Bir ay önce İtalya’da OPERA deneyini gerçekleştiren fizikçiler beklenmedik bir sonuçla karşılaştılar. Nötrinolar İsviçre’de CERN’den İtalya’ya olan 730 km’lik yolu beklenenden 64 nanosaniye kadar daha erken almışlardı. Bu da hâliyle hem İtalya’daki fizikçileri hem de bu çalışma nedeniyle yayınlanan yayını okuyan fizikçileri şaşkına çevirmişti. Çünkü nötrinolar ışıktan hızlı mıydılar? Bu soru tüm bilim dünyasının en çok sorulan sorularından biri hâline gelmişti. Öyle ki, bu çalışma yayınlanır yayınlanmaz öncelikle Brian Cox gibi parçacık fiziği hakkında en tanınır fizikçilerin (medyatik) açıklamalarını duymaya başladık ardından sahneye onlarca makale yayınlayan fizikçiler çıktı. Herkes deney hakkında, deneyin sonuçları hakkında matematiksel hesaplamalarını ya da var olan teorilerden yola çıkarak araştırmalarının sonuçlarını bu yayınlarla şaşkınlıklarını bir yana bırakıp fizikte yeni bir heyecana ortak olmaya başlamışlardı. Bu heyecan hâlâ sürüyor…
Öncelikle deneyi yapan bilim insanlarının bu deneyi pek çok kez tekrarladığını hatırlamalıyız. Onlar makalelerinde bu kadar tekrarlamaya karşın aynı sonucu -nötrinoların ışıktan hızlı olduğu- elde etmelerine yine şüpheyle baktıklarını söylüyorlardı. Bu deneyin farklı yerlerde tekrarlanması gerektiğini çünkü kendi deneylerinde deney sisteminden ötürü herhangi bir hata varsa her tekrarladıklarında aynı sonuca ulaşacaklarını ve bu nedenle de bu verilerin doğrulanması için başka araştırma merkezlerindeki deneyleri beklediklerini ifade etmişlerdi. Dolayısıyla çalışmalarını içeren makaleyi bilim dünyasına açmalarında karşılaştıkları bu olgunun başka bilim insanlarınca araştırılmasını istemelerinden kaynaklanıyor. Ortaya çıkan sonuç fizikte her ne kadar yeni bir heyecan gibi görünse de beraberinde karmaşık ve zorlu sorular getiriyordu. Gerçekten de Einstein yanılmış mıydı? Işıktan hızlı giden gerçekten bir şeyler var mıydı?
Bu noktada Einstein’in ne dediğine bakalım. Özel Görelilik Kuramı ile Einstein, ışığın tüm eylemsiz sistemlere göre yani herşeye göre ışık hızında sabit bir hızla ilerlediğini söylüyordu. Ayrıca ışık hızının evrendeki en üst limit hız olduğunu da ortaya koyuyordu. Hiçbir şey ışıktan daha hızlı gidemezdi. Matematiksel olarak bu ifadeyi incelediğimizde:
c, ışık hızı olmak üzere herhangi bir şeyin hızı da v olsun. v ifadesi c’den büyük olduğu zaman görüldüğü gibi paydamız tanımsız olmakta. Gerçekte böyle bir enerji olamayacağına göre bir m kütlesine sahip herhangi bir şey ışıktan hızlı gidemezdi. Oysa fotonun durgun kütlesi sıfırdı ve bu nedenle ışık hızında ilerleyebiliyordu. İşte tam da bu noktada, böylesine yüksek hızlarda çalıştığımızdan dolayı iki farklı kütle kavramı karşımıza çıkıyor. Biri durgun (eylemsiz) kütle, diğeri göreli kütledir. Eylemsiz kütle kavramı, Newton mekaniğindeki bir cismin, bir şeyin hareketsiz hâldeki kütlesidir. Yani Newton mekaniğinde ışık hızına göre çok düşük hızlarda cismin hareketi boyunca kütlesi değişmezdi ve tam da eylemsiz kütle bunu ifade eder. Ancak ışık hızına yakın hızlarda hareket eden bir cismin kütlesi değişir. Albert Einstein’in Özel Görelilik Kuramı sonucunda hareket boyunca sahip olunan kütle (göreli kütle), hareketsiz hâldeki kütle (eylemsiz kütle) ile aynı değildir. Görelilik kuramına göre yüksek hızlarda kütle γ çarpanı kadar değişir.
