Nötrino Nedir? Görünmez Bir Parçacık Olan Nötrino Araştırmaları, Neden Birçok Nobel Ödülüne Layık Görüldüler?

1988, 1995 ve 2002 Nobel Fizik Ödüllerinin konusu olan nötrinolar, 2015 yılında Takaaki Kajita ve Arthur Mcdonald’ın nötrinoların kütleye sahip olduğunu fark etmeleri ve de “nötrino salınımı” olarak adlandırdığımız, nötrinoların birbirine dönüşebilme özelliklerini keşfetmeleriyle beraber, bir kez daha Nobel ödüllü bir çalışmanın konusu oldu. Peki fizikçilerin onlarca yıl araştırdıkları, neredeyse kütlesiz ve görünmez olan bu temel parçacıklar neden 4 kere ödüle layık görüldüler? Bu parçacıklar neden bu kadar önemli? Bu soruların cevaplamadan önce ilk atomun yapısını ve parçacıkların nasıl keşfedildiğini inceleyelim.

Atomun yunanca karşılığı her ne kadar “bölünemez” anlamına gelse de, atomlar aslında temel parçacıklar değillerdir. Eğer başka bir şekilde söylemek gerekirse atomlar, bölünebilirler. Atom, elektron bulutlarıyla çevrelenmiş yoğun ve küçük bir çekirdekten oluşan bir yapıdır. Çekirdeği, proton ve nötronlardan oluşur ve onlarda temel parçacık olarak saydığımız yukarı ve aşağı kuarklardan meydana gelirler.

Wikiwand

Parçacık çarpıştırıcıları, parçacıkların ışık hızına yakın hızlara ulaşmasını sağlayarak ve birbirleri ile çarpıştırarak bilim adamlarının yeni temel parçacıklar keşfedilebilmesinde yardımcı olur. Albert Einstein’ın ünlü denklemi $E=m{c}^2$, durağan kütle ile kullanılabilir enerji arasındaki bağıntıyı gösterir. Kullanılabilir enerji, çarpışan parçacıkların sahip oldukları kinetik enerjileriyle yeni parçacık oluşumunda kullanabilecekleri enerjiyi gösterir. Hızlanan parçacık demetlerinin enerjileri ne kadar fazla olursa, bilim insanları karmaşık yapıyı o kadar fazla inceden inceye ayrıştırabilir.

Bilim insanları henüz elektronları ve kuarkları ayrıştırabilmiş değiller. Bu sebeple bu iki parçacığı "temel parçacık" olarak kabul etmekteyiz. Elektronlar ve kuarklar evrenin lego parçaları gibidirler; sıradan maddenin esas bileşenlerini oluştururlar. İlginçtir ki çarpışmalar sonucu yapılan analizlerde var olan ve bildiğimiz parçacıkların, daha ağır ve saniyeden de daha kısa süre var olan kuzenleri olarak kabul ettiğimiz parçacıklar da bulunmakta. Ama tabii ki bu parçacıklar çok kısa bir süre var oldukları için sıradan maddenin yapısında bulunmazlar. Bahsettiğimiz kuzen parçacıklarından örnek vermemiz gerekirse elektronların kuzen parçacığı dediğimiz iki tane kuzeni bulunur. Bunlar: müon ve taudur.^[1]

Nötrino Nedir?

Nötrinolara temel parçacık denmesinin sebebi, büyüklüklerinin neredeyse bir nokta kadar olması ve hiçbir şekilde bölünememeleridir. Yani "yarım nötrino" diye adlandırılan bir şeyi asla duyamazsınız. Nötrinoların diğer temel parçacıklara kıyasla kendilerine has özellikleri vardır. Bunlar: neredeyse kütlesiz olmaları ve hemen hemen hiç etkileşime girmemeleridir.

Nötrinoların kütlesinin yok denecek kadar az olmasının sebebi henüz bilinmemesine rağmen neden etkileşime hiç yaklaşmadıkları hakkında bir fikrimiz var: Nötrinolar elektromanyetik kuvvetten ve güçlü kuvvet olarak adlandırdığımız çekirdeği bir arada tutan kuvvetten hiç etkilenmezler. Sadece, yerinde bir isimle, zayıf kuvvetten etkilenirler (bir de tabii ki kütleçekimi kuvvetinden etkilenirler; ancak bu etkileşim çok azdır, çünkü hem kütleçekimi kuvveti dört temel kuvvet arasında en zayıf olanıdır hem de nötrinoların kütlesi çok azdır).

