Bu Yeni Nötrino ile Karanlık Maddeyi Bulabilecek miyiz?

0
402
Farklı tip nötrinoların ölçülmesi ve incelenmesi için farklı dedektörler yapılabiliyor. Örneğin Fermilab'da yer alan bu MiniBooNE deneyi, muon nötrinoları için özel olarak kullanılıyor. Fotoğraf: Reidar Hahn/Fermilab

Vücudunuzun içinden her saniye nötrino adı verilen 100 trilyon küçük parçacık geçiyor. Bunların neredeyse tamamı, hiç etkileşime girmeden cildinizden geçip gidiyor. Bu çekingenlikleri yüzünden, fizikçiler bu parçacıkları tespit etmekte epey zorlanıyor.

Fakat nötrino fiziği dünyası, onlarca yıldır yeni bir problemle mücadele ediyor.

Rusya’daki Kafkas Dağları’nın derinliklerinde yürütülen bir deneyde fizikçiler, geçerli nötrino kuramının pek de iyi işlemediğini gösteren bulgulara ulaştılar. Bulgular geçtiğimiz ay iki makale halinde yayımlandı. Eğer bilim insanları haklıysa, daha önce hiç görülmeyen ve çok daha zor tespit edilebilen yeni bir nötrino tipi var demektir. Üstelik bu durum, evrenimizin büyük bir kısmını meydana getiren karanlık maddeyi neden göremediğimizi de açıklayabilir.

Karanlık Maddeyi Yer Altından Arayacağız

Arlington – Texas Üniversitesinde çalışan ve yeni deneyde yer almayan nötrino fizikçisi Ben Jones, “Bence bu nötrino fiziğindeki en önemli sonuçlardan biri; en azından son beş yıl içinde” diyor.

Los Alamos deneyinde krom 51 içeren ve ışın uygulanmış bu 26 disk, galyum ile etkileşime giriyor. Bu sayede, tahmin edilen değerlere karşı ölçülebilen miktarda germanyum 71 oluşturan bir elektron nötrinosu kaynağı sunuyor. Fotoğraf: A. A. Shikhin

Tuhaf davranan nötrino vakası

Nötrinolar, sanki birer hayalet gibi etraflarında bulunan maddelerle çok nadir etkileşime giriyor. Elektrik yükleri sıfır olan bu cisimler, elektromanyetizmaya karşı duyarlı değil. Atomların merkezindeki parçacıkların birbirine bağlanmasına yardımcı olan kuvvetli nükleer etkileşimlere de dahil olmuyorlar.

Fakat nötrinolar, belli radyoaktivite tiplerinden sorumlu olan zayıf nükleer kuvvette rol oynuyor. Standart Model‘e göre bu kuramsal yapı, çağdaş parçacık fiziğinin temelini oluşturuyor.

Dünya üzerinde gözlemlediğimiz nötrinoların büyük çoğunluğu, Güneş’te meydana gelen radyoaktif süreçlerden doğuyor. Bilim insanları ise bunları izlemek için denizin altına yerleştirilen veya gezegenin kabuğunun derinliklerine gömülen nötrino gözlemevlerine bel bağlıyorlar. Bir nötrino dedektörünün düzgün şekilde çalışıp çalışmadığı her zaman kolay bilinemiyor. Dolayısıyla bilim insanları, krom 51 gibi nötrino emisyonları iyi bilinen belli izotopları yakınlara yerleştirerek cihazlarda ayarlama yapıyor.

Fakat nötrino fiziği 1990’lı yıllarda hız kazanınca, araştırmacılar tuhaf bir şey olduğunu fark etmeye başlamış. Bazı deneylerde dedektörleri ayarladıkları zaman, kuramsal parçacık fiziğinde açıklananlardan daha düşük miktarda nötrino bulmaya başlamışlar.

Örneğin 1997 yılında ABD’nin New Mexico şehrindeki Ulusal Los Alamos Laboratuvarında yürütülen bir deneyde, ABD ve Rusya’dan gelen bilim insanları bir tankı galyum ile doldurup deney düzeneği oluşturmuşlar. Galyum, sıcak yaz günlerinde sıvı halde duran bir sıvı. Nötrinolar galyuma çarptıkça, elementin atomları da parçacıkları özümsemiş. Bu işlem, galyumu daha katı bir metal olan germanyuma dönüştürmüş; yani bir tür ters radyoaktif bozunma meydana gelmiş. Fizikçiler bu germanyum üzerinde ölçüm yürüterek, tanktan ne kadar nötrino geçtiğini takip etmişler.

Fakat Los Alamos’ta çalışan araştırma takımı sistemi krom 51 ile test ettiği zaman, çok fazla galyum olduğunu bulmuş. Diğer bir ifadeyle, çok az nötrino varmış. Bu eksiklik, “galyum anomalisi” şeklinde bilinegelmiş.

Aradan geçen zamanda bu galyum anomalisine akın eden uzmanlar, kulağa cezbedici gelen bir açıklamayı araştırmışlar. Parçacık fizikçileri, nötrinoların üç “aromalı” olduğunu biliyor. Elektron nötrinoları, muon nötrinoları ve tau nötrinolarından oluşan bu nötrinoların her biri, kuantum dünyasının dansında farklı roller üstleniyor. Belli koşullar altında, nötrinoların aromalar arasında geçiş yaptığını gözlemlemek mümkün. Bu geçişler, “nötrino salınımları” şeklinde adlandırılıyor.

Bu durum, ilginç bir olasılığa yol açıyor; galyum anomalisindeki nötrinoların kayıp olmasının sebebi, başka bir gizli aromaya sıçramaları olabilir: Fiziksel dünya ile çok daha az etkileşime giren bir aromaya… Fizikçiler bu kategori için steril nötrinolar ismini seçmiş.

