Nötrino Nedir, Ne Değildir? 13 Soru ve Cevapla Nötrinolarla İlgili Bilmeniz Gereken Her Şey
'Nötrinolar, oldukça ufaklar...
Ne elektrik yükleri, ne kütleleri var.
Neredeyse etkileşime bile girmiyorlar.
Dünya onlara göre küçük, gereksiz bir top
İçinden öylece geçip gidiyorlar...'
John Updike'ın nötrinolarla ilgili şiirinden küçük bir alıntıyla başlayalım bu ilginç parçacıkların hikayesine de. Kara delikleri anlattığımız yazımızdan sonra bilimsel konuları yakından incelediğimiz serinin ikinci yazısında şimdi de adına şiirler yazılan, on yıllardır bilim dünyasını meşgul eden bu parçacıklar nedir, ne değildir; hep beraber bakalım.
1. Nötrino nedir?
Updike'ın da az önce çıtlattığı üzere nötrino; ışık hızına oldukça yakın bir hızda hareket eden, sıfıra oldukça yakın olan küçücük bir kütleye sahip, maddelerin içinden neredeyse hiç bir etkileşime girmeden geçebilen ve elektriksel yükü olmayan bir parçacıktır.
Yüksüz oldukları için elektromanyetik kuvvetlerden etkilenmeyen nötrinolar, kütle çekim kuvvetinden ise etkilenirler; ancak kütle çekim kuvveti evrendeki dört temel kuvvet arasında en zayıf olandır. Bunun dışında zayıf nükleer kuvvetten de etkilenirler.
2. Nötrinolar nasıl oluşur?
Nötrinolarin bir kaç tane oluşma yöntemi/yeri vardır.
Bazı atom bozunmalarında,
Yıldızların merkezlerindeki füzyon tepkimelerinde,
Süpernova patlamalarında,
Kozmik ışınlar atmosfer molekülleri ile çarpıştığında,
Son olarak da insanlar tarafından parçacık hızlandırıcı araçlarda.
3. Madem etkileşime girmeleri bu kadar zor, nasıl keşfedildiler?
Etkileşime girmelerinin zor olduğunu söyledik, ama imkansız olduğunu söylemedik. Nötrinoların gözlemlenebilmesi için oldukça duyarlı ve gelişmiş dedektörlere ihtiyaç duyuluyor. Bu dedektörlerden aşağıda bahsedeceğiz.
Japonya'da bulunan ‘Super-Kamiokande’, bu parçacık dedektörlerinden sadece biri. Bu dedektör 50 bin ton ultra saf su ile dolduruluyor. Su içerisinde madde ile etkileşime girdiğinde bu parçacıklar küçük bir dairesel ışık çakması oluşturuyor ve bu ışıma Super-Kamiokande’nin özel foto dedektörleri tarafından kaydediliyor.
Bu yöntem ile milyarlarca nötrino içinden günde sadece birkaç nötrino gözlemlenebiliyor, ki bu da nötrinoların madde ile ne kadar az etkileşime girdiğinin göstergesi.
4. Nötrinolar ilk olarak ne zaman keşfedildi?
Bu soruyu madde madde inceleyelim:
1931'de Wolfgang Pauli, nötrinoların varlığına ilişkin ilk şüpheleri ortaya koydu ve bir türlü tespit edilemeyen, ancak deney sonuçlarına göre var olması gereken yüksüz ve hafif bir parçacık olması gerektiğini belirtti ve adını da nötron koydu.
1932'de James Chadwick gerçekten de böyle bir parçacık keşfetti, ancak kütlesi daha ağırdı. Yine de parçacığın ismini o da nötron olarak koydu.
1934'e gelindiğinde ise Enrico Fermi, 'Beta Bozunum Kuramı'nı ortaya attı ve Pauli'nin öne sürdüğü parçacığın Chadwick'in keşfettiği parçacıktan farklı olduğunu belirterek İtalyanca 'küçük nötr şey' anlamına gelen yeni bir isim koydu: Nötrino.
