Karanlık Maddenin Sırrını Çözmenin Anahtarı mı?
Karanlık madde, evrenin madde içeriğinin %84’ünü oluşturmasına rağmen, hala gizemini koruyan bir fenomendir. Karanlık maddeyi oluşturan parçacıklar (varsa) şimdiye kadar doğrudan ya da dolaylı olarak tespit edilememiştir. Karanlık maddeyi anlamak için fizikçiler dünyanın dört bir yanında çeşitli deneyler ve teoriler geliştirmektedir. Bu çalışmalardan biri de karanlık foton ya da dark foton adı verilen hipotetik bir parçacık üzerinedir. Karanlık foton, elektromanyetizmanın fotonuna benzer bir kuvvet taşıyıcısı olarak önerilmiş, ancak karanlık maddeyle bağlantılı olabilecek bir gizli sektör parçacığıdır. Bu yazıda, karanlık fotonun ne olduğunu, nasıl araştırıldığını ve karanlık maddeye ışık tutabilecek bir vektör portalı olup olmadığını inceleyeceğiz.
Karanlık Foton Nedir?
Karanlık foton, Parçacık Fiziğinin Standart Modeli’ni yeni bir abelian U(1) ölçü grubuyla genişleterek tanıtılabilecek yeni bir kuvvettir. Bu yeni ölçü grubunun karşılık gelen yeni spin-1 ölçü bozonu (yani dark foton) daha sonra kinetik karışım yoluyla sıradan fotona çok zayıf bir şekilde bağlanabilir ve böylece tespit edilebilir. Karanlık foton ayrıca bazı fermiyonların yeni abelian gruba yüklenmesi durumunda Standart Model ile de etkileşebilir. Bu yüklenme düzenlemeleri, anomalilerin iptali ve Yukawa matrislerinden gelen kısıtlamalar gibi tutarlılık gereklilikleriyle sınırlanmaktadır.
Karanlık Foton Neden Önemli?
Karanlık madde, görünen maddeden çok daha baskın olmasına rağmen, bilinen doğa kuvvetlerine hiç bağlanmayan veya çok zayıf bağlanan bir maddedir. Bu nedenle, karanlık maddeyi doğrudan gözlemlemek çok zordur. Ancak, karanlık maddenin kendine özgü bir etkileşim yapısına sahip olması mümkündür. Yani, karanlık madde parçacıkları arasında da elektromanyetik veya nükleer gibi bazı kuvvetler olabilir. Dark foton, bu etkileşimlerin bir parçası olabilir ve sıradan fotona karışarak karanlık sektör ile normal madde arasında bir köprü kurabilir. Böylece, dark fotonun varlığı veya yokluğu, karanlık maddenin doğasına dair ipuçları verebilir.
Karanlık Foton Nasıl Araştırılır?
Karanlık fotonun varlığını test etmenin bir yolu, yüksek enerjili parçacıkların çarpıştırılmasıyla ortaya çıkabilecek ürünleri analiz etmektir. Parçacık fiziğinde, hadronların (özellikle proton ve nötron gibi baryonlar) iç yapısını araştırmak için elektron, müon ve nötrino gibi parçacıkların kullanıldığı sürece derin elastik saçılma denir. Bu süreçte, gelen parçacık, hedef hadronun içindeki bir kuarkla etkileşir ve bir sanal foton veya Z bozonu aracılığıyla momentum ve enerji alışverişi yapar. Bu sanal parçacık, dark fotonla karışabilir ve böylece karanlık sektörden bir sinyal oluşturabilir.
Adelaide Üniversitesi’nden uzmanlar öncülüğünde uluslararası bir araştırma ekibi, dark fotonun derin elastik saçılma sürecindeki potansiyel etkilerini inceledi. Ekip, dark foton hipotezinin, Standart Model hipotezine göre 6.5 sigma anlamlılıkta tercih edildiğini buldu. Bu, bir parçacık keşfi için bir kanıt olarak kabul edilebilir. Ekip ayrıca, karanlık fotonun kütle ve karışım açısından olası parametre alanını daralttı ve gelecekteki deneyler için öngörülerde bulundu.
Karanlık Foton Var mı?
Karanlık fotonun varlığı henüz kesin olarak kanıtlanmamıştır. Ancak, bu hipotez fizikçiler arasında büyük ilgi görmektedir. Dark fotonun varlığı, Standart Model’in ötesinde yeni bir fizik olduğunu gösterebilir. Ayrıca, karanlık maddeye dair yeni bilgiler sağlayabilir. Dark fotonun var olup olmadığını anlamak için daha fazla deney yapılması gerekmektedir. Bu deneyler, hem yüksek enerjili parçacık çarpıştırıcılarında hem de düşük enerjili hassas ölçümlerde gerçekleştirilebilir. Karanlık fotonun keşfi, evrenin gizli yüzünü aydınlatmaya yardımcı olabilir.
Sonuç
Karanlık foton, karanlık maddeyle bağlantılı olabilecek teorik bir parçacıktır. Dark fotonun varlığı, karanlık sektör ile normal madde arasında bir bağlantı kurarak karanlık maddenin doğasına ışık tutabilir. Dark fotonun varlığını test etmek için çeşitli deneyler yapılmaktadır. Bunlardan biri de derin elastik saçılma sürecidir. Bu süreçte, dark fotonun sıradan fotona karışması sonucu ortaya çıkabilecek sinyaller aranmaktadır. Dark fotonun keşfi, Standart Model’in ötesinde yeni bir fizik olduğunu gösterebilir.
Kaynaklar
Essig, R., Manalaysay, A., Mardon, J., Soto, A., & Volansky, T. (2013). First direct detection limits on sub-GeV dark matter from XENON10. Physical Review Letters , 111 (2), 021301.
Pospelov, M., Ritz, A., & Voloshin, M. (2008). Secluded WIMP dark matter. Physical Review D , 78 (11), 115012.
Thomas, A., Wang, X., White, M., & Hunt-Smith, N. (2021). Evidence for a dark photon in the deep inelastic scattering process . arXiv preprint arXiv:2109.08771.
