ışını teleskobuna sahip olmamız gerekiyor. Bu işi yapmak günümüzde yalnızca Fermi Uzay Teleskobu’na düşüyor ve bu teleskobun da gösteriyi yakalama şansıysa 10’da 1.
Bu nedenle araştırmacılar, gökyüzünün yüzde 100’ünü her zaman izleyebilecek bir gama ışını uydusu filosu olan GALactic AXion Instrument for Supernova’yı (GALAXIS) fırlatmayı öneriyorlar. Bir süpernova sırasında axionların tespit edilmesi ya da edilmemesi de aynı derecede değerli sonuçlar olabilir, ancak zaman sıkıntısı var.
UC Berkeley’de fizik profesörü olan Benjamin Safdi, “Sanırım bu makaledeki hepimiz, doğru enstrümantasyona sahip olmadan önce, bir sonraki süpernova konusunda stresliyiz. Yarın bir süpernova patlarsa ve axionu tespit etme fırsatını kaçırırsak gerçekten çok yazık olur. Bu fırsat bir 50 yıl daha geri gelmeyebilir,” diyor.
Axionlar ilk olarak 1970’lerde karanlık madde ile ilgisi olmayan bir fizik bulmacası olan güçlü CP problemine potansiyel bir çözüm olarak varsayılmıştır. Bu parçacıkların çok küçük bir kütleye sahip olduğu, elektrik yükü taşımadığı ve Evren’de son derece bol miktarda bulunduğu tahmin ediliyordu.
Ancak daha sonra diğer fizikçiler bu parçacıkların bazı özelliklerinin – örneğin bir araya toplanma biçimleri ve çoğunlukla yerçekimi yoluyla diğer maddelerle etkileşime girmeleri gibi – onları karanlık madde için iyi bir aday haline getirdiğini fark ettiler. En önemlisi, tahmin edilen bir özellik onları tespit edilebilir hale getirebilir.
Güçlü manyetik alanlarda, axionlar zaman zaman fotonlara bozunmalıdır, bu nedenle bu alanların yakınında ekstra ışık tespit etmek onları ele verebilir. Bu, onlarca yıldır laboratuvar deneylerinin ve astronomik gözlemlerin temelini oluşturuyor ve bilim insanlarının aksiyonların sahip olabileceği kütle aralığını azaltmalarına olanak tanıyor.
Nötron Yıldızları Axionları Aramak İçin En iyi Yer
Nötron yıldızları onları aramak için en umut verici yerler arasındadır. Yoğun fizikleri büyük miktarlarda aksiyon üretmeli ve daha da iyisi, güçlü manyetik alanlar bunların bir kısmını tespit edilebilir fotonlara dönüştürmelidir. Nötron yıldızı, yıldızların yaşamlarının son bulabileceği biçimlerden biridir. Bir nötron yıldızı, dev bir yıldızın Tip II, Tip Ib veya Tip Ic süpernova olarak patladıktan sonra geri kalan kısmın kendi içine çökmesiyle oluşur
Yeni makalede UC Berkeley ekibi, bir nötron yıldızının etrafında aksiyonları bulmak için en iyi zamanın aslında onun doğumu – büyük bir yıldız bir süpernova olarak patladığında – olabileceğini hesaplıyor. Yeni simülasyonlar, yıldızın çöküşünden sonraki ilk 10 saniye içinde bir axion patlamasının üretileceğini ve bunun sonucunda ortaya çıkan gama ışını patlamasının pek çok ayrıntıyı ortaya çıkarabileceğini gösteriyor.
Ekip, kuantum kromodinamiği (QCD) aksiyonu olarak adlandırılan belirli bir axion türünün, elektronun kütlesinin 10 milyarda biri olan 50 mikro-elektron volttan daha yüksek bir kütleye sahip olması halinde bu yöntemle tespit edilebileceğini hesapladı.
Axionların var olduğu ortaya çıkarsa, şimdiye kadar bulunan en kullanışlı küçük parçacıklardan biri olabilirler. Böylece tek seferde, karanlık maddeyi, güçlü CP problemini, sicim teorisini ve madde/antimadde dengesizliğini çözmemize yardımcı olabilirler.
