İtalya'daki Gran Sasso Ulusal Laboratuvarı'ndaki (LNGS) DAMA/LIBRA deneyi, yaklaşık 20 yıl önce, Samanyolu'nun karanlık madde hâlesiyle bir etkileşim sonucu üretilen bir sinyal modülasyonu algılamış olduğunu gösteren veriler yayımlamaya başlamıştı. DAMA/LIBRA personeli, yıl boyunca bir kosinüs dalgası sergileyecek şekilde değişen sinyaller alındığını, bunların karanlık maddenin imzası olduğunu bildirmişti.

Ancak bir sorun vardı: Bulgular ilan edildiğinden beri, başka hiçbir deneyde böyle bir imza doğrulanamıyordu. Diğer deneylerde farklı malzemeler ve analitik teknikler kullanılıyordu ve uyumsuzluğun bundan ileri gelip gelmediğini açıklığa kavuşturmak için Güney Kore'deki Yangyang Yeraltı Laboratuvarı'nda (Y2L), yerin 700m altında COSINE-100 deney düzeneği inşa edildi.

Neden Kosinüs Dalgası?

Karanlık maddenin, bilinen evrenin %27 civarındaki bir kısmını oluşturduğu düşünülüyor; sıradan maddenin ise %4 oranında olduğu ve geriye kalan %69'u ise karanlık enerjinin oluşturduğu sanılıyor. Karanlık madde, normal madde ile zayıf olarak etkileştiği için şimdiye dek sadece yıldızlar, gökadalar ve gökada kümeleri gibi görünür cisimler üzerindeki kütleçekimsel etkilerinden varlığı hakkında çıkarım yapılabildi.

En geniş kabul gören modele göre, dünyanın, güneşin ve gökadanın kendisinin birleşik hareketi sonucunda, dünya üzerindeki bir gözlemci, bir karanlık madde rüzgarı görebilir. Daha ayrıntılı belirtmek gerekirse, gözlemci, "zayıf etkileşen büyük kütleli parçacık" (İng. weakly interacting massive particle - WIMP) rüzgarı görür; bu parçacıklar, karanlık maddeyi oluşturdukları düşünülen varsayımsal (hipotetik) parçacıklardır. Dünyanın güneş çevresindeki yıllık yörüngesi sırasında, gezegen rüzgara ters yönde ilerlerken algıçın bu parçacıklarla etkileşiminden ileri gelen sinyaller artarken, rüzgar ile aynı yönde ilerlerken azalır. Çalkalanma, bir kosinüs eğrisi sergiler.

Sinyaller Doğrulanamadı

COSINE-100'ün ilk 59,5 gününde toplanan veriler, Nature dergisinin Aralık 2018 sayısında yayımlanan bir makale ile paylaşıldı. Uluslararası katılımcılardan oluşan bir ekibi olan COSINE-100'ün Brezilya grubundan Nelson Carlin Filho, bu verilerin DAMA/LIBRA verilerini doğrulamadığını belirtiyor. Elde ettikleri sonuçların WIMP imzasına karşılık gelmediğini ekleyen Filho, bu olumsuz sonuçların özellikle önemli olduğunu, çünkü her iki deneyde de sodyum iyodid (NaI) kristallerinden yapılan algıçlar kullanıldığını vurguluyor. Dolayısıyla bir deneyde algılanan sinyallerin, normal olarak diğerinde de algılanması beklenirdi.

"DAMA/LIBRA araştırmacılarının hatalı olduğunu söylemiyoruz. Gerçekten sinyallerde bir periyodik modülasyon yakalamış olabilirler. Ancak, karanlık madde modeli önemli ölçüde modifiye edilmedikçe, sinyallerin WIMP'lerle etkileşime atfedilmesi oldukça düşük bir olasılık. Her hâlükarda, bizim çalışmamız daha başlangıç aşamasında. DAMA/LIBRA tarafından iddia edilen yıllık modülasyonun tamamen doğrulanması ya da itirazı için birkaç yıllık veri gerekecektir," diyor Filho.

Deney Düzeneği ve Verilerin Çözümlenmesi

COSINE-100 algıcı, toplam kütleleri 106 kg olan 8 tane talyum dolgulu sodyum iyodid kristalinden oluşuyor. Kristalde depolanan enerji miktarını ölçmek için her bir kristal, iki foto-çoğaltıcı tübe bağlı bulunuyor. Tüm dizi, 2.200 litrelik sıvı sintilatöre daldırılıyor ve bakır, kurşun ve plastik sintilatör panellerle çevreleniyor. Algıcı yerin 700 metre altına inşa etme kararının üzerine tüm bu zırhlamanın amacı, kozmik ışınların (müonların), kozmik arka alan ışınımının ve algıcın yapıldığı malzemelerden yayılan parçacıkların neden olacağı gürültüyü azaltmak.

Karanlık madde parçacıkları ile algıç malzemesi arasındaki etkileşimleri gözlemleme olasılığının çok düşük ve zırhlamanın yanı sıra, arka plan katkılarını elemek için sinyallerin şeklini çözümlemek de önemli. Monte Carlo simülasyonları ve başka kaynaklarla, karanlık madde hâlesinin standart modelini kullanarak çok gelişmiş istatistiksel çalışmalara dayanan COSINE-100 araştırmacıları, WIMP ile algıç malzemesindeki çekirdekler arasındaki etkileşimler için "dışarlama sınırı" olarak düşünülen bir eğri tanımladı.

Bu sınır, önceki deneylerde ortaya konan sınırlarla kuvvetlendirildi ve ince ayarı yapıldı. Eğri, iki boyutlu bir Kartezyen koordinat sistemi kullanılarak çizildi. WIMP-nükleon saçılma tesir kesitleri (etkileşimlerin olasılığını temsilen) Y-ekseninde, WIMP kütlesi ise X-ekseninde gösterildi. Koordinatları dışarlama sınırının altında çizilebilen her olay, bir WIMP-nükleon etkileşimi adayıydı. Sınırın üzerinde yerleşen olaylar ise modele göre, etkileşim için gerekli koşulları sağlamıyordu.

"DAMA/LIBRA sinyalleri dışarlama sınırının üzerindeydi. DAMA/LIBRA ile aynı malzemeden yapılan algıçlar kullanmasına ek olarak, COSINE-100'ün benzer olay seçim teknikleri kullandığına da dikkatinizi çekerim. Bu da deneylerdeki farklara bağlı sonuç uyuşmazlıklarını en aza indirir. Biz karanlık madde bulmadık ve DAMA/LIBRA ölçümlerinin, karanlık madde hâlesinin standart modeliyle uyumlu olmadığını keşfettik," diyor Carlin Filho.