Hayalet Parçacığımız: Nötrino

Evreni dolduran atom altı parçacıklar arasında en gizemli olanlarından biri “nötrino“dur. Nitekim “hayalet” dememizin sebebi bu.

Nötrinolar, büyük çoğunlukla yıldızların içinde oluşan parçacıklardır. Yıldız içerisinde olup bitenleri çekirdekteki termonükleer reaksiyonlar sayesinde anlıyoruz. Bu reaksiyonlar hakkındaki bilgileri de bize biricik parçacıklarımız nötrinolar veriyor.

Yıldızlar kendi kütle çekimiyle bir arada kalan nükleer füzyon reaktörleridir. Kütle çekiminin içe doğru çekimi ve sıcak gazların dışa doğru itimi arasında denge sağlanır. Kütlesi daha yoğun olan yıldızlar hızlı yaşarlar ve dehşet verici süpernova patlamalarıyla erken ölürler. İşte nötrinolar, yıldızların merkezlerindeki füzyon tepkimelerinde, süpernova patlamalarında, atmosferimizi bombardıman eden kozmik ışınlarla atmosfer molekülleri arasındaki çarpışmalarda ve parçacık bozunmalarında ortaya çıkan parçacıklar. Elektrik yükü taşımadıklarından ve temel doğa kuvvetlerinden yalnızca (belirgin açıdan) kütle çekiminden etkilendikleri için nötrinolar son derece zayıf etkileşimli parçacıklar olarak nitelenirler.

supernova5488
Süpernova patlamaları, bilinen en yoğun nötrino kaynaklarıdır.

Tanım olarak nötrinolar

Işık hızına yakın (ama daha düşük) hıza sahip olan, elektriksel yükü sıfır olan temel parçacık olarak tanımlanabilir. Maddelerin içinden neredeyse hiç etkileşmeden geçebilirler. Öyle ki, milyarlarca ışık yılı kalınlığındaki kurşun bir bloktan ddahi hiçbir şey olmamış gibi geçip gidebilirler.

Güneş içerisindeki füzyon reaksiyonlarından da Dünya üzerine nötrino yağmurları olmaktadır. Hatta Dünya’ya santimetre kare başına Güneş kaynaklı 60- 65 milyar nötrino düşer.

Peki maddeyle kolay kolay etkileşime girmeyen, kütlesi neredeyse sıfır, ışık hızına yakın hıza sahip, elektriksel yükü sıfır olan, milyarlarca yıldır evreni dolduran bu parçacığın varlığını nasıl keşfettik?

1930′ lu yılların başında temel parçacıkların sadece foton, elektron ve atom çekirdeği olduğu sanılıyordu. Ancak, radyoaktif bir elementle yapılan deneylerde, atom çekirdeğinin ‘bozunarak’ proton ve elektron çıkardığı gözlemlendi. Fakat bu sonuç ‘enerji korunumu ilkesi’ ihlali demekti. Bilim insanları öyle umutsuzlardı ki, “enerji korunumu yasasından” vazgeçmeyi dahi düşündüler. Fizikçi Wolfgang Pauli ise bu problemin çözümü için yüksüz ve hafif bir parçacık nötronları önerdi. Gerçekten de nötron 1932 yılında James Chadwick tarafından keşfedildi. Chadwick, bu keşfinden dolayı 1935’te Nobel Fizik Ödülü almıştır. Atom çekirdeğinde yüklü protonların yanında aynı sayıda nötronlar da bulunuyordu. Ama nötronların kütleleri hafif değil aksine protonunki kadardı. (nötron kütlesi: 1.674×10−27 kg proton kütlesi: 1.6726 × 10−27 kg)

Dahi fizikçi Enrico Fermi, günümüzde geçerli olan ‘Beta bozunumu kuramını’ ortaya attı. Beta bozunumu; atom çekirdeğindeki proton ve nötronun bir proton, bir elektron ve nötrinoya (İtalyanca küçük nötron) -dönüşmesi- bozunmasıdır. Bu kuram adeta puzzle parçaları gibi birbirini tamamlıyordu ve gözlemleri de açıklıyordu. Enerji korunumu ilkesi de vazgeçilmekten kurtulmuştu.

betabozunumu45
Nötrinolar, Yunan alfabesindeki ν (nü) ile gösterilir.

