Büyük Hadron Çarpıştırıcısına devrim niteliğinde bir yaklaşım

CERN’in Büyük Hadron Çarpıştırıcısı’ndaki ATLAS deneyindeki araştırmacılar, yakın görünür jetler aracılığıyla karanlık maddeyi aramanın yeni bir yolunu sundular; bu, alanda büyük bir paradigma değişimini temsil ediyor. Çalışmaları, karanlık maddeyi anlamak için devam eden arayışta yeni yönler ve katı üst sınırlar sağlıyor.

Araştırmacılar, karanlık madde parçacıklarının aslında Standart Model parçacıklarından oluşan bir jet içerisinde üretilip üretilmediğini araştırıyorlar.

Karanlık maddenin varlığı evrenimizde uzun süredir devam eden bir gizemdir. Karanlık madde evrenimizin yaklaşık dörtte birini oluşturuyor ancak normal maddeyle önemli ölçüde etkileşime girmiyor. Karanlık maddenin varlığı, James Webb Uzay Teleskobu tarafından yakın zamanda çekilen çarpıcı görüntüler de dahil olmak üzere bir dizi astrofiziksel ve kozmolojik gözlemle doğrulandı. Ancak bugüne kadar karanlık maddeye ilişkin herhangi bir deneysel gözlem bildirilmemiştir. Karanlık maddenin varlığı, dünya çapındaki yüksek enerjili bilim insanlarının ve astrofizikçilerin onlarca yıldır araştırdığı bir sorudur.

Karanlık madde araştırmalarındaki gelişmeler

“Bu nedenle evrenin en derin sırlarını keşfetmek için temel bilimlerde araştırmalar yürütüyoruz. Büyük Hadron Çarpıştırıcısı CERN’in Johannesburg’daki Witwatersrand Üniversitesi Fizik Fakültesi’nden Profesör Deepak Kar, “Bu şimdiye kadar yapılmış en büyük deney ve Büyük Patlama benzeri koşullar yaratan parçacık çarpışmalarından karanlık madde belirtileri aramak için yararlanılabilir” diyor. Güney Afrika. .

ATLAS dedektöründe görünür hale yakın jetlerin mevcut olması durumunda nasıl görüneceğinin grafiksel temsili. Kredi bilgileri: CERN

CERN’de ATLAS deneyi üzerinde çalışan Carr ve eski doktora öğrencisi Sukanya Sinha (şimdi Manchester Üniversitesi’nde doktora sonrası araştırmacı), karanlık maddeyi araştırmanın yeni bir yolunu geliştirdi. Araştırmaları dergide yayınlandı, Fizik Harfleri B.

Karanlık maddeyi tespit etmek için yeni bir yaklaşım

Carr, “Geçtiğimiz birkaç on yıl boyunca LHC’de karanlık maddeye yönelik çok sayıda araştırma yapıldı ve bunlar, WIMP’ler adı verilen zayıf etkileşimli büyük parçacıklara odaklandılar” diyor. “WIMPS, ışığı absorbe etmediği veya yaymadığı ve diğer parçacıklarla güçlü bir şekilde etkileşime girmediği için karanlık maddeyi açıkladığı varsayılan parçacık sınıflarından biridir. Ancak şu ana kadar WIMP’lerin varlığına dair hiçbir kanıt bulunamadığı için, karanlık madde arayışının Kuantum sıçraması gerektirdiğini fark etti.

Dr. Sukanya Sinha ve Profesör Deepak Kar. Kredi bilgileri: Wits Üniversitesi

Carr, “Merak ettiğimiz şey, karanlık madde parçacıklarının aslında Standart Model parçacıkları akışı içinde üretilip üretilmediğiydi” dedi. Bu, bilim adamlarının daha önce hiç bakmadığı, yakın görünür jetler olarak bilinen yeni bir dedektör imzasının keşfedilmesine yol açtı.

