Parçacık astrofiziği alanında bilim insanları evrenin nasıl başladığını ve nasıl çalıştığını çok temel düzeyde anlamaya çalışıyorlar. Astrofizik kaynaklarından gelen parçacıkları kullanarak, fizik yasalarını maddenin mümkün olan en küçük ölçeğinde inceliyor ve temel parçacıkların evrenimizi oluşturmak için birbirleriyle nasıl etkileşime girdiğini açıklayan matematiksel formüller geliştiriyorlar. Evrenin temel yapı taşlarından biri olan nötrinolar üzerine yapılan çalışmalar, evrenin yaklaşık 13,8 milyar yıl önce Büyük Patlama ile başlangıcından bu yana nasıl bir değişim geçirdiğini anlamamıza yardımcı olabilir. Peki nötrino adı verilen "hayalet parçacıkları" nedir ve neden bu kadar önemli?
Evren neyden yapılmıştır ve Büyük Patlama'dan bu yana nasıl bir evrim geçirmiştir. Bunlar kendimize sorabileceğimiz en ilginç sorulardan birkaçıdır. Bunları bilimsel olarak cevaplamak için çeşitli yaklaşım ve yöntemler kullanabiliriz.
Parçacık astrofiziği; uzayda seyahat eden temel parçacıkları, özellikle de Dünya'ya ulaşanları inceleyen nispeten yeni bir araştırma alanıdır. Parçacık fizikçileri, maddeyi oluşturan temel parçacıkları ve bu parçacıklar arasındaki etkileşimleri yöneten kuvvetleri anlamaya çalışırlar. Genel olarak temel parçacıklar adı verilen en küçük parçacıkları bulmak için deneysel yöntemler geliştirmeye çalışırlar. Diğer tüm parçacıkları oluşturan en küçük parçacıklar. Bunlar daha fazla bölünemeyen parçacıklardır.
Teorik fizikçiler maddenin bu temel parçacıklardan nasıl yaratıldığını açıklayan bir dizi fikir ve denklemden oluşan teorik model adı verilen modeli kullanırlar Deneysel fiziğin aksine, teorik fizik daha çok matematiksel modeller ve çıkarımlara dayanır. Teorik fizikçilerin kuramlarını açıklamak için kullandıkları modellemelerdir. Sicim kuramı, genel görelilik kuramı, standart model vb. teorik modellere örnek olarak verilebilir. Bu modelin en iyisi olduğunu söylemiyoruz çünkü bir modelin her versiyonu, mevcut cihazların hassasiyeti veya çözünürlüğü göz önüne alındığında, bulunan her şeyi şu anda anlama düzeyimize dayanmaktadır. Yıllar geçtikçe aletler giderek daha hassas hale geliyor ve bunun sonucunda maddenin ve içinde yaşadığımız evrenin temel yapı taşları hakkında yeni ve heyecan verici şeyler öğreniyoruz.
Parçacıkları ve aralarındaki kuvvetleri açıklayan uzun süredir devam eden modele standart model adı verilir. Temel parçacıklar ve bunların doğa kuvvetleriyle etkileşimleri için bir modeldir. Standart modele göre, vücudumuzu oluşturan atomlar, hava dahil tüm maddeler Güneş'ten aldığımız ışık temelli parçacıklardan oluşur. Bu parçacıklar, yaklaşık 13,8 milyar yıl önce büyük patlama sırasında ve Evrenin sonraki gelişimi sırasında oluşmuştur.
Temel parçacıklar arasında elektronlar, kuarklar ve nötrinolar bulunur. Bunlar yerçekimi ve zayıf kuvvetle etkileşime giren temel parçacıklar. Bunların dışında fotonlar, bozonlar, gluonlar ve Higgs parçacıkları gibi adını duymuş olabileceğiniz diğer parçacıklar da vardır. Bu yazıda nötrinolara odaklanacağız.
Tüm temel parçacıklar birbirleriyle güçlü kuvvet, zayıf kuvvet, elektromanyetik kuvvet ve yerçekimi kuvveti adı verilen dört temel kuvvet aracılığıyla etkileşime girer. Kuarklar hem protonların hem de nötronların yapı taşlarıdır. Nötronlar ve protonlar, elektronlarla çevrelenen atomların çekirdeğini oluşturur.