Nötrinolar her şeyi açıklığa kavuştursa da gözlemlenemiyorlardı, nedeniyse maddeyle çok nadir etkileşime girmeleriydi. Bilim insanlarının ilk nötrinoyu keşfetmeleri için önlerinde hala 20 yıl vardı.
Nihayet ilk nötrino 1956’da gözlemlendi. Clyde L. Cowan ve Frederic Reines adlı iki bilim insanı, bir nükleer reaktör içerisinde üretilen milyarlarca nötrinodan birkaçıyla etkileşime girmeyi ve böylece bu parçacıkların varlıklarını kesin olarak ispatlamayı başardılar. Bu keşif ikiliye neredeyse 40 yıl sonra, 1995’te, Nobel ödülünü kazandırdı.
5. Nötrinoların farklı türleri var mıdır?
Evet. Yine de tür değil de, nötrino formları demek daha doğru olacaktır. 3 tip nötrino formu vardır:
Elektron nötrino: Protonun nötrona dönüşme sırasında ortaya çıkar.
Müon nötrino: Müon bozulmaları sırasında oluşur.
Tau nötrino: Varlığı en son bulunan nötrino formudur. Ayrıca Standart Model çerçevesinde Higgs Bozonu ile beraber bulunan son iki parçacıktan biridir.
Bu üçlü arasında en hafif ve en yaygın olan nötrino formu elektron nötrinodur. Bilim insanları uzun yıllar boyunca başka bir nötrino formu daha olup olmadığını araştırmıştır, ancak uzun araştırmalar sonucunda böyle bir durumu işaret eden bir şeye rastlanmamıştır.
6. Nötrino salınımları nedir?
Çok basitçe söylemek gerekirse; bahsettiğimiz üç nötrino formunun birbirlerine dönüşüp durmasıdır. Nötrinolar uzayda yollarına devam ederken belirli aralıklarla farklı formlardaki nötrinolara geçiş yaparlar.
CERN’de de hızlandırıcılarda oluşturulan müon nötrinonun uzunca bir yol kat ettikten sonra salınım yaparak tau nötrinoya dönüştüğü görülmüştür.
Nötrino salınımları nasıl keşfedildi dersek; 1964 yılında Raymond Davis adlı bir bilim insanı Güneş'ten Dünya'ya ulaşması gereken nötrino miktarının sadece %30'unu tespit edebilmemiz nedeniyle ortada bir durum olduğunu seziyor. Bunun tek bir nedeni olabilirdi, o da nötrinoların yolculukları sırasında salınım yapması. Bu ihtimal de nötrinoların kütleye sahip olmasını gerektirdiğinden büyük bir problem yaratıyordu, çünkü o zamanlar nötrinoların kütlesiz olduğu düşünülüyordu. Ancak konu üzerinde yapılan detaylı araştırmalar şüpheye yer bırakmaksızın gösterdi ki, nötrinolar gerçekten de bu üç form arasında düzenli bir şekilde salınım yapıyordu. Yani nötrinoların kütlesi vardı.
7. Nötrino dedektörleri nasıl işler, nerelerde bulunurlar?
Nötrinoların madde ile çok nadiren etkileşime girdiklerini söylemiştik, etkileşimler gerçekleştiğinde bile etkileri o kadar zayıf oluyor ki ancak oldukça büyük olan ve aşırı duyarlı dedektörlerle gözlemlenebiliyorlar.
Bir nötrino, madde ile çarpıştığında ortaya dairesel olan ve neredeyse aniden tekrar kaybolan bir ışık çakması ortaya çıkar; dedektörlerin görevi de bu parlamaları tespit etmektir. Bu ışık çakmalarını tespit edebilmek için az önce de söylediğimiz gibi çok büyük ve gelişmiş dedektörlere ihtiyaç duyulmuştur.