Fotonun durgun kütlesi sıfırken bu kurama göre göreli kütlesi vardır. Fotonun durgun kütlesi sıfır olduğu için de Newton mekaniğinde foton hakkında işlem yapamıyorduk.
Japonya'daki Super Kamiokande nötrino dedektöründen...
Özel Görelilik Kuramı’nın tüm bu sonuçlarını herkes kabul ediyor ve benimsiyor. Şimdi aynı kurama göre, matematiksel olarak incelersek; eğer bir şey, ışıktan hızlı gidebilseydi bize bu kuram ne söylerdi? Işıktan hızlı giden bir cisim olsaydı ve eğer enerjisi de “reel” olması gerekiyorsa, payda da kök içindeki ifade “sanal” olurdu yani i’li bir ifade oluşurdu ve enerjinin reel olması gerektiğinden bu paydadaki i’den kurtulmalıyız ve bu nedenle, m kütlesinin de sanal olması gerektiğini düşünürüz. Dolayısıyla pay ve paydadaki i’ler birbirini götürür ve ışıktan hızlı giden sanal kütleli şeylerimiz teorikte bu kurama da uymaktadır. Buna benzer hipotetik (teorik) parçacıklardan söz edilmektedir ama asla gözlenememiştir. Işık hızına göre çok düşük hızlarda, ışık hızına yakın hızlarda ve ışık hızından hızlı hızlarda aslında karşımıza üç tane kütle kavramı çıkıyordu. Peki, Einstein hangi kütleye sahip şeyler için ışık hızından hızlı gidemez demiştir?
Buradan bakacak olursak, nötrinoların kütlesinin belirlenmesindeki garipliğin hâlâ sürdüğü bir zamanda eğer nötrinolar ışıktan hızlı olarak ölçülürlerse; eğer diğer deneylerde de bu OPERA’daki deney tekrarlanırsa bilim insanlarının bir kısmının nötrinoların kütlesi üzerine daha fazla yoğunlaşacağını düşünüyorum. Çünkü Einstein’in bu kuramı “şu an için” sarsılmaz bir gerçeklikle bizim bildiğimiz evrenle uyuşmaktadır.
Ancak “ışıktan hızlı nötrinolar” hakkında yeni bir gelişme oldu. İtalya’daki OPERA deneyinin kardeş deneyi olarak belirtilen ICARUS deneyi, ışıktan hızlı nötrinoların varlığını doğrulayan herhangi bir kanıt bulamadı. ICARUS deneyi, CERN’den İtalya’ya giden nötrinoların elektron-pozitron çiftleri yaymadığını gösterdi. Eğer nötrinolar gerçekten de ışıktan hızlı hareket etseydiler böyle parçacık çiftlerini yaymaları beklenirdi.
Cerenkov ışıması. Image credit: http://listverse.com/2007/12/17/top-10-scientific-mnemonics/
ICARUS’taki verilerin yayınlandığı makalenin yazarları Nobel ödüllü Sheldon Glashow ve Boston Üniversitesi’nden Andrew Cohen bu makalede, Cerenkov radyasyonu olarak bilinen elektron ve onun antimaddesi olan pozitron çiftinin yayılmasının -nötrinoların ışıktan hızlı gitmeleri hâlinde- gerçekleşmesinin gerektiğini belirttiler. Yaptıkları hesaba göre OPERA’daki sonuçların elde edilmesi için ICARUS’taki nötrinoların enerjisinin 12 GeV’tan daha yüksek olması gerekiyordu. Oysa, OPERA 40 GeV üzeri çok sayıda nötrino görmüştü.
