Son 25 yılda gerçekleşen Dünyamızı Değiştirebilecek Fizik Keşifleri yazı dizisinde dördüncü yazımız nötrinolar üzerine. Bu atom altı parçacıklarının fotonlar gibi kütlesiz olduğu uzun süredir tartışılıyordu. Ancak fotonlardan farklı olarak çok az da olsa bir kütleye sahip olduğu araştırmacılar tarafından ortaya konulmak üzere.
1998 yılında fizikteki en büyük bulmacalarından birini geride bırakarak nötrinoların kütleye sahip olduğu bulundu.
Japonya’daki Super-Kamiokande nötrino dedektörü.
Bir defasında fizikçi Frederick Reines tarafından “bir insanın hayal edebileceği gerçekliğin en küçük miktarı” olarak tanımlanan nötrinolar deneysel ve teorik fizikçileri uzun süredir karşı karşıya getiriyordu. Bu parçacıkların algılanmasının oldukça zor olması, teoride bu parçacıkların kütlesiz olarak kabul görmesine neden oluyordu, bununla birlikte gelişen teknoloji ile gözlemsel kanıtlar tam da bunun karşıtını ima ediyordu. 1998 yılına gelindiğinde, Japonya’daki Süper-Kamiokande deneyi nötrinoların gerçekten de bir kütleye sahip olduklarına dair ilk inandırıcı kanıtı elde etmişti ve böylece parçacık fiziğindeki en temel bulmacalardan biri sonunda çözülmüş oluyordu.
Beta bozunumuna uğrayan nötronlar tarafından üretilen nötrinolar zayıf kuvvet aracılığıyla madde ile etkileşen yüksüz atom altı parçacıklardır. Bu parçacıkların hikayesi 1930 yılında başladı ve o zamanlar sadece iki parçacık biliniyordu ki onlar da elektron ve proton idi. Bu sıralarda, beta bozunumları çalışmalarında ortaya çıkan aykırılıklar enerji korunum yasasının bozulduğu yönünde bir görünüme sahipti. Wolfgang Pauli bir ‘umutsuz çare’ olarak nötrinonun varlığını bir kabul olarak ortaya atmıştı. Pauli’nin bu umutsuz çareyi isimlendirmede “nötron” kelimesini kullanmasına rağmen Enrico Fermi tarafından bu isimlendirme “nötrino” veya “küçük nötr şey” olarak değişmişti.
Nötrinolar madde ile çok zayıf bir şekilde etkileştikleri için, onların tespit edilmesinin neredeyse imkânsız olduğu düşünülüyordu. Hatta Pauli, bunun üzerine bir kasa şampanyasına bahse bile girmişti. Bereket versin ki, 1956 yılında Pauli’nin yanlış olduğu kanıtlandı ve bir nükleer reaktör tarafından yayılan antinötrinolar tespit edildi. 1995 yılında da bu keşif Nobel Fizik Ödülü’nü getirdi. 1957 yılında İtalyan fizikçi Bruno Pontecorvo çok sayıda türde -“tatlar”da- nötrinoların var olduğunu ve onların birinden bir diğerine değiştiğini ya da “salınım yaptığını” öne sürdü. Pontecorvo’nun bu fikirleri 1962 yılında Brookhaven Ulusal Laboratuvarı’ndaki bilim insanları Pauli’nin elektron nötrino ve ayrıca müon nötrinosunun her ikisinin varlığını gözlemlediklerinde onaylanmış oldu. Nötrinonun üçüncü türü de tau nötrino 1975 yılında hipotezlendi ve sonunda 2000 yılında tespit edildi.
Fakat 1964 yılında büyük bir sorun kendini gösterdi, Brookhaven Ulusal Laboratuvarı’ndan Raymond Davis ve John Bahcall sürpriz bir şekilde güneş-nötrino deneylerinde teoriler tarafından tahmin edilen nötrinoların sadece %30’nun tespit edildiğini buldular. Bu aykırılık eğer nötrinolar Güneş’ten Dünya’ya olan yolculuklarında tatlar arasında salınım yapıyorlarsa açıklanabilirdi ve Davis’in deneyi elektron nötrinolara benzer duyarlılıkta sadece üç nötrino tespit etti. Ne yazık ki, eğer salınım oluyorsa, bu nötrinolarının bir kütleye sahip olduğu anlamına geliyordu ki parçacık fiziğinin Standart Modeli ile bir uyumsuzluğun olduğunu ortaya çıkarıyordu.
1998 yılında dev Süper-Kamiokande dedektörü ile araştırmacılar Dünya’nın zıt taraflarından gelen elektron ve müon nötrinolarının oranını farklı olduğunu buldular. Bu bulgular en üst atmosferde çekirdek ile kozmik ışınlar etkileştiğinde oluşan nötrinoların Dünya üzerinden geçtikçe tat değiştirdikleri anlamına geliyordu. Bu ise ilk kez nötrinoların kütleye sahip olduklarını gösteriyordu. Bu kütle sadece yaklaşık olarak 0.1 eV olsa bile.
Bu yıl Japonya’daki T2K deneyinde araştırmacılar Süper-Kamiokande dedektörü ile yer altında 295 km boyunca müon nötrinolardan bir demeti incelediklerinde bu bulgular hakkında olası herhangi bir şüphenin kalmayacak derecede yeni veriler elde ettiler. Araştırmacılar 5 sigmadan daha büyük bir istatiksel anlamlılık ile elektron nötrinolarını tespit ettiler. Şimdiki sorun ise her bir nötrinonun kütlesini saptayabilmek.
Nötrinolarla ilgili hatırlayacak olursanız İtalya’da OPERA deneylerinde nötrinoların hızı hakkında bazı iddialar ortaya atılmıştı: nötrinoların ışık hızını geçtiğine yönelik. Yeri gelmişken, nötrinoların hızının ışık hızını geçmediğini ve bu iddiaların sebebinin de deneylerdeki bazı kusurlardan kaynaklandığını hatırlatmak isterim. Bu konuda ilgili yazıları kaynaklar kısmında verdim, dileyen inceleyebilir. Dünyamızı Değiştirebilecek Fizik Keşifleri yazı dizisinin son yazısında görüşmek üzere…
Gökhan Atmaca, MSc. twitter.com/kuarkatmaca | facebook.com/anadoluca
Nanoölçek Aygıtlar ve Taşıyıcı İletimi Grubu
Kuark Bilim Topluluğu
Kaynak:
- Tushna Commissariat, The ghosts of matter weigh in, Physics World, October 2013.
- http://www.kuark.org/2011/10/isiktan-hizli-notrinolar-gercek-mi/
- http://www.kuark.org/2011/11/yoksa-notrinolar-isiktan-hizli-mi/
- http://www.kuark.org/2012/02/isiktan-hizli-notrino-deneylerinde-kusurlar/