Dğer kozmik parçacıkların etkilerini ortadan kaldırabilmek için dünyanın farklı yerlerindeki yer altı madenlerinde inşa edilmiş nötrino gözlemevleri bulunmaktadır. Bu gözlemevleri, içi saf su ya da başka sıvılarla doldurulmuş depolar ve çevresindeki dedektörlerden oluşan yapılardır. Bilim insanları bu gözlemevlerinde meydana gelen çarpışmaların sayıları ve enerjileri hakkında bilgiler toplayarak araştırmalarını yürütmektedirler.
8. Doğal yollar dışında nötrino üretebilecek teknolojimiz var mı?
Var. Yazının başında da dediğimiz gibi parçacık hızlandırıcıları kullanılarak da nötrino demetleri oluşturulabiliyor. Üstelik bu şekilde elimizde kontrol edilebilir bir kaynak olduğu için, genelde nötrino deneylerinde sıklıkla bu yöntem tercih edilir.
Bu işlem sırasında protonlar, hızlandırıcılar içerisinde belli bir enerjiye kadar çıkarılıp bir hedefe çarptırılır. Etkileşim sonucunda oluşan kararsız parçacıklar bozunarak nötrino demetlerini oluşturur.
9. Nötrinoların ışık hızını geçtiğini duymuştum, doğru mu?
Hayır.
2011 yılında yapılan OPERA deneyi sonucunda bilim insanları nötrinoların ışık hızından bile daha büyük bir hızda ilerlediklerini ortaya koydu. Deneyler tekrarlandığında da aynı sonuçlar elde edildi, ancak bilim dünyası hala olaya temkinli yaklaşıyordu. Bir çok bilim insanı 'Mümkün değil, yanlışlık olmalı' dese de olay dünya çapında büyük yankı uyandırdı.
Daha sonrasında deneyler farklı merkezlerde farklı araçlarla tekrar yapıldı ve aslında ilk denemelerde hata yapıldığı anlaşıldı. Hata, OPERA deneylerinde kullanılan araçların ölçümlerindeki teknik sorunlardan kaynaklanıyordu.
Bunlar dışında bir ilginç olay da SN1987A süpernova patlaması sırasında yaşanmıştır. 1987'de gerçekleşen bu patlama daha gözle görülür hale gelmeden 3 saat kadar önce birkaç nötrino dedektörüne nötrinolar ulaşmıştır. Bu da nötrinoların ışıktan daha hızlı hareket ettiği yanılgısını oluşturabilir.
Ancak daha patlamanın görünmesinden önce bu nötrinoların bize ulaşmasının asıl sebebi çekirdeğin çökmesi sırasında oluşmuş olmalarıdır. Fotonlar ise ancak şok dalgası yüzeye ulaştıktan sonra yola çıktıklarından, daha çökme esnasında oluşan nötrinolar bize birkaç saat önceden ulaşmıştır.
Böylece nötrinoların gerçekleşmekte olan bir süpernovayı bize önceden haber verebilecekleri anlaşılmıştır.
10. Nötrinolar neden bu kadar önemli?
Şöyle söyleyelim; evrende daha ilk proton veya nötron yokken bile nötrinolar bulunmaktaydı. Bu nedenle nötrinoların anlanması hem evrenin ilk anları hakkında bize daha fazla bilgi verecek, hem de Standart Model'in yapısı hakkında daha detaylı görüşler elde etmemizi sağlayacak.
Üstelik evren bu nötrinolarla dolu. Öyle ki, her saniyede vücudunuzdan milyarlarca, hatta trilyonlarca nötrino siz hiç fark bile etmeden geçip gitmekte. Dünya'nın her bir cm²'sinden ise saniyede 65 milyar nötrino geçmekte, ki bunlar sadece Güneş kaynaklı olanlar.
Evrende bu kadar yoğun miktarda bulunan bir parçacığın anlaşılması da dolayısıyla oldukça önemli.
11. Karanlık madde ile nötrinoların ilişkisi ne?
Bilim dünyasında bir süre nötrinoların karanlık maddeyi oluşturan şeyler olabilecekleri düşünüldü. Ancak Super-Kamiokande tarafından yapılan tespitler sonucunda nötrinoların karanlık maddeyi oluşturmak için yeterli özelliklere sahip olmadığı anlaşıldı.
