BS Ekonomi Bağımsız Medyasını Destekleyin
Eğer abone iseniz giriş yapınız.
Güney Çin’in Guangdong eyaletindeki sık ormanlarla kaplı Dashi Tepesi’nin eteklerinde, önceden onaylanmış ziyaretçiler eşsiz bir sarı trene binebiliyor. Ancak tren huzurlu manzaranın içinden kıvrılarak ilerlemek yerine, dağın yamacının altındaki karanlığa doğru dik bir ray hattından aşağı süzülüyor. On dakikalık tren yolculuğu ve birkaç dakikalık yürüyüşün ardından ziyaretçiler, yerin altından oyulmuş devasa bir salona ulaşıyor. Burada, yarım kilometreden daha derinde, çelik ve pleksiglastan yapılmış 12 kat yüksekliğinde bir küre yükseliyor: Jiangmen Yeraltı Nötrino Gözlemevi (JUNO).
Bu hafta, on yıllık bir çalışmanın ürünü olan bu dev bilim tesisi, evrendeki en hayaletimsi parçacıkların avına başlayacak. Bilim insanları, bu sayede temel fizikte onlarca yıldır çözülemeyen bir gizemi açığa çıkarmayı umuyor.
Nötrinolar—elektron, müon ve tau olarak bilinen üç “çeşitte” bulunan—temel parçacıklardır; yıldızları ve nükleer enerji santrallerini besleyen nükleer reaksiyonlardan doğan şarapnel gibidirler. Son derece hafiftirler, elektrik yükleri yoktur ve başka hiçbir şeyle nadiren etkileşime girerler; bu da onların evrende çoğunlukla engellenmeden ve görünmeden akıp gitmeleri anlamına gelir. (Bu cümleyi okumanız birkaç saniye sürdü ve o sürede yüz trilyonlarca nötrino vücudunuzdan geçti.)
Aynı zamanda parçacık fiziğinin Standart Modeli için bir sorun teşkil ederler. Tüm bilinen parçacıkları ve kuvvetleri tanımlayan, bilim tarihinin en başarılı fikirlerinden biri olan bu model, nötrinoların hiçbir kütlesi olmaması gerektiğini öngörür. Oysa fizikçilerin gözlemledikleri bunun tam tersidir.
Yaklaşık 30 yıl önce, Japonya’daki Super-Kamiokande nötrino gözlemevinde çalışan bilim insanları garip bir şey fark etti. Dedektörlere yukarıdan (Dünya’nın üst atmosferinde yüksek enerjili kozmik ışınların atomlarla çarpışması sonucu oluşan) ulaşan müon nötrinolarının sayısı tahminlerle uyumluydu. Ancak aşağıdan, yani gezegenin diğer tarafındaki atmosferde aynı süreçlerle oluşup Dünya’nın çekirdeğinden geçerek gelen nötrinoların sayısı beklenenden çok daha düşüktü. Kısa süre sonra Kanada’daki Sudbury Nötrino Gözlemevi de Güneş’ten gelen nötrinolarla ilgili benzer bir anormallik bildirdi: Tespit edilen parçacık karışımında elektron tipi nötrinolar çok azdı. Bu gözlemler, nötrinoların uzayda yol alırken bir türden diğerine dönüşüyor olabileceği sonucuna götürdü. Ayrıca bilim insanları, böyle bir “salınımın” yalnızca nötrinoların bir kütlesi olması halinde mümkün olabileceğini biliyordu.
“Nötrino fiziği, Standart Model’in ötesindeki fiziktir,” diyor, JUNO üzerinde çalışan uluslararası ekibin bir üyesi olan Kaliforniya Üniversitesi’nden fizikçi Juan Pedro Ochoa-Ricoux. Nötrinoların kütlelerini daha derinlemesine anlamak, Standart Model’in geliştirilmesi için kritik öneme sahip. Bu yüzden JUNO’nun hedeflerinden biri de hangi nötrinonun en ağır, hangisinin en hafif olduğunu belirlemek olacak. Çin Bilimler Akademisi Yüksek Enerji Fiziği Enstitüsü’nün direktörü ve gözlemevinin baş bilim insanı Wang Yifang, bu görevin yaklaşık altı yıl süreceğini öngörüyor.