Nötrinolar, doğal olarak radyoaktif olan maddeler tarafından yayılır. Atom çekirdeğinin parçalanmasından kaynaklanan enerjik parçacıkların kendiliğinden yayılması ve hızlandırıcı adı verilen bilimsel cihazlarda oluşturabildiğimiz belirli reaksiyonlar sırasında bunu gözlemleyebiliriz. Bununla birlikte, nötrinolar çoğunlukla Güneş'teki nükleer reaksiyonlarla, nükleer füzyon adı verilen bir süreçte üretilir. Nükleer füzyonda, iki atom çekirdeği birleşerek tek, daha ağır bir atom oluştururken, büyük miktarlarda enerji ve nötrinolar da dahil olmak üzere parçacıklar açığa çıkar. Bu nötrinoların güneşten çıkması 2 saniye, Dünya'ya ulaşması ise yaklaşık 8 dakika sürer. Sayıları olağanüstüdür; size bir fikir vermek gerekirse, her saniye, Dünya yüzeyinin her santimetrekaresinden 65 milyar Güneş nötrinosu geçmektedir!
Nötrinolar olağandışı temel parçacıklardır, çünkü maddeyle dört temel kuvvetten yalnızca ikisiyle etkileşime girerler: yerçekimi ve zayıf kuvvet (zayıf kuvvet, bir nötrino'nun bir nötronu bir protona ve bir elektrona dönüştürmesini sağlayabilir).
Nötrinolar neredeyse kütlesiz olduğundan uyguladıkları yerçekimi kuvveti son derece küçüktür ve pratik olarak tespit edilemez. Zayıf kuvvete gelince, onlarla etkileşime girebilmeleri için diğer protonlara, nötronlara veya elektronlara aşırı derecede yaklaşmaları gerekir. Bu, nötrinoların tespit edilmesini son derece zorlaştırır. Nötrinolar temel olarak sıradan maddenin içinden sanki neredeyse şeffafmış gibi geçebilirler. Aslında nötrinolar maddeyle yalnızca bir atomun çekirdeğine veya bir çekirdeğin etrafında dönen elektronlara çarptıklarında etkileşime girerler ve bu oldukça nadiren gerçekleşir çünkü atomlar çoğunlukla boşluktur. Diğer tüm durumlarda, nötrinolar maddenin içinden kesintisiz olarak geçer; buna her saniye vücudumuzdan geçen milyarlarca nötrino da dahildir! Nötrinolar dedektörlerimizle çok zayıf etkileşime girdiği için onları görmek ve özelliklerini ölçmek son derece zordur. Maddeyle nadir etkileşimleri nedeniyle bazı insanlar nötrinoları "evrenin hayaletleri" olarak adlandırıyor. Bu yüzden nötrinoları çoğu zaman hayalet parçacıklar olarak adlandırıyoruz.
Her ne kadar anlaşılması ve ölçülmesi zor olsa da, nötrinolar evrenin oluşumunda merkezi bir rol oynuyor. Yıldızlar ve galaksiler gibi yapıların inşasına yardımcı oluyor. Ayrıca Büyük Patlama sırasında evrenin başlangıcında bazı temel unsurların oluşmasına da yardımcı oldular.
Nötrinolar üç türde veya çeşnide gelir. Elektron nötrinosu, müon nötrinosu ve tau nötrinosu olarak adlandırılır. Her tat, karşılık gelen temel parçacıkla (elektron, müon ve tau) etkileşime girer. Neden sadece üç tür nötrino olduğunu tam olarak bilmiyoruz ancak bunlar şu ana kadar bulduğumuz türler ve standart modelin tahminlerine uyuyor.
Güneş'in nasıl yandığına ilişkin hesaplamalara karşın, Güneş'ten gelen elektron nötrinolarının sayısının beklenen sayıdan çok daha düşük olduğu gösterildi. Güneş'ten Dünya'ya gelen nötrinoların ölçülen ve beklenen sayısı arasındaki bu tutarsızlık iki şeyden biri anlamına geliyordu: Ya temel parçacıkların standart modelinin güncellenmesi ve nötrinolar hakkındaki düşüncelerimizi değiştirmemiz gerekiyordu, ya da nötrinoların yolunu değiştirmemiz gerekiyordu. Her iki olasılığın da evreni anlamamız açısından önemli sonuçları vardır ve bu nedenle birçok parçacık astrofizikçisinin ortak misyonu, güneş nötrino problemini çözebilecek bir deney tasarlamaktır.
