Hayalet Parçacığımız: Nötrino

^[1]Nötrinolar, büyük çoğunlukla yıldızların içinde oluşan parçacıklardır. Yıldız içerisinde olup bitenleri çekirdekteki termonükleer reaksiyonlar sayesinde anlıyoruz. Bu reaksiyonlar hakkındaki bilgileri de bize biricik parçacıklarımız nötrinolar veriyor.

Yıldızlar kendi kütle çekimiyle bir arada kalan nükleer füzyon reaktörleridir. Kütle çekiminin içe doğru çekimi ve sıcak gazların dışa doğru itimi arasında denge sağlanır. Kütlesi daha yoğun olan yıldızlar hızlı yaşarlar ve dehşet verici süpernova patlamalarıyla erken ölürler. İşte nötrinolar, yıldızların merkezlerindeki füzyon tepkimelerinde, süpernova patlamalarında, atmosferimizi bombardıman eden kozmik ışınlarla atmosfer molekülleri arasındaki çarpışmalarda ve parçacık bozunmalarında ortaya çıkan parçacıklar. Elektrik yükü taşımadıklarından ve temel doğa kuvvetlerinden yalnızca (belirgin açıdan) kütle çekiminden etkilendikleri için nötrinolar son derece zayıf etkileşimli parçacıklar olarak nitelenirler.

Tanım olarak nötrinolar

Işık hızına yakın (ama daha düşük) hıza sahip olan, elektriksel yükü sıfır olan temel parçacık olarak tanımlanabilir. Maddelerin içinden neredeyse hiç etkileşmeden geçebilirler. Öyle ki, milyarlarca ışık yılı kalınlığındaki kurşun bir bloktan ddahi hiçbir şey olmamış gibi geçip gidebilirler.Güneş içerisindeki füzyon reaksiyonlarından da Dünya üzerine nötrino yağmurları olmaktadır. Hatta Dünya’ya santimetre kare başına Güneş kaynaklı 60- 65 milyar nötrino düşer.

Peki maddeyle kolay kolay etkileşime girmeyen, kütlesi neredeyse sıfır, ışık hızına yakın hıza sahip, elektriksel yükü sıfır olan, milyarlarca yıldır evreni dolduran bu parçacığın varlığını nasıl keşfettik?

1930′ lu yılların başında temel parçacıkların sadece foton, elektron ve atom çekirdeği olduğu sanılıyordu. Ancak, radyoaktif bir elementle yapılan deneylerde, atom çekirdeğinin ‘bozunarak’ proton ve elektron çıkardığı gözlemlendi. Fakat bu sonuç ‘enerji korunumu ilkesi’ ihlali demekti. Bilim insanları öyle umutsuzlardı ki, “enerji korunumu yasasından” vazgeçmeyi dahi düşündüler. Fizikçi Wolfgang Pauli ise bu problemin çözümü için yüksüz ve hafif bir parçacık nötronları önerdi. Gerçekten de nötron 1932 yılında James Chadwick tarafından keşfedildi. Chadwick, bu keşfinden dolayı 1935’te Nobel Fizik Ödülü almıştır. Atom çekirdeğinde yüklü protonların yanında aynı sayıda nötronlar da bulunuyordu. Ama nötronların kütleleri hafif değil aksine protonunki kadardı. (nötron kütlesi: 1.674×10−27 kg proton kütlesi: 1.6726 × 10−27 kg)

Dahi fizikçi Enrico Fermi, günümüzde geçerli olan ‘Beta bozunumu kuramını’ ortaya attı. Beta bozunumu; atom çekirdeğindeki proton ve nötronun bir proton, bir elektron ve nötrinoya (İtalyanca küçük nötron) -dönüşmesi- bozunmasıdır. Bu kuram adeta puzzle parçaları gibi birbirini tamamlıyordu ve gözlemleri de açıklıyordu. Enerji korunumu ilkesi de vazgeçilmekten kurtulmuştu.

