Oğuz Pancar

Okumaya başladığınız şu andan cümlenin sonuna kadar geçen sürede, tüm bedeninizden yüzlerce trilyon nötrino siz hiçbir şey hissetmeden geçip gitmiş olacak. Hatta bu nötrinolar bedeninizden sonra yerkürenin tüm katmanlarını ve yoğun çekirdeğini de katederek öbür uçtan çıktı ve uzaydaki uzun yolculuklarına devam etmekteler.

Tüm evren, nötrino adını verdiğimiz, son derece düşük bir kütleye sahip ve maddeyle neredeyse hiç etkileşime girmeyen parçacıklarla doludur. İnanılmaz derecede zayıf etkileşimleri nedeniyle “hayalet parçacıklar” olarak anılan nötrinolar ışığa yakın bir hızda hareket eder (çok küçük de olsa bir kütlesi olan hiçbir parçacık ışık hızına ulaşamaz, ancak yüksek enerjili nötrinolar ışık hızının 0.9999999999999999’una ulaşabilir). Bu gizemli parçacıklar, modern fiziğin en büyük sırlarından bazılarının yanıtını saklıyor gibi görünüyor.

Nötrinoların varlığı ilk olarak 1930’da ünlü fizikçilerden Wolfgang Pauli tarafından öngörüldü. Pauli, beta bozunumu sırasında enerji ve momentumun korunumu yasasının ihlal edildiğini fark etmişti. Kayıp enerjiyi taşıyacak bir parçacık olması gerektiğini düşündü ve buna “nötrino” (İtalyancada “küçük nötr” anlamında) adını verdi. Ancak bu parçacığı tespit etmek o kadar zordu ki Pauli, “Bir kuramcı olarak korkunç bir şey yaptım. Deneysel olarak asla gözlemlenemeyecek bir parçacık buldum!” diye espri yapmıştı.

Nihayet 1956’da Clyde Cowan ve Frederick Reines, nükleer reaktörlerden yayılan nötrinoları saptayarak Pauli’nin haklılığını kanıtladı. Deneyleri o kadar hassastı ki, nötrinoların sudaki protonlarla etkileşime girdiği çok nadir anları yakalamayı başardılar. Bu başarı Reines’a 1995’te Nobel Fizik Ödülü’nü kazandırdı (Cowan o tarihte hayatta değildi).

Nötrino Çeşitleri

Nötrinoların üç farklı türü vardır: elektron, müon ve tau. Ancak 1998’de Super-Kamiokande deneyi bu parçacıkların uzayda hareket ederken farklı türler arasında geçiş yapabildiğini gösterdi (“nötrino salınımı”). Örneğin, Güneş’ten gelen bir elektron nötrinosu, yeryüzüne müon veya tau nötrinosuna dönüşmüş olarak ulaşabilmektedir.

[Parçacıklar dünyasında bu türden salınımlar çok nadir görülse de kuark-antikuark çiftleri gibi bazı nötr mezon türlerinde buna benzer dönüşümler gözlenmektedir.]

Çok uzun zaman nötrinoların fotonlar gibi kütlesiz oldukları düşünülmüştü ancak salınım olgusu nötrinoların bir kütleye sahip olduğunun göstergesidir, çünkü kütlesi olmayan bir parçacığın salınım yapabilmesi olanaksızdır. 1998’de Tokyo Üniversitesi’nden Takaaki Kajita’nın Super-Kamiokande dedektöründe yürüttüğü deneylerde, atmosferik nötrinoların elektron nötrinosundan müon nötrinosuna dönüştüğünü gözlemlemesinin ardından, 2001’de Queen's Üniversitesi'nden Arthur B. McDonald da Güneş'ten gelen nötrinoların tür değiştirdiğini gösterdi. İki fizikçiye 2015 Nobel Fizik Ödülü’nü kazandıran bu gözlemler, parçacık fiziğinin temel teorisi olan Standart Model’deki önemli bir yanlışı ortaya çıkardı; model, nötrinoların kütlesiz olduğunu varsayıyordu!

Nötrino Kaynakları

Nötrinolar, yüksek enerjili başka parçacıkların etkileşiminden ortaya çıkar ve kaynakları çeşitlidir; ancak yerküreye ulaşan nötrinoların çok büyük kısmı Güneş’in çekirdeğindeki nükleer füzyon tepkimeleri sonucu oluşur (Hidrojen atomlarının birleşerek Helyum oluşturmaları). Aşağıda, yeryüzüne ulaşan nötrinoların kaynakları görülüyor:

Güneş: Füzyon reaksiyonlarından saniyede ~65 milyar/cm².

Atmosfer: Kozmik ışınların atmosferle etkileşiminden saniyede ~0.01 milyar/cm².

Yerküre Çekirdeği (Jeonötrinolar): Radyoaktif bozunmalardan saniyede ~6 milyon/cm².

Kozmik Kaynaklar: Süpernova patlamaları, nötron yıldızı çarpışmaları (ihmal edilebilir düzeyde).

Nötrinoları yakalamak için çok büyük ve gelişmiş düzenekler gerekir. Örneğin Japonya’daki Super-Kamiokande tesisinde, terkedilmiş bir madenin, nötrinodan başka parçacıkların ulaşamayacağı kadar derin bir galerisinde inşa edilmiş ve 50 bin ton saf suyla dolu bir tank bulunur. Nötrinolar nadiren de olsa suyla etkileşime girerse ince ortaya çıkan müonlar tankın duvarlarındaki özel sensörlerle tespit edilir.

