Karanlık Madde’nin doğası, temel fiziğin en inatçı bilmecelerinden biri olmayı sürdürüyor. Aksiyonlardan WIMP’lere kadar onlarca yıldır test edilen adaylar sonuç vermeyince, parçacık fiziği ile kütleçekimini birleştirmeye çalışan kuramlar yeni bir olasılığı öne çıkardı.
Süper ağır, elektrik yüklü gravitinolar. Varşova Üniversitesi ile Max Planck Yerçekimi Fiziği Enstitüsü (AEI) ekibinin Physical Review Research’te yayımlanan son makalesi, nötrino fiziği için tasarlanmış yeni nesil yeraltı dedektörlerinin (özellikle kısa süre içinde ölçümlere başlayacak JUNO’nun) bu sıra dışı Karanlık Madde parçacıklarını yakalamak için benzersiz biçimde uygun olduğunu ortaya koyuyor. Çalışmada, temel parçacık fiziği ile ileri kuantum kimya simülasyonları birleştirilerek, bir gravitinonun dedektörde ayırt edilemezliği imkânsız netlikte bir sinyal bırakacağı gösterildi.
SÜPERKÜTLEÇEKİM VE YÜK PROBLEMİ
1981’de Murray Gell-Mann, Standart Model’in kuark ve lepton içeriklerinin, maksimum simetrisiyle öne çıkan N=8 süperkütleçekimi içinde doğalca yer aldığına işaret etmişti. Bu kuram, spin-1/2 madde parçacıklarına ek olarak spin-2 graviton ve spin-3/2 sekiz gravitino barındırıyor. Ancak Standart Model parçacıklarının elektrik yükleri bu resimde ±1/6 kayıyordu; örneğin elektronun yükü −1 yerine −5/6 görünüyor, bu da doğrudan eşlemeyi engelliyordu.
Varşova Üniversitesi’nden Krzysztof Meissner ve AEI’den Hermann Nicolai, Gell-Mann hattını izleyerek N=8 süperkütleçekimini genişleten bir çerçeve geliştirdi ve Standart Model parçacıklarının doğru yüklerini yeniden üretti. Bu modifikasyon, alışıldık simetrilerin yerine geçen, matematikte az bilinen sonsuz boyutlu K(E10) simetrisini gündeme taşıyor.
YÜKLÜ GRAVİTİNOLAR SENARYOSU
Bu çerçevenin en çarpıcı sonucu (Physical Review Letters ve Physical Review’da ayrıntılandırıldığı üzere) Planck ölçeğine yakın, milyar kere milyar proton kütlesi mertebesinde süper ağır gravitinoların elektrik yüklü olması. Sekiz gravitino bileşeninin altısı ±1/3, ikisi ±2/3 yüke sahip görünüyor. Kütleleri olağanüstü büyük olduğu ve bozunacak bir parçacık kanalı bulunmadığından, bu gravitinolar stabil; bu da onları, elektriksel olarak nötr kurgulanan aksiyon ve WIMP’lerden tamamen farklı bir Karanlık Madde adayı haline getiriyor. Üstelik çok ağır olmaları, kozmik bolluklarını aşırı seyrek kılarak ‘parlama’ gibi elektromanyetik kısıtları gevşetiyor ve yük kısıtlamalarını dolanabilecek bir pencere açıyor.
DENEYSEL PENCERE: JUNO VE DUNE
Meissner ve Nicolai’nin öngördüğü deneysel yol haritası, sıvı sintilatör veya sıvı argon gibi ortamlara dayanan dev yeraltı dedektörlerini işaret ediyor. Bu bağlamda Çin’in Jiangmen Yeraltı Nötrino Gözlemevi (JUNO) kritik bir konuma sahip: yaklaşık 40 metre çapında küresel bir kapta, özel katkı maddeleri içeren 20.000 ton organik sintilatör sıvısı ve çevresine yerleştirilmiş 17 binden fazla fotoçoğaltıcı tüp ile antineötrino özelliklerini ölçmek üzere tasarlandı.
Hazırlıklar tamamlandığında, tesisin 2025’in ikinci yarısında veri toplamaya başlaması bekleniyor. ABD’de planlanan DUNE gibi sıvı argon tabanlı deneyler de aynı arayışın güçlü tamamlayıcıları olacak.
BENZERSİZ SİNYAL TASVİRİ
Ekip; hız, iz uzunluğu ve enerji kaybı gibi parametreleri kapsayan çok ayrıntılı simülasyonlar ile bir gravitinonun sintilatör içinden geçişinin, bilinen hiçbir parçacıkla karıştırılamayacak bir olay imzası ürettiğini hesapladı.
Bu çalışma, petrolde bulunan radyoaktif C-14 bozunumlarından karanlık sayım oranlarına, fotoçoğaltıcı kuantum veriminden fotonların soğrulma ve saçılmasına kadar geniş bir arka plan kümesini içeren gerçekçi bir ortam varsayımıyla yürütüldü. Analiz, bir yandan teorik/deneysel parçacık fiziğini, diğer yandan modern kuantum kimyanın ileri yöntemlerini tek potada buluşturarak disiplinlerarası bir standart ortaya koyuyor.
KOZMOLOJİK NADİRLİK, DENEYSEL ZORLUK
Süper ağır yüklü gravitinoların Güneş Sistemi’nde yaklaşık 10.000 km³’te bir gibi aşırı seyrek olabileceği tahmin edildiğinden, arama programları dev hacimler gerektiriyor. Mevcut nötrino gözlemevleri bu açıdan sınırlıyken, JUNO ölçeği ve tasarımıyla “biçilmiş kaftan” olarak öne çıkıyor. Araştırma, aynı zamanda sıvı argon ortamlarının (DUNE) bu sinyaller için tamamlayıcı avantajlarını da masaya yatırıyor.
PLANCK ÖLÇEĞİNE AÇILAN KAPI
Süper ağır gravitinoların doğrudan tespiti, yalnızca Karanlık Madde bilmecesine yeni bir aday kazandırmakla kalmayacak; Planck ölçeğine yakın fizik için ilk doğrudan deneysel gösterge işlevi görerek, tüm temel kuvvetlerin birleştirilmesi arayışına benzersiz kanıtlar sunacak. Teorinin Standart Model madde içeriğini, ek parçacıklar gerektirmeden açıklama iddiası; elektrik yüklerinin K(E10) simetrisiyle doğru biçimde yeniden üretilebilmesi ve deneysel olarak erişilebilir bir iz bırakma potansiyeli, yaklaşımı benzersiz kılıyor.