Her ne kadar nötrinolar sıradan maddenin bileşenlerini oluşturmasalar da çevremizdeki her bölgede bulunuyorlar. Her santimetre küplük alanın içinde Büyük Patlama'dan arta kalan yüzlerce nötrino bulunmaktadır ve her saniye Güneş'ten çıkıp gözümüze ulaşan ışınlarda trilyonlarca nötrino bulunmaktadır.

Nötrinoların diğer bir ilginç özellikleri de üç farklı çeşidinin ("tadının") olması ve bu çeşitlerin ("tatların") birbirlerine dönüşebilmesidir. Bu çeşitler ("tatlar"); müon, elektron ve tau nötrinoları olarak isimlendirilmişlerdir. Üçü de üç tane yüklü parçacığın eşlerine karşılık gelmektedir ve her biri ağır kuzenlerinin aksine stabil ve yüksüzdürler.^[1]

Müon, tau ve elektron nötrinoları neredeyse birbirlerinin aynısıdır ve bu da farklı nötrino çeşitlerin birbirlerine dönüşebileceği gibi teorik bir ihtimali doğurmuştur. Bu dönüşüm, üç özellik gerektirir:

• Nötrinoların kütlesinin sıfır olmaması,
• farklı türlerinin aynı zamanda farklı kütleleri olması ve son olarak,
• belirli bir nötrino türünün kuantum kombinasyonun belirli bir nötrino kütlesi olması (buna "nötrino salınımı" denir)

On yıllardır fizikçiler bu koşullarla karşılaşılamayacağını düşündüler; ancak nötrino fizikçilerinin bu konuda ümitleri hep vardı.

2015 Nobel fizik Ödülü'ne Layık Görülen Deneyler

Nötrinoların matematiksel hesaplamalarla tahmin edilen miktarı ile Dünya’ya ulaşan sayıları arasında önemli miktarda eksiklikler vardı.

1998'de Süper-Kamiokande Deneyi (İng: "Super-Kamikoande Experiment") ile Japonya’da çok önemli bir duyuru yapıldı: Müon nötrinoları, Dünya’nın atmosferinde farklı bir tür nötrinoya dönüşüyordu (şu anda bunun tau nötrinosu olduğu düşünülüyor).^[1] Eldeki kanıtlara göre bu dönüşüm, sadece Dünya’ya uzun yol kat ederek gelen nötrinolarda gözlemleniyor, Dünya’ya kısa yollarla ulaşan nötrinolarda değil ve nötrino akışının Dünya’nın her bölgesinde hemen hemen aynı olması sebebiyle bu durum, bilim insanlarının “öncesinde” ve “sonrasında” ölçüm yapabilmelerine olanak sağlıyor.

2001 ve 2002 yıllarında Kanada’da bulunan Sudbury Nötrino Gözlemevi (İng: "Sudbury Neutrino Observatory") güçlü kanıtlarla birlikte Güneş’in çekirdeğinde üretilen elektron nötrinoların Dünya’ya gelirken kaybolmadıklarını gözlemevinde başka bir nötrino türü şeklinde tekrar oluştuklarını fark ettiler (şu an müon ve tau nötrinoları türleri şeklinde ortaya çıktığı düşünülüyor).^{[2], [3]}

Ernest Orlando Lawrence Berkeley National Laboratory

Takaaki Kajita ve Arthur Mcdonald’ın ayrı ayrı yürüttükleri bu iki deney, ikisinin de Nobel Fizik Ödülü’ne layık görülmesini sağladı; çünkü eskiden nötrinolar kütlesiz parçacıklar olarak kabul edilirlerken, onlar bu görüşün doğru olmadığını ve nötrinoların aslında bir kütleye sahip olduklarını, aynı zamanda da matematiksel olarak öngörülen nötrino miktarının eksikliğinin teorik olarak hesaplanan miktarın yarısı olduğunu keşfettiler.

Bu iki deneyde de normalde mikroskobik boyutlarda gözlemlenebilen kuantum mekaniği etkileri astronomik boyutlarda da gözlemlenebilmiş oldu. Yapılan ilk çalışmadan sonra 1998 New York Times gazetesi kapağında şu başlıkla yayınlandı: “Anlaşılmaz Parçacıkta Kütle Bulundu, Evren Asla Eskisi Gibi Olmayacak!”^[4]

Nötrino Salınımı olarak adlandırdığımız nötrinonun tür değiştirebilme özelliği gösteriyor ki bu görünmez parçacıkların kendilerine ait bir kütleleri var ve her türde bu farklılık gösteriyor. Her ne kadar bilim insanları kütlelerin değerleri hakkında kesin bir bilgiye sahip olmasalar da elektronun kütlesinin yaklaşık olarak milyonda biri veya daha küçük olduğu düşünülüyor.