[50 bin tonluk tankın küp şeklinde olduğunu varsayarsak toplam yüzeyi yaklaşık 82 milyon cm²’dir. Bunu yeryüzündeki 1 cm²’lik bir yüzeyden geçen ortalama nötrino sayısı olan 65 milyar ile çarptığımızda, 5 katrilyon 330 trilyon gibi devasa bir sayı elde ediyoruz ki bu yalnızca 1 saniyede geçen nötrino sayısıdır. Bunu bir yıldaki saniye sayısıyla çaptığımızda, bir yılda bu tanktan geçip giden toplam nötrino parçacığı sayısı olarak 168 sekstilyon 38 kentilyon 848 katrilyon (1,68038848×10²³) sayısına ulaşırız. Super-Kamiokande’de her yıl yakalanabilen nötrino sayısının 6-12 bin arasında olduğunu biliyoruz. Buradan bir nötrinonun madde ile etkileşime girme olasılığının 1/10²⁰ gibi çok düşük bir oran olduğunu görebilirsiniz. O kadar ki eğer bir nötrinoyu sonsuz uzunlukta bir kurşun silindirin bir ucundan saldığınızda, en yoğun metallerden olan kurşunun içinde hiçbir elektron, proton ya da nötrona çarpmadan 3200 yıl boyunca hareket edebilir!

Diğer bir nötrino avcısı deney düzeneği ise Antarktika’daki IceCube Nötrino Gözlemevi’nde bulunur. Burada da buzun içinde, atmosferden yer kabuğuna ulaşabilen diğer parçacıkların ulaşamayacağı 1450-2450 metreler arası derinliklerde, buza gömülü 5 binden fazla sensör kullanılmaktadır.]

Hapsolmuş Fotonlar!

Biliyorsunuz gezegenimize yaşam veren temel enerji kaynağı Güneş. Güneşte oluşan fotonlar, yıldızın çekirdeğinde olağanüstü bir basınç ve sıcaklığın tetiklediği füzyon tepkimeleri sonucu oluşur. Aynı tepkimelerde foton dışında nötrinolar da ortaya çıkar ve bunlar yaklaşık 8 dakika 20 saniyede Dünya’ya ulaşır; ancak bu durum aynı tepkimede ortaya çıkmış fotonlar için kesinlikle geçerli değildir. Çünkü hiçbir parçacığa takılmadan Güneş’ten kopan nötrinonun tersine, oluşan bir foton her birkaç cm’de bir iyonize bir atomla çarpışır, onun tarafından emilir ve sonra yeniden salınır. Bu nedenle Güneş’in çekirdeğinde yaratılan bir fotonun uzaya çıkması yaklaşık 10 bin yıl ile 200 bin yıl arası bir zaman alır! Bu şu demek, şu anda bizi aydınlatan, ısıtan ışık bundan 10 bin yıl önce, yani insanlar tarıma ve yerleşik yaşama henüz ilk geçtikleri sırada oluşmuş olabilir; hatta bu ışık bundan 200 bin yıl önce, yani Homo Sapiens’in henüz Afrika’da yaşadığı bir dönemde bile yaratılmış olabilir! Fotonu bu kadar uzun süre Güneş’te alıkoyan parçacık çarpışmaları nötrinoları neredeyse hiç etkilemez!

[Nötrinoların bir kütlesi olduğunu biliyoruz, ama tam olarak ne kadar? Bu soru hâlâ yanıt bulmadı, çok küçük bir parçacık olan elektronun milyarda biri kadar bir kütleye sahip oldukları tahmin ediliyor. Dahası, üç tür nötrinodan hangisinin daha ağır olduğu da bilinmeyenler arasında. Bu gizem evrenin genişleme hızından karanlık maddeye kadar birçok olguyu etkiliyor olabilir. JUNO ve DUNE, bu kütle hiyerarşisini belirlemek konusunda yürütülen deneylerden ikisi. Bunlarda ayrıca nötrinoların “kendi antiparçacığı olma” (Majorana parçacığı) olasılığı da araştırılıyor. Bu konudaki çalışmalar, evrende maddenin neden antimaddeden daha fazla olduğunu da açıklayabilir.]

Bir dönem nötrinoların gizemli karanlık madde olabileceği düşüncesi fizik dünyasında büyük bir heyecan yaratmıştı ancak kütlelerinin bu denli küçük olması nedeniyle günümüzde bu görüş gözden düştü. Bugün bu hayalet parçacık, dönüşebilme ve maddeyle etkileşime girmeme özellikleriyle meraklandırıyor fizikçileri daha çok.

İyi ki nötrinolar diğer parçacıklarla etkileşime girmiyor; öyle olsaydı, içinizden her saniye geçip giden trilyonlarca nötrinonun bedeninizdeki her hücreyi paramparça etmesi yalnızca birkaç saniye sürerdi. Onu bir yana bırakın, evrende iyonize olmamış, istikrarlı tek bir atom kalmaz, molekül oluşumu olanaksız hale gelirdi. Bu durumda galaksilerin, yıldızların ve gezegenlerin de hiçbir zaman oluşamayacağını söylemek gereksiz tabii.

Ancak şurası kesin ki, bu küçük ve garip parçacık evrenin birkaç gizemini içinde saklıyor.