Evrenin büyük bölümünü neyin oluşturduğu hala bilinmezliğini korurken, bu bilinmezliğe yaklaşmak için geliştirilen dedektör teknolojileri daha hassas hale geliyor. Texas A&M Üniversitesinden parçacık fiziği araştırmacısı Dr. Rupak Mahapatra ve ekibi, karanlık maddeyi ve çok zayıf etkileşen diğer temel parçacıkları yakalayabilecek yarı iletken tabanlı yeni nesil dedektörler geliştiriyor. Çalışmalar, hem kozmolojinin en büyük sorularından birine yanıt arıyor hem de kuantum teknolojilerinin sınırlarını zorluyor.
Bugün bildiğimiz evrenin sadece yaklaşık yüzde 5’i “normal” maddeden, yani atomlardan ve ışıktan oluşuyor. Geriye kalan büyük kısmı karanlık madde ve karanlık enerji oluşturuyor. Karanlık madde, galaksilerin bir arada kalmasını sağlayan görünmez bir kütle gibi davranırken, karanlık enerji evrenin giderek hızlanan biçimde genişlemesine neden olan itici güç olarak tanımlanıyor. Işıkla etkileşmedikleri için doğrudan görülemeyen bu bileşenler ancak yerçekimi gibi dolaylı etkilerinden anlaşılıyor.
Karanlık madde arayışı, gürültü sorunuyla karşı karşıya
Mahapatra’nın odaklandığı ana hedeflerden biri, karanlık maddenin olası adaylarından biri olan WIMP’leri, yani zayıf etkileşen ağır parçacıkları tespit etmek. Bu parçacıklar maddenin içinden neredeyse hiç etkileşime girmeden geçiyor. Bu yüzden SuperCDMS ve TESSERACT gibi deneylerde kullanılan dedektörler, mutlak sıfıra çok yakın sıcaklıklarda çalıştırılan silikon kristaller ve üzerlerine yerleştirilmiş süperiletken kuantum sensörlerinden oluşuyor. Amaç, bir WIMP silikon atom çekirdeğiyle çok nadir bir çarpışma yaptığında ortaya çıkan çok küçük enerji miktarını bile yakalayabilmek.
Öte yandan, bu aşırı hassasiyet, yeni bir sorun doğuruyor; dedektörün kendi içinden gelen mikroskobik “gürültü”. Mahapatra ve ekibinin Applied Physics Letters’ta yayınlanan son çalışması, silikon dedektörlerin içinde kendiliğinden oluşan “atermal fonon patlamaları” olarak adlandırılan olayları inceliyor. Fonon, katılarda ısının ve titreşimin kuantum parçacığı olarak düşünülebilir. Atermal fononlar ise sistemin sıcaklığıyla uyumlu olmayan, beklenmedik, aniden ortaya çıkan enerji kümeleri. Bu patlamalar, karanlık maddeden gelmesi beklenen çok zayıf sinyallerle karışabilecek “düşük enerjili fazlalık” (low energy excess, LEE) denen arka plan etkileşimlerini oluşturuyor ve gözlemlere engel oluyor.
Araştırmacılar, kalınlığı farklı iki silikon dedektörü 12 gün boyunca izleyerek bu fonon patlamalarının kaynağını karşılaştırdı. Sonuçlar, patlamaların dedektörü taşıyan silikon substratın içinden geldiğini ve substrat kalınlaştıkça bu istenmeyen sinyallerin arttığını gösterdi. Ayrıca soğutma işleminden sonra zamanla azalmaları, bu etkinin malzeme içindeki mekanik ve kuantumsal gerilimlerle ilişkili olduğunu düşündürüyor.
Bulgular yalnızca karanlık madde arayışı için değil, aynı zamanda kuantum bilgisayarlar için de önemli. Çünkü bu fonon patlamaları, süperiletken kuantum bitlerinde “kuaziparçacık zehirlenmesi” denilen, hatalara yol açan istenmeyen uyarılmalara neden olabiliyor. Başka bir deyişle, evrenin en büyük gizemlerini ararken geliştirilen dedektörler, geleceğin kuantum teknolojilerinin daha kararlı ve güvenilir hale gelmesine de katkıda bulunabilir.
Kaynak: Applied Physics Letters