Yine de nötrinolar bu zamana kadar karanlık madde ile ciddi ciddi ilişkilendiren ilk parçacık olduğundan, hakkında araştırma yaparken karanlık madde ile ilgili referanslara denk gelmeniz olası.
12. Nötrinolarla ilgili bilinmeyenler neler?
Nötrinolarla ilgili elimizde hala bir çok bilinmeyen şey var, yani biraz kapalı kutu sayılabilirler. Hala kesin olarak cevaplanmamış sorular şöyle:
Nötrinoların kütlesi tam olarak ne kadar?
Nötrinoların üçten fazla formu olabilir mi?
Nötrinolar bize evren hakkında hangi bilgileri verebilir?
Nötrinolar, madde-antimadde asimetrisini açıklamamıza yardımcı olabilir mi?
13. Geçtiğimiz günlerde 2015 Nobel Fizik ödülünü alan ve nötrinolarla ilgili olan çalışmanın tam olarak önemi neydi?
Öncelikle ödülün Takaaki Kajita ve Arthur B. McDonald adlı iki bilim insanına gittiğini belirtelim. Olayı biraz detaylandırmadan önce genel bilgi vermek gerekirse; bu iki bilim insanı nötrino salınımını keşfeden insanlar.
1960'larda Güneş Nötrinosu Uyumsuzluk Problemi adı altında ismi uzun kendi sıkıntılı bir sorun vardı. Bu sorunun nedeni ise yukarılarda da belirttiğimiz üzere, Güneş'ten gelmesi gerektiğini düşündüğümüz elektro-nötrinoların sadece üçte biri miktarında nötrino tespit edebiliyor oluşumuzdu.
Bu can sıkıcı problem bilim insanlarına Güneş'in artık eskisi kadar elektro-nötrino üretecek enerjisinin olmadığını ve yavaş yavaş ölmekte olduğunu düşündürtüyordu; ki bu da Dünya'nın sonu demekti. Ancak bir ihtimal daha vardı, 'O da 'nötrinoların kütlesi var' mı dersin?' tadında. Bu ihtimale göre nötrinolar belirli bir kütleye sahipti, böylece de diğer formdaki nötrinolara dönüşebiliyorlardı. 'Kütlesi olmasa dönüşemez mi' derseniz, maalesef dönüşemez.
Bu noktada 'Güneş'in yüzeyindeki parlaklığa bakarak ölüp ölmediğini anlamaz mıyız, nötrinolar ne alaka ki?' diye sorulabilir. Şöyle açıklayalım: Nötrinolar, Güneş'in merkezinde üretildikten sonra hızlı bir şekilde yüzeye ulaşır ve Dünya'ya doğru yolculuklarına başlarlar. Güneş yüzeyindeki enerji ise o noktaya ulaşmak için yüz binlerce yıllık bir zaman dilimine ihtiyaç duyar, dolayısıyla yüzey parlaklığı bize çok önceki bir zaman dilimini gösterir. Bilim insanları da her ne kadar yüzey parlaklığında bir anormallik olmasa da, nötrinoların üçte bir oranında az gelmesi nedeniyle yüzeyde yüz binlerce yıl sonra fark edilebilecek değişimleri önceden fark ettiklerini düşünüyorlardı.
Dolayısıyla araştırmalar bu konuya yoğunlaştı ve nihayet yaklaşık 30 yıl sonra bu iki bilim insanı Güneş'in hızlı bir şekilde öldüğü düşüncesini ortadan kaldırarak nötrinoların kütleye sahip olduğunu kanıtladı. Ayrıca yolculukları boyunca diğer iki farklı formdaki nötrinolara dönüştüğünü, bu yüzden sadece tek tip nötrino keşfedebilen ve 1960'larda kullanılan o detektörün de bu nedenle 'olması gerekenin üçte biri' miktarında nötrino tespit edebildiğini açıkladılar.
İşte çalışmanın Nobel ödülü almasının sebebi tam olarak böyle.