Bilim adamları evrendeki toplam madde miktarını ölçmek istedikleri zaman toplam kütleyi bulmak için bazı maddelere sahip olduğundan daha yüksek değer vereceklerini bilirler. Bu bir bakıma kayıp ya da bilinmeyen maddelerin yerine verilen değerdir. Ölçümdeki bu tutarsızlığın giderilmesi için, kayıp kütlenin nötrinolar olabileceği öne sürülür. Evrendeki madde miktarını doğru ölçümlemek, astrofiziksel olayları doğru yorumlamak için önemli bir kozmolojik parametredir.
Nötrinoları incelemek oldukça zordur. Çünkü nötrinolar yalnızca çok kısa mesafelerde hareket kabiliyeti olan zayıf nükleer kuvvet (bu nükleer kuvvet çekirdek içi etkileşimlerle ilgili olan bir kuvvettir) ve son derece zayıf yer çekimi altında incelenebilen parçacıklardır. Parçacık fiziğinin Standart Modeli’ne göre 3 çeşit nötrino vardır:
Elektron nötrinolar, müon nötrinolar ve tau nötrinolar. Daha önceleri nötrinoların kütlesiz oldukları düşünülüyordu. Ancak nötrino salınımlarının keşfi ile birlikte, nötrinoların yapı farklarına bağlı olarak kütlelerinin de farklı olabileceği anlaşıldı. Japonya’da Süper-Kamiokande parçacık fiziği deneylerinde ölçülen değerlere göre nötrinoların salınım yaptığı ve kütleye sahip olduğu gösterilmiş olsa da kütlelerinin aralığı bilinmemektedir. Ancak en iyi yakınsamayla fizikçiler nötrino kütlelerinin en düşük bağlılığını 0.06 eV olduğunu bu deneylerden öngörmüştürler.
Kozmik Zıtlıklar
Galaksi kümeleri ile yer çekimi merceklenmenin sayısı ve kozmik mikrodalga arka plan ışınımına –Big Bang Termal Kalıntısı – dayalı ölçümler yapıldığında, nötrinolar ve evrendeki toplam maddenin yoğunluğu hakkında daha net bilgiler elde etmek mümkün olabilir. Manchester Üniversitesi’nden Richard Battye ve Nothingham Üniversitesi’nden Adam Moss’un Planck ve WMAP (Kozmik Mikrodalga Arkaplan Işınımı) uydularının verileri ile yaptıkları hesaplara göre nötrinoların kütlesinin daha önce yapılan ölçümlere göre daha fazla olduğu ortaya çıkmıştır. ABD Chicago Üniversitesi’nden Mark Wyman ve çalışma arkadaşlarının farklı veri setlerine göre yaptığı incelemelerde de yine aynı sonuca varılmıştır.
WMAP verilerine göre Büyük Patlama’dan yaklaşık 380 bin yıl sonra evrenin genelinde nötr atomların ilk oluşum süreci gözlenmiştir. Nötrinolar bu sıcaklıkta (yaklaşık 3000 Kelvin) en yüksek rölativistik hıza sahip olurlar. Şimdi ise neredeyse bir dinlenme hali denebilecek noktaya kadar soğuduklarını söyleyebiliriz. İşte bu nedenle Kozmik Mikrodalga Arkaplan Işınımı, bir takım matematiksel hesaplar için bize daha faydalı bilgiler verebilecek. İlk oluşan bu nötr atomlar nispeten daha kolay hesaplanabildiği için nötrinoların sayısını belirlemeye yardımcı oldu. İlk bakışta nötrinoların kütleleri 0,06 eV gibi bir değere sahip olduğu düşünülürse, bunun evrendeki kütle için çok önemsiz bir kütle olduğunu söylemek mümkündür. Bu nedenle bugün yapılan evrenin kütlesine ilişkin araştırmalar WMAP verileri ile kombine edilerek hesaplanmıştır. Büyük Patlama Modeli, Kozmik Mikrodalga Arkaplanı Işıması’nda nötrino sayısı ve foton sayısı arasında sabit bir oran olduğunu öngörür. Eğer üç tip nötrinoya ait toplam enerjiden 50 eV’luk bir enerji düşseydi, evrendeki kütle miktarı çok fazla olur ve evren çökerdi. Eğer nötrinoların stabil olmadığı kabul edilirse bu sınır engellenebilir. Ancak Standart Model bunu zorlaştırmaktadır [2]. Yazımızın başlarında bahsettiğimiz Manchester Üniversitesi’nden Richard Battye ve Nottingham Üniversitesi’nden Adam Moss’un son yaptığı hesaplamalarda nötrinoların kütlesini 0.32 eV olarak hesapladı ve Chicago’lu bilim adamları da hesaplamaların sonucunu 0.39 eV olarak yinelediler.Yani kısaca söylemek gerekirse nötrinoların kütlesine ilişkin belirsizlik, hala durumunu korumaktadır.
