Fizik / Astrofizik Tüm Yazılar

Nötrino Tuzakları 3: KamLAND

Hazırlayan: Merve Yorgancı

Nötrinoları ve nötrino tuzaklarını anlatmaya devam ediyoruz. Bir önceki yazımızı şuradan okuyabilirsiniz. Bu yazımızda nötrino “gözlemevi” olan KamLAND Dedektörünü ele alacacağız.

İsmi  neden böyle garip diye düşünüyor olabilirsiniz. Bu isim dedektörün nerede olduğu hakkında bize ipucu veriyor ve özelliklerinin baş harflerinden alınarak oluşturulmuş. Uzun hali ise şu;

The Kamioka Liquid-scintillator Anti-Neutrino Detector (KamLAND)

Kamioka Sıvı Sintilatör Anti-Nötrino Dedektörü

Dünya üzerinde bir çok nötrino dedektörü (tuzağı) mevcut ve her biri de özel yöntemlerle nötrino yakalamaya çalışıyorlar. Her dedektörün kendine has özellikleri ve araştırma alanları var. Bu tuzakların en önemlilerinden KamLAND Dedektörü’de nötrinolar hakkında ipucu yakalamamızı sağlıyor. Peki KamLAND neyi araştırıyor?

Nötrinoların kütleleri var mı? Bu atom altı parçacıklar bir çeşitten diğerine salınıyor mu?  Nötrinolar; Güneş’in çalışma sistemi, Dünyanın kompozisyonu, yıldızın çöküş sürecini, kozmozun kökeni ve geleceği hakkında bize neler anlatıyor olabilir?” Bu sorular, KamLAND’taki bilim insanları tarafından araştırılan sorulardan sadece birkaçı..

Biliyoruz ki parçacık fiziğinin standart modeline göre nötrinolar kütlesizdir, yani herhangi bir ağırlıkları yoktur. Son dönemlerde, Güneş’in merkezinde ya da Dünya’nın üst atmosferinde oluşan nötrinoları tespit eden deneylerde, standart modelin bu kabulünün doğru olmayabileceğine dair kapsamlı kanıtlar toplanmıştır. Buna göre, nötrinoların kütlesi sıfırdan büyük olmalıdır.

Japonya’daki Honshu adasında bulunan KamLAND, yüzlerce kilometre uzaktaki nükleer reaktörlerden gelen binlerce anti-nötrinoyu tespit etti. Bu da diğer dedektörlerden önceki girişimlere kıyasla muazzam bir gelişme olduğunu gösteriyor.

KamLAND deneyi, diğerlerini iyileştirirken birtakım benzersiz yeni ölçümler yaparak nötrinolar üzerinde çalışma olanağı sağlamıştır. Dedektör, eski Kamiokande mağarasında yer alan 1.000 ton sıvı sintilatöre sahiptir.  Kamiokande alanının bulunması, az inşaat ve az mühendislik gerektirdiği için oldukça uygun bir maliyetle iddialı bir detektör inşa etmeyi mümkün kılmıştır.

KamLAND

Görsel https://apod.nasa.gov/apod/ap030623.html adresinden alınmıştır.

KamLAND’daki ekip Japon, Çin, Fransa ve Amerika’daki kurumlardan gelen araştırmacıların bir araya gelmesi ile oluşuyor. KamLAND Dedektörü, orijinal Kamiokande deneyi tarafından kullanılan aynı mağarada bulunuyor. Yer altında bir mağarada olan bu dedektör,  güneş ve atmosferik nötrino fiziğinde önemli bir rol oynuyor.

Ocak 2002’de veri toplamaya başlayan KamLAND, nötrino salınımlarını doğrulayan enerji spektrumu bozulmasının yanı sıra anti-nötrino eksikliğini de gözlemledi. Bu salınımlar nötrinonun kütlesiz olmadığı anlamına geliyor.

KamLAND ayrıca ilk geonötrino incelemesini de başlatan dedektör.  Dünya’nın içinden yüzeyine doğru nötrino gelmektedir. Dünyanın merkezinde oluşan bu coğrafi nötrinolar, gezegenimizin iç kesimleri hakkında bilgi edinmek için değerlidir ve ilk defa KamLAND deneyi tarafından gözlemlenmiştir. Dünya’da üretilen radyojenik ısının KamLAND tahmini, mevcut Dünya modelleri ile uyumludur. Yani gezegenin iç yapısından gelen radyojenik ısı teorik olarak sunulmuş, bu dedektörde yapılan deneylerle de ispatlanmıştır.

KamLAND’ta anti-nötrino tespiti
Antinötrino tespit etmek için  dedektörde bir proton (p) parçalaması gereklidir. Bir proton ve bir elektron-antinörinosu çarpışır. Çarpışma anında  antinötrino ve protonu yok eder, ancak bir pozitron (e +) ve bir nötron (n) oluşturur. Aşağıda açıklanacağı gibi, pozitron ve nötron, dedektörde bir antinötrinonun “imzası” olan iki farklı ışık çakması üretir.