Hipotez test edilmeye hazır – şimdi sadece bir sonraki yakın süpernovaya kadar beklememiz gerekiyor. Bu bugün ya da on yıl sonra gerçekleşebilir .Eğer Fermi teleskopu uzayın doğru bölgesine bakıyorsa bilimin en derin sorularından bazılarını saniyeler içinde yanıtlayabiliriz.
Safdi, “Axionlar için en iyi senaryo Fermi’nin bir süpernova yakalamasıdır. Bunun olasılığı çok düşük. Ama Fermi onu görseydi, kütlesini ölçebilirdik. Etkileşim gücünü ölçebiliriz. Axion hakkında bilmemiz gereken her şeyi belirleyebilirdik ve sinyalden son derece emin olurduk çünkü böyle bir olayı yaratabilecek sıradan bir madde yoktur,” diyor.
Araştırma Physical Review Letters dergisinde yayımlandı
Axion Hakkında
Zaten adını, ABD’de yaygın olarak kullanılan bir çamaşır deterjanından almış. Massachussets Teknoloji Enstitüsü’nün Nobel Ödüllü fizik profesörü Frank Wilczek, dört temel doğa kuvvetinden şiddetli çekirdek kuvveti (ya da kısaca güçlü kuvvet) ile ilgili bir sorunu “temizlediği” için yakıştırmış. Kendisinden beklenen de bir sürpriz yapıp rakip adayın önüne geçerek evrenin madde içeriğinin büyük çoğunluğunu oluşturan gizemli karanlık maddeyi aydınlığa çıkartması.
Karanlık Madde için önerilen ve protonun 1 ile 1000 katı arasında kütleye sahip oldukları varsayılan Zayıf Etkileşimli Ağır Parçacıkların (Weakly Interacting Massive Particles – WIMP) tersine, axion adlı bu kuramsal parçacıkların 1 mikroelektronvolt kütlesinde (protonun yaklaşık 2000’de 1 kütlesindeki elektronun, 2 trilyonda biri kadar) olabilecekleri düşünülüyor. Yine de bazı kuramcılar onyıllardır aranmalarına karşın bir türlü bulunamayan WIMP’lerin yerine karanlık maddeyi axionların oluşturabileceği görüşünde. Şimdi bir grup fizikçi, bu savı kesin bir teste tâbi tutma hazırlığı içinde. İlk kez 1996’da geliştirilip kullanılmaya başlandıktan sonra yeni iyileştirmelerle 2013 sonunda Washington Üniversitesi Deneysel Nükleer Fizik ve Astrofizik Merkezi’nde devreye giren bir düzenek, axionları, daha doğrusu bunların varlığının işaretlerini yakalamaya çalışacak. Yine WIMP arayışlarının tersine, Axion Karanlık Madde Deneyi (Axion Dark Matter Experiment – ADMX) adlı deneyin sonucu hızlı, net ve kesin olacak: Karanlık madde axiondan oluşuyor mu oluşmuyor mu? Evet ya da hayır!