Yüksek enerjili proton çarpışmaları genellikle sıradan kuarkların veya gluonların bozunmasından jet adı verilen parçacıklarda toplanan paralel parçacık spreyleri üretir. Yarı görünür akışlar, sanal karanlık kuarkların kısmen Standart Model kuarklara (bilinen parçacıklar) ve kısmen de kararlı karanlık hadronlara (“görünmez kısım”) bozunması durumunda ortaya çıkabilir. Genellikle ek standart model jetlerle birlikte çift olarak üretildikleri için, tüm jetler mükemmel şekilde dengelenmediğinde dedektörde enerji dengesizliği veya enerji kaybı ortaya çıkar. Kaybedilen enerjinin yönü genellikle neredeyse görünür olan jetlerden birine karşılık gelir.

Bu olay imzası dedektörde yanlış ölçülen jetler nedeniyle de ortaya çıkabileceğinden, yakınlardaki görünür jetlerin aranmasını çok zorlaştırır. Carr ve Sinha’nın karanlık maddeyi aramaya yönelik yeni yöntemi, karanlık maddenin varlığının araştırılmasında yeni yönler açıyor.

Sinha, “Doktora tezim karanlık maddenin keşfini içermese de, bu üretim tarzına ilişkin ilk ve oldukça katı üst sınırları belirliyor ve şimdiden daha ileri çalışmalara ilham veriyor” diyor.

CERN’deki ATLAS işbirliği, bunu yaz konferanslarında açıklanacak önemli sonuçlardan biri olarak vurguladı.

Referans: The ATLAS Collaboration tarafından “ATLAS Run 2 verileri kullanılarak yakın görünür jetlerin rezonanssız üretiminin araştırılması”, 11 Kasım 2023, Fizik Harfleri B.
doi: 10.1016/j.physletb.2023.138324

Burada gösterilen ATLAS kalorimetresi gibi Avrupa’daki Büyük Hadron Çarpıştırıcısında yapılan deneyler, temel parçacıkların daha hassas ölçümlerini sağlar. Görsel kaynağı: Maximilian Price, CERN

Atlas deneyimi

ATLAS deneyi, Avrupa Nükleer Araştırma Örgütü CERN’deki en önemli bilimsel çalışmalardan biridir. Dünyanın en büyük ve en güçlü parçacık hızlandırıcısı olan Büyük Hadron Çarpıştırıcısının (LHC) önemli bir parçasıdır. Cenevre yakınlarında bulunan ve “Toroidal LHC Aparatı” anlamına gelen ATLAS, fiziğin temel yönlerini keşfetmeye odaklanıyor.

ATLAS çok çeşitli bilimsel soruları araştırmak için tasarlanmıştır. Zamanın başlangıcından bu yana dünyamızı şekillendiren ve onun kaderini belirleyecek temel güçleri anlamaya çalışır. Başlıca amaçlarından biri, diğer parçacıklara kütlelerini veren Higgs alanıyla ilişkili parçacık olan Higgs bozonunu incelemektir. ATLAS ve CMS (Kompakt Muon Solenoid) deneyi arasındaki ortak çabayla 2012 yılında Higgs bozonunun keşfi fizikte çığır açan bir başarıydı.

Deney aynı zamanda kütlenin kökenleri, ekstra boyutlar ve karanlık maddeyi oluşturabilecek parçacıklar da dahil olmak üzere yeni fiziğin işaretlerini de araştırıyor. ATLAS bunu, protonların LHC’de neredeyse ışık hızında çarpışması sonucu oluşan sayısız parçacığı analiz ederek yapıyor.

ATLAS dedektörü başlı başına bir teknoloji harikasıdır. Yaklaşık 45 metre uzunluğunda, 25 metre çapında ve yaklaşık 7.000 ton ağırlığında, devasa büyüklüktedir. Dedektör, her biri proton-proton çarpışmalarından kaynaklanan farklı türdeki parçacıkları tespit etmek için tasarlanmış farklı katmanlardan oluşur. Bir dizi teknolojiyi içerir: parçacık yörüngelerini tespit etmek için izleyiciler, enerjilerini ölçmek için kalorimetreler ve fizik araştırmalarının çoğu için temel olan bir tür ağır elektron olan müonları tanımlayıp ölçmek için müon spektrometreleri.

ATLAS tarafından toplanan veriler çok büyüktür ve genellikle petabaytlarla ifade edilir. Bu veriler küresel bir bilim insanları topluluğu tarafından analiz edilerek temel fizik anlayışımıza katkıda bulunuyor ve potansiyel olarak yeni keşiflere ve teknolojilere yol açıyor.