Pozitron KamLAND’ın sıvı sintilatörü boyunca dolaşırken, her yöne ışık yayar. Ne kadar hızlı hareket ederse, o kadar çok ışık yaymaktadır.  Sadece birkaç santimetre hareket ettikten sonra, pozitron bir elektrona (e-) doğru gider ve yok eder. Parıltı ve yok olma o kadar hızlı gerçekleşir ki, kısa bir ışık flaşına (çakmasına) benzerler.

Bu ışık çakması, sıvı sintilatörü tutan çelik kürenin iç yüzeyine monte edilen foto-tüplerle tespit edilir. Işık fototüpe vurduğunda, küçük bir elektrik sinyali oluşturur.

KamLAND

KamLAND Sıvı Sintilatörünün yapısı. KamLAND dedektörünün dış tabakası, 18 metrelik paslanmaz çelik muhafaza teknesinden oluşur. İç tabaka ise naylon balondan yapılmıştır ve çapı 13 metredir. Bu tabaka içerisindeki sıvı mineral yağ, benzen ve flüoresan kimyasallarının bir kompozisyonudur.

Aşağıdaki resimde, KamLAND’da bir pozitron için fototüp vuruş desenini göstermektedir. Pozitronun enerjisi, antinötrino’nun enerjisiyle yakından ilişkili olduğu için, orijinal antinötrino’nun enerjisini sadece fototüplerle kaydedilen vuruş sayısını sayarak tespit edebiliriz.

Ekrandaki her renkli nokta, darbenin meydana geldiği zamana karşılık geliyor. Yakından bakarsanız, pozitronun dedektörün sol tarafına daha yakın olduğunu görebilirsiniz.

KamLAND

Tek başına bir pozitron olayı, bir antinötrino olayını ayırt etmek için yeterli değildir. Elektronlar, muonlar ve protonlar da dahil olmak üzere tüm enerjik yüklü parçacıklar, sintilatörde ışığın yanıp sönmesine neden olur. Her gün en fazla iki nötrinoyu tespit etmeyi umuyor olmamıza rağmen, KamLAND her saniyede yaklaşık 30 rastgele yanıp sönme kaydeder!

Nötrino Salınımları

KamLAND’ı en önemli yapan şey “nötrino salınımlarını” tespit etme yeteneğidir. Nötrino salınımlarını incelememizin ana nedeni, nötrinolar ve parçacık fiziği hakkında daha fazla bilgi edinmektir. Şu anda, üç türünün gerçek değerleri hakkında çok az şey biliniyor. Salınımı saptamak, nötrinoların kütlesiz olmasını gerektiren tüm teorileri yok eder.

Nötrino türleri ve nötrino salınımları diğer bilimsel alanlarda da önemli rol oynamaktadır. Örneğin, Güneş’in iç işleyişini inceleyen araştırmacılar, nötrino salınımlarının, son birkaç on yılda Güneş’ten gelen nötrinoların sayılmasına neden olan tüm deneylerin, beklenen sayısıyla karşılaştırıldığında büyük bir açığı (yaklaşık yarısı) bildirmesinin nedeni olduğuna dair muazzam bir kanıt elde etmiştir. Kamlon, bu hipotezi yeryüzünde yaratılan anti-nötrinolar için kullanarak test eden ilk deneydir.

Sıvı sintilatörü temizliği.

Daha önce belirtildiği gibi, nötrino salımınının belirlenmesi, parçacığın kütlesi olması gerektiği anlamına gelir. Kozmologlar, evrenimizin doğuşu ve gelişimi sırasında nötrino kütlesi tarafından oynanan rolü ve onun son kaderi ile ilgilenmektedir. Ne kadar ağır olduklarına bağlı olarak, nötrinolar evrendeki karanlık maddenin önemli bir bölümünü oluşturabilir.

KamLAND,  genellikle, parçacık fiziği ve astrofizik üzerinde çalışmak üzere inşa edilmiş yeni nesil düşük-arka plan detektörleri arasında yer alır.  Bütün bu deneyler,  doğal olarak üretilen kozmik radyasyonun incelenmesiyle, çok önemli bir bilim zenginliğinin uygun bir şekilde yapılabileceğinin göstergesidir.

Son olarak şuna değinmek gerekiyor. Birkaç önemli nokta KamLAND’ı çok özel bir proje kategorisine sokuyor. Birincisi, bu deney sadece doğal fenomeni gözlemlemekle kalmıyor, aslında nükleer reaktörlerde üretilen nötrinolar kullanarak bir laboratuvar tarzı deney üzerinde yoğunlaşıyor. İkincisi, KamLAND, eşi benzeri görülmemiş bir materyal yığından ayrıntılı düşük enerjili bilgi elde etmek için yeni niteliksel bir adımı temsil ediyor.

Merve Yorgancı

http://kamland.stanford.edu/
Ana görsel http://kamland.stanford.edu/Pictures/Pictures.html
http://kamland.stanford.edu/Pictures/Kam/exlarge/work.jpg
https://inspirehep.net/record/900551/files/fig1.png
http://kamland.stanford.edu/Pictures/first_nu_event_delayed.jpg

Hep daha fazla okumak gerekir...

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.