Fizik / Astrofizik Tüm Yazılar

Nötrino Dedektörleri (Tuzakları) -2

Hazırlayan: Merve Yorgancı
Facebooktwittergoogle_plusredditlinkedintumblrmail

Nötrino konusundan bahsederken, öncelikle bir şeyi hatırlatmamız gerekli: Evrende görmüş olduğumuz madde; yani atomlardan elektronlardan protonlardan oluşan bildiğimiz, dokunduğumuz, gördüğümüz yapı; evrenin sadece %4’lük bir kısmı. Geri kalanının çoğunu karanlık enerji, azımsanmayacak bir payını da karanlık madde oluşturuyor.

Bir önceki yazımızda bolca bahsettiğimiz gibi, yeryüzünde santimetre karelik alana sadece güneşten dahi 65 milyar nötrino gelmekteydi. Diğer yıldızlar ve nötrino kaynaklarını da hesaba katacak olursak, sanki tüm evreni dolduruyor gibi görünüyor. Ama öyle değil! Nötrinolar evrende sadece %0.3 lük bir oranı kaplıyor. Bu arada, makale dizimizin ilk bölümüne bu linkten ulaşıp okumanızı öneririz.

Nötrino Kaynakları

Önceki makalemizde nötrino tuzaklarından bahsedeceğiz dedik. Ancak bunu yapmadan önce, nötrinoların nereden geldiğini anlamamız lazım. Nedir bu nötrino kaynakları?

Güneş nötrinosu

giant-sunspot-major-solar-flare-oct24-2014-close-up

Güneş’ten Dünya’ya ulaşan 0.3-3 MeV enerjili nötrino akışı 6.5×10^14/(m2s).

Güneş, bize en yakın yıldız ve haliyle en yakın nötrino kaynağıdır. Güneş’in çekirdeğinde yoğun nükleer reaksiyonlar gerçekleşir ve bu sırada da açığa nötrinolar çıkar.

Anakol yıldızlarında yıldızın temel yakıtı hidrojendir. Güneş de anakol evresinde olan tipik bir yıldızdır. Tüm anakol yıldızlarında olduğu gibi, çekirdeğinde oluşan enerji büyük oranda hidrojen atomlarının birleşerek helyuma dönüşmesi sonucu meydana gelir.

Bu reaksiyonlarla birlikte aşağıdaki görselde de görmüş olduğunuz gibi bol miktarda nötrino üretilir. Güneş’te üretilen nötrinoların sayısı yaklaşık olarak 10^38 kadardır.(1) Unutmayın nötrinolar hiçbir madde ile etkileşim halinde olmaz demiştik. Güneş çekirdeğinde meydana gelip, fotonların (ışığın) aksine, hiçbir engele takılmadan doğrudan yüzeye kaçıp, üretim noktaları ile ilgili bilgiyi taşıyarak bize ulaşabilirler. Bu nedenle, Güneş’ten gelen nötrinoların ölçülmesi hem Güneş fiziğinin anlaşılmasında da önemli bir rolü vardır.

proton-chain

Güneş’in merkez bölgesindeki nükleer reaksiyonlar sonucunda enerji oluşumunun temel gösterimi.

Süpernova nötrinoları

Süpernova, enerjisi tükenen büyük kütleli bir yıldızın ihtişamlı patlamasıdır. Patlama esnasında çok miktarda nötrino uzaya saçılır. Bir süpernovanın yaydığı enerji, Güneş’in milyarlarca yılda yayacağı enerjiden ve dolayısıyla nötrino miktarından daha büyüktür.(2) Süpernovada açığa çıkan enerjinin çoğunluğu da çok büyük miktarda nötrino olarak salınır. Galaksimiz içerisinde her 50 yılda bir süpernova patlaması olabileceği tahmin ediliyor.