Japonya'daki Super Kamiokande nötrino dedektöründen...
Yazarlar bunun dışında nötrinoların belirli bazı parçacıklarla -elektronlar, muonlar ve tau parçacıkları- zayıf nükleer kuvvet aracılığı ile bağlantılı olduklarını ve bu bağlantı yüzünden, elektronların ışıktan hızlı gidemeyeceği için nötrinoların ışıktan hızlı olamayacaklarını da makalelerinde savunuyorlardı. Yani elektronlara karşın nötrinolar ışıktan hızlı gidemezler. CERN fizikçisi Gian Giudice’e göre OPERA deneyi ile tutarlı bir şekilde düşünüldüğünde elektronlar ışık hızının 100 milyonda biri kadar daha hızlı hareket etseydiler eğer bu hızdaki elektronlar koni Cerenkov ışıması/radyasyonu yayması gerekirdi. Ancak önceki deneylerde bu olmadı.
Elektron-pozitron çiftlerinin yayılması demek CERN’den İtalya’ya giden ve OPERA ile ICARUS deneylerinde ortaya çıkan nötrinoların enerji dağılımlarında gözle görülebilir bir değişikliğin, bir etkinin olması anlamına geliyordu ama ICARUS deneyinden de gelen sonuçlara göre bu nötrinoların enerji dağılımlarında böyle bir değişiklik yok. Görüldüğü üzere OPERA’nın nötrinolar üzerindeki hız deneyleri ile ICARUS’un enerji dağılımı deneyleri birbiri ile çelişiyor.
Yine de bu sonuç, nötrinoların gerçekte ışıktan hızlı hareket etmediği sonucuna götürmez. Ancak, bu iki deneyden birinin yanlış olduğu hakkında bize ve bilim insanlarına fikir verir. Son ICARUS deneyi ile ilgili yayının yazarlarından birinin Nobel ödüllü olması (Sheldon Glashow) ise bu son verilere ayrı bir önem katıyor. Arxiv’de yayınlanmayı bekleyen bu makalenin Physical Review Letters dergisinde kabul edildiğini de belirtmem gerekiyor.
OPERA’daki bu ilk sonuçları değerlendiren onlarca makale var pek çok açıdan. Bunlardan biri de CERN’deki ile İtalya’daki deneylerdeki saatlerin senkronizasyonu ile ilgili örneğin. Bilim insanları her yönü ile bu sonuçları değerlendirmeye çalışıyor. Bu yazımızda “ışıktan hızlı nötrinoları”, ben OPERA’daki sonuçlarla en ilgili deneyin sonuçlarını kıyaslayarak ele almaya çalıştım. OPERA’daki deneyin başka araştırma merkezlerinde tekrarlanması ile ışıktan hızlı nötrinolar hakkındaki bilimsel sonuçlar nihai olarak ortaya konulacaktır. Yine de görünen o ki, Einstein’in Özel Görelilik Kuramı “sarsılmaz bir gerçeklikle” bizim bildiğimiz evrenle uyuşmaktadır.
Topluluğumuzun ücretsiz bilim dergisi NetBilim’in son sayısını mutlaka okumalısınız! : http://www.netbilim.kuark.org/2011/10/netbilim-dergisi-ekim-2011-sayisi/
*Gönül isterdi ki ülkemiz parçacık fizikçilerinden biri bu konuyu ele alıp tüm ayrıntılarıyla sizlere aktarsaydı ama yarıiletken fiziği alanında çalışan biri olarak elimden geldiğince bu olguyu anlatmaya çalıştım.
Kaynaklar:
http://physicsworld.com/blog/2011/10/subluminal_neutrino_news_from.html
http://www.dailygalaxy.com/my_weblog/2011/10/faster-than-speed-of-light-result-stumps-cerns-top-brains.html
arxiv.org/abs/1110.3763