Nötrinolar her şeyi açıklığa kavuştursa da gözlemlenemiyordu. Sadece ‘kayıp enerji’ sinyallerinden takip ediliyordu. Maddeyle çok nadir etkileşime girdikleri için, bilim insanları 20 yıl boyunca bu hayalet parçacıkları nötrinoları keşfetmek için uğraştılar. Nihayet çok duyarlı bir detektörle ilk kez 1956’da gözlemlendi. Clyde L. Cowan ve Frederic Reines ABD’deki Savannah River nükleer reaktöründe oluşan milyarlarca nötrinodan birkaçıyla etkileşime girmeyi ve nötrinoların kesin varlığını ispatlamayı başardılar. Bu keşif Clyde L. Cowan ve Frederic Reines’a 1995’te Nobel ödülünü kazandırdı.

Hayaleti andıran nötrinonun etkileşimleri ancak çok büyük ve duyarlı detektörlerle gözlemlenebilir. Bir nötrinonun sıradan bir madde ile çarpıştığı nadir durumlarda dairesel hayaletimsi bir ışık çakması ortaya çıkar. Algılanabilmesi için oldukça büyük ve etkili parçacık detektörlerine ihtiyaç duyulmuştur. Diğer kozmik parçacıkların etkilerinden uzak olabilmek için genellikle yer altı madenlerinde inşa edilmiş içi saf su ya da başka sıvılarla doldurulmuş depolar ve çevresindeki detektörlerden oluşan “nötrino gözlemevleri” bulunmaktadır. Gerçekleşen çarpışmaların sayı ve enerjilerinden bu gizemli parçacıklarla ilgili sonuçlar çıkartıyorlar.Sadece Güneş’te meydana gelen füzyon reaksiyonlarından oluşan nötrinolar Dünya üzerinde santimetre kare başına 65 milyardır demiştik. Peki nötrinonun evrende çok miktarda olmasının nedeni nedir? Bu kadar çok nötrino nasıl oluşuyor?

Bu sorunun cevabı, Güneş dışında evrende bir çok etkileşimin sonucunda nötrinoların açığa çıkmasında saklıdır. Dünya’ya sürekli çarpan kozmik parçacıkların atmosferdeki atomlarla etkileşimlerinin sonucu bozunmasından da nötrino salınır. Bu şekilde oluşan nötrinolara atmosferik nötrino denir. Bir başka doğal nötrino kaynağı da süpernovalardır. İlk kez 1987’de Büyük Macellan Bulutu’ndaki bir süpernova patlamasından yayılan nötrinolar deneysel olarak gözlemlenebildi.Doğal kaynakların dışında, parçacık hızlandırıcıları kullanılarak da nötrino demetleri oluşturulmaktadır. Hızlandırıcılar, kontrol edilebilir bir kaynak olduğu için nötrino deneyleri için sıklıkla tercih edilir. Nötrino demeti oluşturmak için protonlar, hızlandırıcıda belli bir enerjiye kadar çıkarılıp bir hedefe çarptırılır. Etkileşim sonucunda oluşan kararsız parçacıklar bozunarak nötrino demetini oluşturur. 1965 yılından günümüze kadar birçok parçacık hızlandırıcı da ve ünlü CERN’de nötrino deneyleri yapılmaya devam ediyor.

Nötrinoyu öteki yüklü atom altı parçacıklardan farklı kılan en önemli özellik kütlesinin çok küçük olmasıdır. Uzun süre nötrinoların, tıpkı fotonlar gibi hareket eden kütlesiz parçacıklar olduklarına inanıldı. Son birkaç yılda ise, Güneş tarafından salınan veya kozmik ışınların atmosfere çarpmasıyla oluşan nötrinolar üzerinde çalışan fizikçiler, nötrinoların çok az da olsa – elektronun on milyonda biri kadar – bir kütle taşıdığını keşfettiler. Şimdiye değin, nötrinonun kütlesini ölçmek için tasarlanan deneylerde kütle için yalnızca üst bir limit konabildi. Henüz tam kütle ölçümü yapmayı başaramadık.Standart Modele göre nötrinolar üç tiptir: Elektron nötrinosu, müon nötrinosu ve tau nötrinosu.

Evrim Ağacı'ndan Mesaj

Neden Desteğe İhtiyacımız Var?