Bir meleğin iç çekişi gibi
JUNO’nun yeraltındaki deney salonunda durmak, bir katedralde olmak gibi: insanların sesleri devasa alanda yankılanıyor ve ortam, yukarıdaki orman ve tarlalara kıyasla belirgin şekilde daha soğuk. Gözlemevinin merkezindeki tank, hidrojen açısından zengin yaklaşık 20.000 ton sıvı karışımı—“sıvı sintilatör”—ile dolu. Bu tanka giren nötrinoların büyük çoğunluğu fark edilmeden geçip gidecek. Ancak çok azı, sıvıdaki protonlara çarpacak ve mavi ışık patlamaları oluşturacak. Tankın iç kısmını kaplayan yaklaşık 40.000 fotokat çarpan tüp, bu nadir parlamaları tespit etmeye hazır bekliyor.
JUNO’nun görevi, gözlemevinden 53 km uzaklıktaki iki nükleer santralden gelen nötrino sayısını ölçmek olacak. Dedektörün üzerinde 700 metre kalınlığında granit dağ bulunduğundan, uzaydan gelen yüksek enerjili yüklü parçacıkların (kozmik ışınlar) ölçümleri bozması önlenmiş oluyor. Bilim insanları, santrallerde belirli türde kaç nötrino üretildiğini biliyor. Bu nedenle JUNO’ya ulaşanlar, yolda tür değiştirmeyen nötrinoları temsil edecek. Bu da salınımın gerçekleşme hızının ölçülmesini sağlayacak.
Bu salınım hızı da nötrinoların kütlesiyle bağlantılıdır. Her nötrino türü, her biri farklı kütleye sahip üç temel durumun—v1, v2 ve v3—bir karışımıdır. Bir nötrino uzayda yol alırken bu karışımın tam oranı değişir ve parçacıkların bir türden diğerine geçmesine yol açar.
Fizikçilerin ideal olarak ölçmek istediği şey, bu üç kütle durumunun kesin değerleridir; fakat böyle doğrudan gözlemler oldukça zordur. Ancak diğer nötrino laboratuvarlarından elde edilen sonuçlar, kütle durumlarının nasıl ilişkili olabileceğine dair ipuçları vermiştir. Mevcut kanıtlar, v1’in v2’den hafif olduğu ve her ikisinin de v3’ten çok daha hafif olduğu “normal sıralama” olasılığına işaret ediyor. Diğer seçenek ise “ters sıralama”; buna göre v3 en hafif olandır, v1 ve v2 ise daha ağır tarafta yer alır.
JUNO’nun verileri, kütle durumlarının gerçek sıralamasına göre ince farklılıklar gösterecek, bu da bilim insanlarının normal mi yoksa ters sıralamanın mı doğruya daha yakın olduğunu belirlemesine imkân tanıyacak. Gözlemevi tam kapasiteyle çalışmaya başladığında, günde yaklaşık 50 nötrino tespit edilmesi bekleniyor. İstatistiksel olarak anlamlı sonuçlara ulaşmak için yaklaşık 100.000 tespit gerekecek; bu yüzden Dr. Wang, altı yıl içinde bir sonuca ulaşacaklarına güveniyor.
Teorik fizikçiler için beklemek zor olacak. Nötrino salınımı deneysel olarak doğrulandığından beri, Dr. Ochoa-Ricoux’un söylediğine göre kendisi ve meslektaşları, nötrino kütlesini açıklayabilecek Standart Model’in olası uzantıları üzerinde çalışıyor. Oklahoma Eyalet Üniversitesi’nden teorisyen Kaladi Babu’ya göre daha heyecan verici seçenek ters sıralama. Çünkü bu, bilim insanlarının nötrinoların aslında kendi anti-parçacıkları olup olmadığını test etmelerine imkân tanıyabilir.