Bu, sadece bir gazete başlığıydı. Hikayenin geri kalanı şu: Farklı nötrino türleri arasındaki karışım gerçekten de çok büyük farklara sahip. Tahminler yanıldığında, işlerin çok ters gittiğini düşünebilirsiniz; örneğin nötrino tatlarının değişimini asla gözleyemeyebilirdik; ancak bu tür bir başarısızlık iyidir, çünkü yeni bir şey öğrenmemizi sağladı.

Ohio Eyalet Üniversitesinde fizik profesörü John Beacom, arkadaşlarının çalışmalarının takdir görmesinden çok mutlu olduğunu ve bu alanda çalışan başka kilit isimlerinde onlar gibi fark edilmesini dilediğini söylüyor ve ek olarak, nötrinoların önemini şöyle anlatıyor:

20 yıl önce nötrinolarla ilgili ilk çalışmaya başladığım zamanlar bir sürü insan, hatta öne çıkan bilim insanları da dahil, bana vaktimi boşa harcadığımı söylediler. İlerleyen dönemlerde başka bir şey hakkında çalışmam için ısrar ettiler; çünkü nötrinolarla ilgili çalışan insanlar iş bulamıyorlardı. Şu an bile bir sürü fizikçi ve astronom bizim hayali bir şeyi kovaladığımızı düşünüyorlar ama yanılıyorlar.

Nötrinolar gerçek. Hatta kütlenin oluşumunu açıklığa kavuşturabilmemizde, parçacık ve anti parçacık asimetrisinde ve belki diğer parçacıklarda ölçülemeyecek kadar güçsüz yeni kuvvetlerin oluşumunda önemli bir yere sahipler. Bunların dışında astronomide de örneğin en yüksek enerjili hızlandırıcıların açıklamasında, yoğun yıldızların içinde ne olduğu hakkında ve belki yeni ve görülmemiş astrofiziksel objelerde önemli bir yere sahipler.

Küçük Parçacıklar, Büyük Gizem!

Nötrinoların deneyimlediği zayıf kuvvet; protonu nötrona çeviren, Güneş'te ve diğer yıldızlarda nükleer füzyon reaksiyonlarının gerçekleşmesini ve de elementlerin oluşumunu sağlayan kuvvetin ta kendisi. Gerçekleştirdiği bu olaylar ışığında da “yaşamın” oluşmasını mümkün kılan kuvvet de diyebiliriz. Eğer nötrinoların kütlesi çok daha fazla olsaydı, evren çok daha farklı olurdu ve büyük olasılıkla biz bunu göremezdik. Nötrinolar karanlık maddenin anlayabildiğimiz tek bileşeni. Geri kalanları da anlamak, evrenin yapısını ve oluşumunu kavrayabilmemizde bize yardımcı olacak. John Beacom nötrinolarla ilgili düşüncelerini şu sözlerle bitiriyor:

Nötrino fiziği ve astrofizik meslekler arasında en zor olanlarından iki örnek ve çok hassas detektörlere ve teknolojiye ihtiyaç duyan iki meslek. Ama bu aletler sadece astrofizikçiler ve nötrino fizikçileri tarafından kullanılmıyor. Örneğin nötrino detektörü kullanılarak sözde bir nükleer reaktör aktif mi, güç seviyesi ne kadar ve hatta plütonyum üretiyor mu; bunları söyleyebiliriz. Böyle bakıldığında bu detektörlerin gerçek hayatta da uygulanabilirliği var.

Son on yıldır nötrino fiziği ve astronomi her ne kadar iyi olmasına rağmen en heyecanlandırıcı olaylar yeni gerçekleşti. Güney Kutbunda bulunan IceCube Nötrino Gözlemevi artık galaksimizin dışındaki yüksek enerjili nötrinoları gözlemleyebiliyor. Benim ve Mark Vagins’ın önerisiyle Super-Kamiokande nötrinolara kıyasla anti-nötrinolara olan hassasiyeti daha fazla geliştirecek bir plan yaptıklarını duyurdular. Uluslararası toplum, büyük ve yeni nötrino tesisleri kurulmasını ve güçlü nötrino demetleri İllinois’daki Fermilab’den Güney Dakota Homestake’deki yeraltı madenlerine gönderilecek.