Süpernova kaynaklı nötrinolar, ilk kez deneysel olarak 1987 yılında Büyük Magellan Bulutu’nda gerçekleşen SN 1987A süpernova patlaması sırasında tespit edilmiştir. Hatta ilk keşifte patlamanın ışığı, nötrinolardan 3 saat sonra gelmiştir.

sn1987a-2254887522325

Bu nedenledir ki, ilk etapta nörinolar ışık hızından daha hızlı yol alıyor izlenimi oluşmuştur. Gerçek ise hemen anlaşılır: Nötrinolar şok dalgasıyla herhangi bir engelle etkileşmeden, çekirdekte gerçekleşen patlamanın hemen peşinden yıldız yüzeyinden ayrılmıştır. Fotonlar ise hem bir çok engelle karşılaşmış, hem de nötrinolardan çok çok sonra yıldız yüzeyinden ayrılmıştır.

Yüksek enerji kozmik nötrinoları

Bu nötrinoların, süpernova patlamaları sonrasında oluşan kozmik ışınlar atomlara çarptığında oluşması beklenir. Ancak, bu çok yüksek enerjili nötrinolar hala görülmeyi bekliyorlar. Çünkü nötrino astronomisinin bu alanı hala çok erken dönemindedir.

Esasen kozmik ışınların çarpışmaları yüklü piyonlar ki bunların bozunması nötrino salınımı yapacaktır ve yüksüz pionlar oluşturacaktır ve süpernova kalıntısı her iki ışıma için de geçirgendir. Ekstra-galaktik kozmik ışın etkileşimiyle açığa çıkan yüksek enerjili nötrinolar ise, nötrino dedektörleri tarafından gözlemlenebilir.

Kozmik arka plan ışıması nötrinoları

Kozmik arka plan ışıması, 1964 yılında keşfedilen, büyük patlama sonrasında ışığın ilk yayılmaya başladığı dönemden kalan ve bütün evreni dolduran bir elektromanyetik dalga biçimidir. Tıpkı büyük patlamadan kalan kozmik arka plan ışıması gibi, düşük enerjili nötrinoların da böyle bir arkaplan yayılımı olduğu düşünülüyor.

Bu nötrinolardan oluşan karanlık madde, sıcak karanlık madde olarak adlandırılır. Buradaki temel problem yüksek hızları, çünkü nötrinolar kozmik genişleme onları soğutup kümeler halinde toplaşmalarını sağlamadan önce evrene saçılabilirler. Bu durum, nötrinolardan oluşan karanlık maddeyi belirsizleştirir ve gördüğümüz büyük galaktik yapıyı imkansız kılar. Kozmolojik argümanlar kalıntı arka plan nötrinolarının, kütlesiz iseler 1.9 K sıcaklığa ve santimetre karede her tipten 56’şar yoğunluğa; eğer ki 0.1 meV kütleleri varsa daha düşük sıcaklığa sahip olduğunu söyler. Kalıntı arka plan nötrinolarının yoğunlukları yüksek olmasına rağmen çok düşük ara kesit enerjilerinden(eV’nin altında) dolayı laboratuvar ortamında henüz tespit edilememiştir (4).

Yapay olarak üretilen nötrinolar

Nükleer reaktörler, yapay nötrinolar için en temel kaynaktır. Elektrik üretmek için su ısıtmak amacıyla kullanılan nükleer reaktörler, çok miktarda nötrino da üretir.

Tipik orta boyutlu bir nükleer reaktörde atomların fisyonu sonucu ortaya 4.185 MW(büyük miktarda) güç üretilir, 185 MW’lık kısmı anti nötrino olarak salınır ve nükleer reaktörün yapısında onları absorve edebilecek mühendislik donanımı bulunmaz. Bunun anlamı, nükleer reaktörün ürettiği enerjinin 185 MW’lık kısmı kaybolur, hiç iz bırakmadan binanın duvarlarından geçer ve gider. (3) Nötrinoların maddeyle etkileşimi çok zayıf olduğu için, nükleer reaksiyonlardan oluşan nötrinolar hiçbir şekilde durdurulamaz.