Nötrinolar her şeyi açıklığa kavuştursa da gözlemlenemiyordu. Sadece ‘kayıp enerji’ sinyallerinden takip ediliyordu. Maddeyle çok nadir etkileşime girdikleri için, bilim insanları 20 yıl boyunca bu hayalet parçacıkları nötrinoları keşfetmek için uğraştılar. Nihayet çok duyarlı bir detektörle ilk kez 1956’da gözlemlendi. Clyde L. Cowan ve Frederic Reines ABD’deki Savannah River nükleer reaktöründe oluşan milyarlarca nötrinodan birkaçıyla etkileşime girmeyi ve nötrinoların kesin varlığını ispatlamayı başardılar. Bu keşif Clyde L. Cowan ve Frederic Reines’a 1995’te Nobel ödülünü kazandırdı.

Hayaleti andıran nötrinonun etkileşimleri ancak çok büyük ve duyarlı detektörlerle gözlemlenebilir. Bir nötrinonun sıradan bir madde ile çarpıştığı nadir durumlarda dairesel hayaletimsi bir ışık çakması ortaya çıkar. Algılanabilmesi için oldukça büyük ve etkili parçacık detektörlerine ihtiyaç duyulmuştur. Diğer kozmik parçacıkların etkilerinden uzak olabilmek için genellikle yer altı madenlerinde inşa edilmiş içi saf su ya da başka sıvılarla doldurulmuş depolar ve çevresindeki detektörlerden oluşan “nötrino gözlemevleri” bulunmaktadır. Gerçekleşen çarpışmaların sayı ve enerjilerinden bu gizemli parçacıklarla ilgili sonuçlar çıkartıyorlar.

Kamiokande488
Japonya Kamiaka’da bulunan bir “nötrino gözlemevi”ndeki dedektör bölümü.

Sadece Güneş’te meydana gelen füzyon reaksiyonlarından oluşan nötrinolar Dünya üzerinde santimetre kare başına 65 milyardır demiştik. Peki nötrinonun evrende çok miktarda olmasının nedeni nedir? Bu kadar çok nötrino nasıl oluşuyor?

Bu sorunun cevabı, Güneş dışında evrende bir çok etkileşimin sonucunda nötrinoların açığa çıkmasında saklıdır. Dünya’ya sürekli çarpan kozmik parçacıkların atmosferdeki atomlarla etkileşimlerinin sonucu bozunmasından da nötrino salınır. Bu şekilde oluşan nötrinolara atmosferik nötrino denir. Bir başka doğal nötrino kaynağı da süpernovalardır. İlk kez 1987’de Büyük Macellan Bulutu’ndaki bir süpernova patlamasından yayılan nötrinolar deneysel olarak gözlemlenebildi.

Doğal kaynakların dışında, parçacık hızlandırıcıları kullanılarak da nötrino demetleri oluşturulmaktadır. Hızlandırıcılar, kontrol edilebilir bir kaynak olduğu için nötrino deneyleri için sıklıkla tercih edilir. Nötrino demeti oluşturmak için protonlar, hızlandırıcıda belli bir enerjiye kadar çıkarılıp bir hedefe çarptırılır. Etkileşim sonucunda oluşan kararsız parçacıklar bozunarak nötrino demetini oluşturur. 1965 yılından günümüze kadar birçok parçacık hızlandırıcı da ve ünlü CERN’de nötrino deneyleri yapılmaya devam ediyor.

kamiokandenotrino
Bir üstte fotoğrafını gördüğünüz Kamiako Nötrino Gözlemevi’nin dedektörlerine isabet etmiş olan nötrinoların şematik gösterimi.

Nötrinoyu öteki yüklü atom altı parçacıklardan farklı kılan en önemli özellik kütlesinin çok küçük olmasıdır. Uzun süre nötrinoların, tıpkı fotonlar gibi hareket eden kütlesiz parçacıklar olduklarına inanıldı. Son birkaç yılda ise, Güneş tarafından salınan veya kozmik ışınların atmosfere çarpmasıyla oluşan nötrinolar üzerinde çalışan fizikçiler, nötrinoların çok az da olsa – elektronun on milyonda biri kadar – bir kütle taşıdığını keşfettiler. Şimdiye değin, nötrinonun kütlesini ölçmek için tasarlanan deneylerde kütle için yalnızca üst bir limit konabildi. Henüz tam kütle ölçümü yapmayı başaramadık.

Standart Modele göre nötrinolar üç tiptir: Elektron nötrinosu, müon nötrinosu ve tau nötrinosu.

Elektron nötrinosu, protonun nötrona dönüşmesi sırasında ortaya çıkar. Beta bozunmasının bir formudur.

proton-notron782

Leon M. Lederman, Melvin Schwartz ve Jack steinberger’e 1988 Nobel Ödülü almalarını sağlayan 1962’deki çalışmalarında müon nötrinosunu (Vµ) bularak tek tip nötrino olmadığını ispatladı. Müon nötrinosu müon bozunmalarından kaynaklanmaktadır. Tau nötrinosu (Tt) varlığı Büyük Elektron-Pozitron Çarpıştırısı tarafından keşfedildi.