Standart Model, tüm parçacıkların, aynı kütleye fakat (diğer şeylerin yanı sıra) zıt elektrik yüküne sahip antimadde karşılıkları olduğunu söyler. Foton gibi bazı parçacıklar ise kendi anti-parçacıklarıdır. Modeli genişletmeye yönelik bazı öneriler, bunun nötrinolar için de geçerli olabileceğini öne sürüyor. Bu öneriler, nötrinoların çok küçük kütlelere sahip olabileceğini öngören “salınım terazisi (seesaw mekanizması)”na dayanıyor; bu mekanizmada nötrinolar, henüz keşfedilmemiş, çok daha büyük kütleli diğer nötrinolarla bağlantılı olabilir. Bologna Üniversitesi’nden Silvia Pascoli gibi teorisyenlerin tercih ettiği bu mekanizma zarif bir açıklama sunuyor. Daha ağır nötrinolar, çevrelerine olan etkileri dışında henüz doğrudan gözlemlenemeyen karanlık madde için de aday olabilir.
Nötrino ve anti-nötrinoların gerçekten aynı parçacık olup olmadığını test etmek için fizikçilerin, kalsiyum ve germanyum gibi elementlerin radyoaktif izotoplarını incelemesi gerekiyor. Bu elementler bazen radyoaktif bozunma sırasında iki elektron ve iki anti-nötrino yayar. Eğer nötrinolar gerçekten kendi anti-parçacıklarıysa, bilim insanları çok nadiren, hiç anti-nötrino salınmadığı bir bozunma versiyonunu gözlemlemelidir.
Böyle bir olayın gözlemlenmesi için bilim insanlarının ne kadar beklemesi gerektiği—hipotez doğruysa—nötrino kütle durumlarına bağlıdır. Eğer sıralama ters ise, bu olay yeterince sık gerçekleşmeli ve İtalya’daki LEGEND deneyi, İspanya’daki NEXT deneyi veya onların halefleri gibi hassas deneyler önümüzdeki on ila on beş yıl içinde bu olayları yakalayabilmelidir. Bologna Üniversitesi’nden Dr. Pascoli, “Bu, köşeyi dönünce karşımıza çıkacak yeni bir fizik olurdu” diyor. Ancak sıralama normal ise, bu sürecin herhangi bir dedektörün yakalayamayacağı kadar nadir gerçekleşmesi muhtemeldir.
Gökyüzünden
Böylesi tartışmaları çözmeye yardımcı olmak, JUNO’nun en önemli mirası olacak. Ancak gözlemevi, fizikçilere nötrinoları birer araştırma aracı olarak kullanma imkânı da tanıyacak. Örneğin JUNO, Dünya’nın derinliklerinden gelen nötrinoları arayacak; bu da manto ve kabuktaki radyoaktif elementlerin dağılımına ışık tutacak.
Ayrıca süpernova olarak bilinen patlayan yıldızlardan gelen nötrinoları da inceleyecek. Nötrinolar, ışığın yapamadığı şekilde maddeden geçebildiği için bu yıldızlardan çıkıp Dünya’ya, patlamanın kendisi görünür hale gelmeden önce ulaşabiliyor. Onları tespit etmek, gökbilimcilere teleskoplarını doğru şekilde yönlendirmek ve ardından bu destansı patlamaları canlı izlemek için zaman kazandıracak.
İşte nötrinolar bu şekilde—bugün hâlâ bilinmeyen yerlere bakmamızı sağlayan bir araç olarak—kullanılmaya başlandığında, nötrino çağı gerçekten başlamış olacak.