Daha önce de belirtildiği gibi nötrinolar, doğrudan etkileşim yoluyla ölçülemez. Bunun yerine, nötrinolar normalde radyoaktif süreçlerde temel parçacıklar yayıldığında meydana gelen etkiler kullanılarak dolaylı olarak ölçülür. Örneğin, bir elektron nötrinosu, beta bozunması adı verilen ve bu sırada bir elektronun yayıldığı radyoaktif bir süreç kullanılarak ölçülebilir. Ölçüm için yüksek maliyetli dedektörler kullanılır.
Güneş, her an içinizden geçen nötrinoların çoğunun kaynağıdır. Her saniye küçük resminizin üzerinden yaklaşık 100 milyar solar nötrino geçiyor.
Nötrinolar güneşteki nükleer füzyon süreci sırasında doğarlar. Füzyonda protonlar (en basit element olan hidrojenin çekirdeği) bir araya gelerek daha ağır bir element olan helyumu oluşturur. Bu, sonunda Dünya'ya ışık ve ısı olarak ulaşacak olan nötrinoları ve enerjiyi serbest bırakır. Güneşte üretilen nötrinoların tümü elektron nötrinolarıdır.
Bilim insanları 1960'larda bu elektron nötrinolarını aramaya başladığında ilginç bir şey oldu. Tahmin edilen nötrino sayısının yalnızca üçte biri ile yarısı kadarı aslında dedektörlerde göründü. Bu, güneş nötrinosu problemi olarak bilinmeye başlandı ve çözülmesi neredeyse kırk yıl sürdü.
Her şey Ray Davis Jr. liderliğindeki Homestake deneyiyle başladı. Deneyde nötrinoları aramak için 100.000 galon kuru temizleme sıvısı (perkloroetilen) kullanıldı. Deney Homestake Altın Madeni'nin mağaralarında bir mil yeraltında yapıldı; o zamanlar aktif bir madendi ve şimdi Derin Yeraltı Nötrino Deneyi'ndeki daha ileri nötrino araştırmaları da dahil olmak üzere bilim deneyleri için kullanılıyor. Davis'in bilimsel ortağı John Bahcall, güneşten kaç nötrino gelmesi gerektiğini ve dedektördeki klor atomlarından birini argon atomuna dönüştürmesi gerektiğini tahmin etmişti. Ancak nötrinoların yalnızca üçte biri gelmiş gibi görünüyordu. Araştırmacılar sorunun Davis'in deneyinde mi, Bahcall'ın hesaplamalarında mı, mevcut güneş modelinde mi, yoksa nötrino resimlerinde mi olduğundan emin değillerdi. Bruno Pontecorvo'nun da aralarında bulunduğu bazı bilim insanları, nötrino modelinin hatalı olduğunu öne sürdü, ancak birçoğu şüpheciydi.
1989'da Japonya'daki Kamiokande deneyi kafa karışıklığını daha da artırdı. Saf su detektörü, Davis'in deneyinden daha fazla, yani tahmin edilen sayının yaklaşık yarısı kadar nötrino buldu. Ancak hala tüm bu kayıp nötrinolar sorunu vardı. İtalya'daki GALLEX deneyi ve Rusya'daki SAGE deneyi de beklenen düşük enerjili nötrinoların eksik olduğunu ortaya çıkardı.
Güneşin ölçümleri geliştikçe ve güneş modeli doğrulandıkça, araştırmacılar nötrino açığını açıklamak için Standart Modelin ötesindeki yeni fiziğe giderek daha fazla baktılar. Bu atılım iki yeni deneyden elde edilen verilerle geldi. Kamiokande deneyinin geliştirilmiş bir versiyonu olan Süper Kamiokande, gözlemlere 1996 yılında başladı ve Kanada'daki Sudbury Nötrino Gözlemevi 1999'da katıldı. Bu iki projenin liderleri, sorunun çözümünü keşfettikleri için 2015 Nobel Fizik Ödülü'nü alacaklardı. “Güneş nötrino problemi: nötrino salınımları.” Güneşten gelen elektron nötrinolarının kabaca üçte ikisi yolculuk sırasında çeşnilerini değiştiriyor, müon veya tau nötrinoları olarak ulaşıyordu. Nötrinoların tür değiştirdiğine dair kanıtlar aynı zamanda kütleye sahip olduklarını da kanıtlıyordu; bu, Standart Model tarafından tahmin edilmeyen şok edici bir keşifti.