Steril Parçacıklar
Araştırma yapan grupların üzerinde durduğu ve çok tartışılan ve dördüncü bir başka nötrino türü olarak varsaydıkları, zayıf çekirdek etkileşiminde bulunmayan “steril nötrino” parçacıklarıdır. Bu gibi steril nötrinoları tespit etmek çok zor olduğundan diğer üç aktif nötrino türünün etkileşimleri incelenir.
Araştırmacılar zayıf kuvvetle etkileşime girmeyen, tip salınımlarıyla meydana gelebilecek bu nötrino çeşidini tespit etmişlerdi. Bu yeni çalışmada ise, araştırmacılar steril nötrinolara ilave bir kütle atfettiler. Battye ve Moss bu steril nötrinoların kütlesinin 0.3 eV ve 0.5 eV arasında olduğunu buldular. Chicago’dan Wyman ise 0.4 eV olarak bu kütle değerini buldu. Yapılan deneyler de bu tarz nötrinoların varlığının sinyalini vermiştir. Ancak yine de çeşitli deneyler bu steril nötrinoların deneysel sonuçları açıklamakta gerekli olamayacağını önermektedir.
2010 yılında, Londra Koleji Üniversitesi’nden gözlemci kozmolojist Ofer Lahav, nötrino kütlesi üzerinde yaklaşık bir üst sınır getirerek 0.28 eV olduğu kanısında bulundu. Ofer Lahav açıklamasında “Bu kozmolojik veri kümelerinden nötrino kütlesi elde etmek son derece ilginç. Farklı analizler ile çok farklı sonuçlar elde etmek mümkün. Yani hata yapma olasılığınız çok fazla. Ancak bunlara Hubble Sabiti ya da diğer sistematik hataların yerel değişimleri gibi yaklaşımlar getirilebileciğini düşünüyorum” demiştir.
Gözlemlerle kuramın farklı sonuçlar vermesinin bir açıklaması şu olabilir: Nötrinolar, bir tipten ötekine geçiyorlar. Başka bir deyişle salınım yapıyorlar. Bu da onların bir kütlesi olduğunu gösteriyor demiştik. Böyle bakılınca evrendeki kütle açığını karşılayacak ölçemediğimiz bazı maddelerin bulunması oldukça muhtemel. İşte evrenin bu eksik kütlesi nötrinolardan kaynaklanıyor olabilir.
Deneylerin farklı sonuçlar vermesi, ya da uyumlu olmaması evrenin her alanda olduğu gibi gizemini koruduğu gerçeğini değiştirmiyor. Bu deneyler dışında CERN’de yapılmakta olan hızlandırıcı deneylerinde nötrino salınımları ve kütlesi araştırılıyor. İçlerinde Türkiye’nin de bulunduğu katılımcı ülkeler ile evrenin gizemi araştırılıyor.
Tuğba Yaşar
Marmara Üniversitesi Fizik Bölümü
Kuark Bilim Topluluğu Popüler Bilim Yayın Grubu
Kaynaklar:
- http://physicsworld.com/cws/article/news/2014/feb/18/could-sterile-neutrinos-solve-the-cosmological-mass-conundrum
- http://tr.wikipedia.org/wiki/Nötrino
Image Credit: Adam Moss, Planck Collaboration