Bu demek oluyor ki, herhangi bir nükleer faaliyette (fisyon temelli nükleer silah, nükleer deneme testleri) bulunan ülkelerin bunu gizlemesi imkansızdır. Hemen o ülkenin (şiddetle kınayarak) tepesine çökülebilir. Yapılacak herhangi bir test sonucunda oluşan anti-nötrinoların yakalanması ve özel (sismik) dalgalarla kıyaslanması yeterli olacaktır.

Hızlandırıcı nötrinoları

Bazı büyük laboratuvarlarda yani, CERN ya da Fermi gibi hızlandırıcılarda nötrino demetleri oluşturulur. Hızlandırıcılar kontrol edilebilir bir kaynaktır. Bu yüzden nötrino deneyleri için çokça tercih edilir.

hizlandirici-notrino-6558433211

Hızlandırıcılarda tipik nötrino hüzmesi oluşturma prensibi

Nötrino demeti oluşturmak için protonlar, hızlandırıcıda belli bir enerjiye kadar çıkarılıp bir sabitlenmiş bir hedefe çarptırılır. Etkileşim sonucunda kararsız parçacıklar oluşur. Kararsız parçacıklar da daha sonra manyetik alan içinde hareket ederken bozunabilecekeleri bir tünele odaklanır. Odaklanan kararsız parçacıklar vakum bir tüpün içinde bozunarak nötrino demetini oluşturur.

Coğrafik üretilen nötrinolar; geonötrinolar

Dünyamız yaklaşık olarak 40 TW’lik bir enerji yaymaktadır. Bu enerjinin yaklaşık %40’ı çekirdekteki radyoaktif atomların bozunumundan oluşmaktadır. Dünya’nın içinden yüzeyine, yaklaşık olarak 5×10^10 s-1m-2 nötrino ulaşmaktadır.

Bu coğrafi nötrinolar, gezegenimizin iç kesimleri hakkında bilgi edinmek için değerlidir. İlk defa KamLAND deneyi tarafından gözlemlenmiştir.

Atmosfer nötrinoları

Dünya atmosferi, tüm evrenden kaynaklanan kozmik ışın yağmuru altındadır. Haliyle bu kadar fazla olan kozmik ışın, atmosferdeki atom ve moleküllerle çarpışarak tepkimeye girebilir. Oluşan kararsız parçacıklar beta bozunmasına uğrayarak nötrino salınımı yapar.

Hazırlayan: Merve Yorgancı
Geliştiren: Zafer Emecan

En üstteki kapak fotoğrafı: Çin’de yer alan Daya Bay Nötrino Deneyi’ne kullanılan nötrino tuzakları. 

Yararlanılan Kaynaklar:
1) İnanç ŞAHİN 1 , Banu ŞAHİN 1 , Deniz YILMAZ 2 1.(2008) Güneş Nötrinolarının Salınımında Çeşni Evrenselliğini Bozan Nötrino Etkileşmelerinin İncelenmesi. Fen Bilimleri Dergisi (2008)Cilt 29 Sayı 2
2) https://en.wikipedia.org/wiki/Neutrino
3) Doç. Dr. Ali Murat Güler. ODTÜ Fizik Bölümü. Ender Etkileşen Gizemli Parçacık Nötrino. ,
4) umut köse 2014 Nötrinolardan Standard Model ve Ötesine Turkish Teachers Programme

Hep daha fazla okumak gerekir...

Yorum

Yazar Hakkında

Merve Yorgancı

Akdeniz Üniversitesi, Fen Bilimleri Öğretmenliği ve Astrofizik, çift ana dal yüksek lisans öğrencisi. Astronom ve popüler bilim makaleleri yazarı. Kozmik Anafor'un içerik yöneticisi.