Aslında maddi destek istememizin nedeni çok basit: Çünkü Evrim Ağacı, bizim tek mesleğimiz, tek gelir kaynağımız. Birçoklarının aksine bizler, sosyal medyada gördüğünüz makale ve videolarımızı hobi olarak, mesleğimizden arta kalan zamanlarda yapmıyoruz. Dolayısıyla bu işi sürdürebilmek için gelir elde etmemiz gerekiyor.

Bunda elbette ki hiçbir sakınca yok; kimin, ne şartlar altında yayın yapmayı seçtiği büyük oranda bir tercih meselesi. Ne var ki biz, eğer ana mesleklerimizi icra edecek olursak (yani kendi mesleğimiz doğrultusunda bir iş sahibi olursak) Evrim Ağacı'na zaman ayıramayacağımızı, ayakta tutamayacağımızı biliyoruz. Çünkü az sonra detaylarını vereceğimiz üzere, Evrim Ağacı sosyal medyada denk geldiğiniz makale ve videolardan çok daha büyük, kapsamlı ve aşırı zaman alan bir bilim platformu projesi. Bu nedenle bizler, meslek olarak Evrim Ağacı'nı seçtik.

Eğer hem Evrim Ağacı'ndan hayatımızı idame ettirecek, mesleklerimizi bırakmayı en azından kısmen meşrulaştıracak ve mantıklı kılacak kadar bir gelir kaynağı elde edemezsek, mecburen Evrim Ağacı'nı bırakıp, kendi mesleklerimize döneceğiz. Ama bunu istemiyoruz ve bu nedenle didiniyoruz.

Destek Ol

Elektron nötrinosu, protonun nötrona dönüşmesi sırasında ortaya çıkar. Beta bozunmasının bir formudur.Leon M. Lederman, Melvin Schwartz ve Jack steinberger’e 1988 Nobel Ödülü almalarını sağlayan 1962’deki çalışmalarında müon nötrinosunu (Vµ) bularak tek tip nötrino olmadığını ispatladı. Müon nötrinosu müon bozunmalarından kaynaklanmaktadır. Tau nötrinosu (Tt) varlığı Büyük Elektron-Pozitron Çarpıştırısı tarafından keşfedildi.

Nötrinoların bir diğer özelliği de salınım yapmalarıdır. Zayıf etkileşmeler ile üretilen nötrinolar uzayda yoluna devam ederken farklı çeşnideki bir nötrinoya peryodik geçiş yaparlar. Buna “nötrino salınımları” denir. Örneğin; CERN’deki hızlandırıcılarda beta bozunması yoluyla oluşturulan müon nötrinonun bir bölümü uzunca bir yol kat ettikten sonra salınım yaparak tau nötrinoya dönüştüğü görülmüştür.Nötrino salınımlarına ilişkin ilk ipuçları, Güneş’ten gelen nötrinoların gözlenmesinde ortaya çıktı. İlk kez Ray Davis 1960’tan itibaren Güneş’ten gelen nötrinoları gözlemledi. Nötrinoların salınım yapma olasılığı kat ettikleri mesafeyle doğru orantılıdır. Güneş’ ten oluşan nötrinolarının üçte ikisinin detektöre ulaşıncaya kadar salınım yapıp başka nötrino türlerine (müon veya tau) dönüştüğü gözlendi. Elde edilen sonuçlar ışığında, Güneş’ten gelen nötrinoların ortalama 35.000 km yol katlettikten sonra salınım yaptığı anlaşıldı.

“Nötrinolar bize ne anlatıyor, neden nötrino çalışmaları önemli?” Derseniz, evren ve oluşumu hakkında önemli bilgiler vereceğini söylemeliyiz. Bunun için nötrinolar üzerinde çok fazla duruluyor. Önümüzdeki yıllarda gerçekleştirilecek deneylerde bunu daha iyi anlayabileceğiz. Şu an için bilim insanları şu sorular üzerinde duruyor:

Üçten fazla nötrino var mıdır?

• Nötrinolar kütlelerini nasıl kazanıyor?

• Nötrinoların kütlesi nedir?

• Nötrinolar karanlık maddeyi oluşturur mu?

• Standart modeli ihlal eder mi?

• Nötrinolar bize evren hakkında ne söylüyor?

• Nötrinolar, evrendeki madde-antimadde asimetrisi açıklamaya yardımcı olabilir mi?