Güneş'in çekirdeğinde yalnızca elektron nötrinolarının üretildiği biliniyordu (müon ve tau parçacıkları elektronlardan daha ağırdır ve bu nedenle onları ve bunlarla ilişkili nötrinoları üretmek, Güneş'te mevcut olandan daha fazla enerji gerektirir). Bu, eğer Güneş'ten gelen nötrinoların bir kısmı elektron nötrinoları değilse, Güneş'in çekirdeğinden Dünya'ya giderken çeşni değiştirmiş olmaları gerektiği anlamına gelir. Nötrinolar, nötrino salınımları adı verilen bir kuantum olgusu yoluyla periyodik bir biçimde çeşnilerini değiştirir.
Yani ilk ölçümler Güneş'ten kaç elektron nötrinosunun geldiğini söylerken, ikinci ölçüm Güneş'ten gelen tüm nötrinoların toplam sayısını vermiştir. İkisini karşılaştırdığımızda, Güneş'ten gelen toplam nötrinoların yalnızca üçte birinin elektron nötrinoları olduğunu gözlemlenmiştir. Bu nedenle, nötrinoların üçte ikisinin tadı elektron nötrinosundan müon nötrinosuna veya tau nötrinosuna değişmiştir. Deney, bir elektron nötrinosunun seyahat ederken tatlarını değiştirebildiğini göstermiş; güneş nötrinosu sorunu çözüme kavuşmuştur!
Güneş nötrinoları aynı zamanda güneşimizin çekirdeği hakkında doğrudan bilgi sağlayabilir. Güneşin çekirdeğinde üretilen nötrinolar, beklemeyeceğiniz bir şey yapar: Güneşten gelen ışık (aynı reaksiyonla üretilir) gelmeden önce Dünya'ya ulaşırlar. Bunun nedeni nötrinoların ışıktan daha hızlı gitmesi değil; bunu yapamazlar. Bunun nedeni, nötrinoların madde ile çok nadir etkileşime girmesi ve güneşin yoğun çekirdeğinden hemen kaçabilmeleri, fotonların (hafif parçacıklar) ise serbest kalmadan önce etrafa sıçramasıdır. İtalya'daki Borexino Deneyi bu özellikten yararlanmış ve güneşin 100.000 yıl önce olduğu gibi bugün de aynı miktarda enerji açığa çıkardığını bulmuştur.
2015 Nobel Fizik Ödülü, gizemli atomaltı parçacıklar olan nötrinoların önemli bir sırrını çözdükleri için Japon ve Kanadalı fizikçiler Takaaki Kajita ile Arthur B. McDonald arasında paylaştırıldı. İki fizikçi, yüksek teknolojideki nötrino detektörleriyle ayrı ayrı yürüttükleri çalışmalarda nötrinoların yol alırken “kimlik değiştirdiklerini”, yani bir türden ötekine dönüştüklerini keşfettiler. Kajita, Japonya’daki Kamiokande nötrino detektöründe, Dünya atmosferinde meydana gelen tepkimelerde ortaya çıkan nötrinoların tür değiştirdiğini gösterdi. McDonald ve ekibi de Kanada’daki Sudbury Nötrino Gözlemevi’ndeki çalışmalarıyla Güneş’ten gelen elektron nötrinolarının öteki türlere dönüştüğünü gösterdiler.
Bu keşifler, nötrinolarla ilgili bir başka önemli bulguyu da birlikte getirdi: Tür değiştirmek ancak kütleli parçacıklar için mümkün olabildiğinden, bu zamana kadar kütlesiz olduğu düşünülen nötrinoların çok küçük kütlelere sahip oldukları ortaya çıktı.
Güneş nötrinolarının bize öğreteceği hâlâ çok şey var. Örneğin bilim insanları, uzayın boşluğunda seyahat eden güneş nötrinolarının, Dünya gibi daha yoğun bölgelerde seyahat eden nötrinolardan ne kadar farklı olduğunu karşılaştırabilirler. Bu tür araştırmalar nötrino salınımı fenomeni hakkında bilgi verir.