Steril nötrino hikayesi sadece bir fikirden ibaret olsa da, zamanla kendine destek bulmuş. Hemen hemen aynı tarihlerde Los Alamos ve Fermilab gibi yerlerde çalışan fizikçiler nötrino salınımlarını doğrudan gözlemlemeye başlamışlar. Bu gözlemleri yaptıklarında, ortaya çıkmasını bekledikleri aromaların her birindeki nötrino sayısı ile gerçekte ortaya çıkan nötrino miktarı arasında tutarsızlıklar saptamışlar.

“Ya deneylerin bazıları hatalıydı” diyor Jones, “ya da farklı bir imza taşıyan daha ilginç ve tuhaf bir şey oluyordu.”

Baksan Steril Geçişler Deneyi’nin ana düzeneği. Fotoğraf: V. N. Gavrin/BEST

Steril imzaların aranması

Peki bu steril nötrino neye benziyor? “Steril” ismi ve fizikçilerin bunları normal kanallar üzerinden tespit etmemiş olması, söz konusu parçacık sınıfının zayıf nükleer kuvvetten de uzak durduğunu gösteriyor. Bu durum, parçacıkların etraflarıyla sadece bir şekilde etkileşime girebileceklerini gösteriyor: Kütleçekim ile.

Zayıf kütleli nötrinoların evleri bellediği atom altı ölçeklerde, kütleçekim son derece zayıf. Dolayısıyla steril nötrinoları tespit etmek olağanüstü ölçüde zor.

Bu durum 21’nci yüzyıla kadar geçerliliğini korumuş. Anormallikler çok tutarsız olduğundan, fizikçiler bunların steril nötrinolara denk olup olmadığını bilemiyormuş. Anormallikler bazı deneylerde bulunurken, diğerlerinde bulunamıyormuş. Deneylerin sonucu, şartlara bağlı bir tablo çiziyor gibi görünüyormuş. “Bence birçok insan bunu böyle görüyordu” diyor Jones. “Ben böyle görüyorum.”

Bu sebeple fizikçiler, Los Alamos galyum anomalisini test etmek için yepyeni bir gözlemevi kurmuşlar. Projeye ise Baksan Steril Geçişler Deneyi veya mağrur fiziğin o zorlama kısaltma geleneğiyle BEST adını vermişler.

Gözlemevi, Rusya’ya bağlı Kabardino-Balkarya Cumhuriyeti’nde bulunan ve Gürcistan’ın dağ etekleri boyunca uzanan Baksan Nehri’nin 1,5 km altındaki bir tünelde duruyor. Rusya’nın Ukrayna’yı işgali bölgedeki yerel bilim camiasını kaosa sürüklemeden önce, parçacık fizikçilerinden oluşan uluslararası bir araştırma takımı Los Alamos galyum deneyini burada yeniden tekrarlayarak özellikle kayıp nötrinoları aramış.

Tahmin edilenden yüzde 20 ila 25 daha düşük germanyumun tespit edildiği BEST’te, anomali yeniden ortaya çıkmış. ABD Ulusal Los Alamos Laboratuvarında çalışan ve BEST deneyine katkı sağlayan parçacık fizikçisi Steve Elliot, Haziran başında yaptığı bir açıklamada şöyle aktarmıştı: “Bu sonuçlar, önceki deneylerde gördüğümüz anomaliyi kesin olarak doğruluyor. Fakat bunun ne anlama geldiği belli değil.”

Sonuç tatmin edici olsa da, fizikçiler aceleci davranmak istemiyor. Şimdilik yalnızca bir tane deneyden ibaret olan BEST, steril nötrinolara atfedilen her uyuşmazlığı açıklamıyor. (Yapılan diğer analizlerde, Fermilab’da elde edilen sonucun steril nötrinoların işareti olamayacağı öne sürülmüş ancak alternatif bir açıklama da sunulmamış.)

Güçlendirilen Büyük Hadron Çarpıştırıcısı, En Zor Sorularla Uğraşmak İçin Geri Döndü

Fakat bilim insanları başka senaryolarda da benzer kanıt bulsaydı (örneğin Güney Kutbu’ndaki buz katmanlarının altına gömülü IceCube nötrino deneyinde veya steril nötrino avlamak üzere özel olarak planlanan diğer dedektörlerde), bu durum oralarda bir şeylerin olduğunu gösteren gerçek ve zorlayıcı bir bulgu teşkil ederdi.

BEST’ten elde edilen sonuç geçerliliğini korusa ve diğer deneylerle doğrulansa bile anomaliden steril nötrinoların sorumlu olduğu anlamı çıkmaz. Keşfedilmemiş başka parçacıklar da iş başında olabilir veya tüm bu uyuşmazlık, tuhaf ve bilinmeyen bir sürecin parmak izi olabilir. Ancak steril nötrino görüşü doğruysa, dünyanın en küçük cisimlerinin ardındaki en büyük kuramda bir gedik açılmış olur.

“Sadece Standart Model’in ötesindeki fizik kuralları için değil, yeni ve anlaşılmamış fizik kuralları için de gerçek bir kanıt olur bu” diyor Jones.

Basitçe ifade etmek gerekirse; eğer steril nötrinolar varsa, bu durumun sonuçları parçacık fiziğinin çok ötesine uzanır. Steril nötrinolar, evrende görebildiğimiz maddeden altı kat fazla olan ve bileşimini halen anlamadığımız karanlık maddenin büyük çoğunluğunu meydana getiriyor da olabilir.

 

Yazar: Rahul Rao/Popular Science. Çeviren: Ozan Zaloğlu.

CEVAP VER

Please enter your comment!
Please enter your name here