Bu iddialı deneye hazırlanan axion, aslında kuramcılarca karanlık maddeye aday olsun diye icat edilmiş bir parçacık değil. Ortaya atılış nedeni atom çekirdekleri içinde üçlü bileşimlerle proton ve nötronları oluşturan kuark adlı temel parçacıklarla, bunları nötron ve protonlar içinde bir arada tutan güçlü kuvveti taşıyan gluon adlı parçacıkların etkileşiminde “Yük-Eşleniklik (Charge-Parity , kısaca CP) simetrisi” denen bir olguda görülen tutarsızlık. CP simetrisi, kuarklar, antikuarklar ve gluonlar yer değiştirdiğinde ve yükler tersindiğinde, parçacıkların özellik ve davranışlarının değişmemesi demek. CP simetrisi olmadığında, nötronun, manyetik kutuplarından birinde daha fazla artı yük, öteki kutbunda da daha fazla eksi yük olması gerekirdi. Elektrik dipol momenti denen bu dağılımın da sözü edilen değişimlerde tersinmesi gerekirdi. Gelgelelim çok duyarlı ölçümler nötronun bir elektrik momenti olmadığını ortaya koydu. Demek ki CP simetrisi bozulmuyor. Oysa, güçlü kuvveti açıklayan kurama göre gluonlar arasındaki etkileşimlerden bazılarının, devreye parçacıkların bozunmasına yol açan “zayıf kuvvet”in de girmesiyle CP simetrisini bozması gerekiyor. “Güçlü-CP problemi” denen bu açmazdan kurtulmak için iki yol var. Biri, bu gluon etkileşimlerinin gücünü belirleyen ve θ ile gösterilen bir açının sıfırın çok yakınında (ancak 10 milyarda 1 kadar farklı) olduğu varsayılacak (ki, fizikçiler böyle “ince ayarlar”dan hazzetmezler) ya da bilinmeyen bir mekanizmanın işlediğinikabul etmek gerekecek. İşte axion da, 1977 yılında Amerikalı kuramsal fizikçiler Roberto Peccei ile Helen Quinn tarafından icat edilen böyle bir mekanizmanın parçası. İki fizikçi, boşluğun her tarafa yayılmış ve her noktada aynı olan (skaler) bir kuantum alan tarafından doldurulduğunu varsaymışlar ve bu alanın gluonlarla CP simetrisinin ihlallerini giderecek biçimde etkileştiğini öne sürmüşler. Önerilen mekanizmaya göre gluonlar ve bu kuantum alan, her zaman için alanı θ’yı sıfıra götürecek biçimde etkileşiyorlar. Axionlar da bu kuantum alanla ilgili parçalar.
Axionlar, güçlü kuvveti sorunundan kurtarmaya odaklanmış Peccei-Quinn açıklamasının bir yan ürünü. Büyük patlamanın ardından maddenin görece yoğun ve seyrek olarak topaklandığı bölgelerde θ’nın değeri farklıydı. İlk anlarında katrilyonlarca derece sıcaklıkta olan evren Evren genişleyip soğudukça her bölgedeki θ değeri 0’a yuvarlanıp bu en düşük nokta civarında salınmaya başladı. Kuramcılar, başlangıçta θ’nın sıfırdan ne kadar uzak olduğuna bağlı olarak bu salınmaların değişik miktarlarda aksiyon ürettiğini düşünüyorlar. Bu axionların günümüzde evrendeki karanlık maddeyi oluşturabilecek bollukta olduğu varsayılıyor.
Kozmolojik ve astrofiziksel gözlemler axionun özelliklerine bir takım sınırlar getiriyor. Örneğin, kütlesi en az elektronunkinin 2 trilyonda 1’i kadar olmalı. Aksi halde evren ilk evrelerinde öylesine çok axion üretirdi ki, bunların kütleçekimi evrenin geometrisini bükerdi. Ama kütleleri, 1000 mikroelektronvoltu da (elektron kütlesinin iki milyarda biri) aşamaz; çünkü bu sefer de axionlar çekirdek tepkimelerini etkiler ve örneğin Güneş’in merkezini soğutur, kırmızı dev yıldızlarda helyum yanmasını önleyebilir, sıradan madde ve fotonlarla etkileşmedikleri için de çöken çekirdek içinden hızla ve büyük miktarlarda fırlayıp beraberlerinde enerji götürdükleri için süpernova denen yıldız patlamalarının ışınım süresini kısaltırlardı.
Axionları yakalamak teoride basit: Gerçi bunlar kendi kendilerine son derece yavaş bozunuyorlar. Örneğin elektronun ikitrilyonda biri kütlede bir axionun iki fotona bozunma süresi 1050 (Yüz bin katrilyon kere katrilyon kere katrilyon) yıl olarak hesaplanıyor!
Kaynak: https://kurious.ku.edu.tr/axion-karanlik-evreni-agartma-pesinde/