Karanlık Foton: Evrenin Görünmeyen Işığı

Kerem Tekin

Görmediğimiz Bir Evren

Geceleyin gökyüzüne baktığımızda gördüğümüz her şey, yani yıldızlar, gezegenler, galaksiler, aslında evrenin küçük bir parçası. Hesaplar, evrendeki maddenin yaklaşık beşte dördünün bizim bildiğimiz türden olmadığını söylüyor. Buna karanlık madde diyoruz, ama dürüst olmak gerekirse bu isim biraz da "ne olduğunu bilmiyoruz" demenin kibar bir yolu.

Karanlık maddenin varlığını galaksilerin dönüş hızlarından ve ışığın bükülmesinden anlıyoruz. Ama onu doğrudan hiç göremedik. Fizikçiler de yıllardır şu soruyu soruyor: Ya bu görünmeyen dünyanın da kendine ait bir ışığı varsa? Karanlık foton fikri tam da bu sorudan doğdu.

Karanlık Foton Nedir?

Bildiğimiz foton, elektromanyetik kuvveti taşıyan parçacıktır. Güneşin ışığı, telefonumuzun sinyali, mıknatısın buzdolabına yapışması; hepsinin arkasında fotonlar var. Karanlık foton ise bunun hayali bir kuzeni gibi düşünülebilir. Karanlık madde parçacıkları arasında işleyen gizli bir kuvvet varsa, o kuvveti taşıyan parçacık karanlık foton olurdu.

Fikrin kilit noktası 1986'da fizikçi Bob Holdom'un önerdiği bir mekanizma: kinetik karışım. Buna göre karanlık foton, sıradan fotonla çok zayıf bir şekilde "karışabilir". Yani tamamen görünmez değil; arada bir, çok nadiren, bizim dünyamızdaki elektronlarla ve protonlarla etkileşebilir. Bu karışımın gücü genelde Yunan harfi epsilon (ε) ile gösteriliyor ve muhtemelen çok, çok küçük bir sayı.

Sıradan fotonun aksine karanlık fotonun bir kütlesi olabilir. Bu kütle ne kadar? Kimse bilmiyor. Teoriler, bir elektronun milyarda biri kadar hafif olmasından bir protonun birkaç katı kadar ağır olmasına kadar geniş bir aralığı mümkün görüyor. İşte arama işini bu kadar zorlaştıran şey de bu belirsizlik.

Peki Nasıl Aranıyor?

Görünmeyen bir şeyi aramak kulağa biraz tuhaf geliyor, biliyorum. Ama fizikçilerin elinde birkaç akıllıca yöntem var.

Bunlardan ilki parçacık hızlandırıcıları. Elektronları ya da protonları yüksek enerjide çarpıştırıp ortaya çıkan parçacıklara bakıyorsunuz. Eğer bir karanlık foton oluşup kısa süre sonra bir elektron-pozitron çiftine bozunursa, verilerde belli bir enerjide küçük bir tümsek görürsünüz. BaBar, LHCb ve Belle II gibi deneyler yıllardır tam olarak bu tümseği arıyor.

İkinci yöntem biraz daha kaba kuvvet gerektiriyor: "beam dump" yani demet boşaltma deneyleri. Burada güçlü bir parçacık demeti kalın bir hedefe gönderiliyor. Sıradan parçacıklar hedefte takılıp kalıyor, ama karanlık fotonlar oradan sızıp arkadaki dedektöre ulaşabilir. CERN'deki NA64 deneyi bu mantıkla çalışıyor; LHC'deki FASER da benzer bir fikirle, çarpışma noktasının çok ilerisinde bekliyor.

Karanlık foton çok hafifse, belki de karanlık maddenin kendisi odur. Bu durumda çok farklı bir yaklaşım gerekiyor: hassas radyo alıcılarına benzeyen "haloskop" düzenekleri. Bu cihazlar, karanlık fotonların sıradan ışığa dönüşmesiyle oluşabilecek son derece zayıf bir sinyali yakalamaya çalışıyor. Bir nevi kozmik bir radyo istasyonunu frekans frekans taramak gibi.

Neden Bu Kadar Önemli?

Şimdiye kadar hiçbir deney karanlık fotonu kesin olarak bulamadı. Bu ilk bakışta hayal kırıklığı gibi görünebilir, ama aslında her olumsuz sonuç bir şey öğretiyor. Her deney, karanlık fotonun saklanabileceği yerleri biraz daha daraltıyor. Mesela bir zamanlar müon parçacığının manyetik davranışındaki bir tutarsızlığı açıklamak için umut vadeden basit bir karanlık foton modeli vardı; sonraki ölçümler bu modeli büyük ölçüde eledi.

Ama bulunursa ne olur? Bu, karanlık maddenin sadece sessiz bir kütle yığını olmadığını, kendi kuvvetleri ve belki de kendi "kimyası" olan koca bir karanlık sektör bulunduğunu gösterir. Standart Model dışında ilk kez yeni bir kuvvet keşfetmiş oluruz. Fizik ders kitaplarının yeniden yazılması demek bu.

Ben bu konuda en çok şunu etkileyici buluyorum: Etrafımızda, belki şu an içimizden geçen, ama onunla neredeyse hiç konuşmadığımız bir dünya olabilir. Karanlık foton, o dünyaya açılan küçük bir kapı aralığı olabilir. Belki yarın bulunur, belki hiç bulunmaz. Ama aramaya değer.