Nötrinoların bir diğer özelliği de salınım yapmalarıdır. Zayıf etkileşmeler ile üretilen nötrinolar uzayda yoluna devam ederken farklı çeşnideki bir nötrinoya peryodik geçiş yaparlar. Buna “nötrino salınımları” denir. Örneğin; CERN’deki hızlandırıcılarda beta bozunması yoluyla oluşturulan müon nötrinonun bir bölümü uzunca bir yol kat ettikten sonra salınım yaparak tau nötrinoya dönüştüğü görülmüştür.

notrinocesitleri
Bilinen nötrino çeşitleri: Elektron, Müon ve Tau Nötrinoları.

Nötrino salınımlarına ilişkin ilk ipuçları, Güneş’ten gelen nötrinoların gözlenmesinde ortaya çıktı. İlk kez Ray Davis 1960’tan itibaren Güneş’ten gelen nötrinoları gözlemledi. Nötrinoların salınım yapma olasılığı kat ettikleri mesafeyle doğru orantılıdır. Güneş’ ten oluşan nötrinolarının üçte ikisinin detektöre ulaşıncaya kadar salınım yapıp başka nötrino türlerine (müon veya tau) dönüştüğü gözlendi. Elde edilen sonuçlar ışığında, Güneş’ten gelen nötrinoların ortalama 35.000 km yol katlettikten sonra salınım yaptığı anlaşıldı.

“Nötrinolar bize ne anlatıyor, neden nötrino çalışmaları önemli?” Derseniz, evren ve oluşumu hakkında önemli bilgiler vereceğini söylemeliyiz. Bunun için nötrinolar üzerinde çok fazla duruluyor. Önümüzdeki yıllarda gerçekleştirilecek deneylerde bunu daha iyi anlayabileceğiz. Şu an için bilim insanları şu sorular üzerinde duruyor:

Üçten fazla nötrino var mıdır?

Nötrinolar kütlelerini nasıl kazanıyor?

Nötrinoların kütlesi nedir?

Nötrinolar karanlık maddeyi oluşturur mu?

Standart modeli ihlal eder mi?

Nötrinolar bize evren hakkında ne söylüyor?

Nötrinolar, evrendeki madde-antimadde asimetrisi açıklamaya yardımcı olabilir mi?

[mks_separator style=”solid” height=”2″]

Hazırlayan: Merve Yorgancı

Düzenleyen: Zafer Emecan

Not: En üssteki fotoğraf, Sudbury Nötrino Gözlemevi’ndeki dedektöre aittir. 

Kaynaklar:

  • KÜTLELİ NÖTRİNO FİZİĞİ / Deniz YILMAZ- Ankara Üniversitesi doktora tezi
  • Nötrinolar / Doç. Dr. Kerem Cankoçak (ITU fizik bölümü)
  • Nötrino Salınımları; Dünü, Bügünü ve Yarını / A.Murat Güler ODTÜ Fizik Bölümü
  • Nötrinolardan Standard Model ve Ötesine / Umut Kose Turkish Teachers Programme –CERN
  • Ender Etkileşen Gizemli Parçacık Nötrino / A.Murat Güler ODTÜ Fizik Bölümü
  • Nötrino Salınımlarına Japonya’dan Yeni Kanıt / bilim ve teknik- eylül 2004
  • Nötrinolarda Kütle Meselesi / Fizik Güncesi- Edward Witten “The Mass Question”
  • http://www.redorbit.com/news/science/1112551696/cern-confirms-neutrinos-not-faster-than-light
  • Neutrino / wikipedia
  • Atomdan kuarklara / palme yayın evi
  • Online fizik / nötrinolar ve hızları
image_printPDF Kaydet & Yazdır

Yazar: Merve Yorgancı

Akdeniz Üniversitesi, Fen Bilimleri Öğretmenliği ve Astrofizik, yüksek lisans öğrencisi. Kozmik Anafor Astronomi Platformu'nun eski editörü, sosyal medya sorumlusu, içerik yöneticisi ve etkinlik koordinatörü. Halihazırda Kozmik Anafor yazarlığından ayrılmış, özel bir okulda ilköğretim öğrencilerine yönelik gökbilim dersleri vermektedir.

Keşfet!

Yıldızların Ölümü 3: Nötron Yıldızı Ve Kara Delik

Yazı dizimizin daha önceki bölümlerinde düşük kütleli yıldızların sonu olan kara cüceler ve orta kütleli …