İtalya’nın merkezinde yer alan Gran Sasso dağının derinliklerinde -1.6 km kadar büyük bir kayanın altında- Nadir Olaylar İçin Kroyojenik Yer Altı Gözlemevi yani İngilizce kısaltmasıyla CUORE nötrino deneyi astrofiziğin cevap bulmamış en büyük sorularından birini anlamamıza yardımcı olmak için çalışmaya başladı. Tahminler madde ve antimaddenin kendi arasında eşit olarak bölünmesini gösterirken neden evren madde ile dolu?
Her atom altı parçacığın eşit kütleye sahip ama zıt yüklü bir tamamlayıcı parçacığı yani karşılık gelen bir antiparçacığı vardır. Elektronlar ile pozitronlar, protonlar ile antiprotonlar ve nötronlar ile antinötronlar gibi. Bunların hepsi kütle olarak aynı ama taşıdıkları yük olarak birbirlerinden zıt özellikler gösterirler. Bu her bir çift parçacıktan biri sıradan veya bildiğimiz madde olarak kabul edilir ve diğerinin ise antimadde olduğu söylenir. Bu tanıma bir tek Majorana fermiyonları uymaz, fotonlar gibi yüksüz parçacıklar kendi antiparçacıkları olarak davranırlar.
Astrofizik bize Büyük Patlama’nın eşit miktarlarda madde ve antimadde üretmesi gerektiğini söyler ama açıkça görülür ki durum böyle değildir. Bu dengesizliğin nedeni hâlâ gizemini korumaktadır. Fakat, neredeyse kütlesiz bir atom altı parçacık olan ve tıpkı foton gibi kendi antiparçacığı olarak da davranabilen nötrinoların doğası bu gizemin çözülmesinde bize yardımcı olabilir. Eğer nötrinolar gerçekten Majorana fermiyonları gibiyse, onlar evrenin ilk zamanlarında asimetrik olarak bozunmuş olabilir ve bugün gördüğümüz antimaddeye karşı maddenin üstünlüğüne yol açmış olabilirler.
Nötrinosuz Çift Beta Bozunması
2018’in Ocak ayında, İtalya ve ABD’den 150 bilim insanının bir araya gelerek oluşturduğu bir araştırma grubu CUORE nötrino deneyini başlattı. Bu deney nötrinoların kendi antiparçacıkları olup olmadığını ortaya çıkarmayı amaçlayan 5 yıllık bir deney olarak planlanmış görünüyor.
CUORE nötrino deneyi “nötrinosuz çift beta bozunması” olarak bilinen oldukça nadir görülen bir olayı algılamayı amaçlamaktadır. Zamanla, iki nötrino doğal olarak iki protona, iki elektrona ve iki antinötrinoya bozunur. Ancak, eğer nötrinolar kendi antiparçacığı ise, o zaman oluşan bu iki antinötrino çok nadir de olsa birbirlerini yok edecek ve “nötrinosuz bir bozunma” oluşacaktır.
Nötrino fiziğindeki en önemli cevabı beklenen sorulardan biri nötrionların Majorana veya Dirac parçacıkları olup olmadıklarıdır. Antiparçacıkları kendisinden farklı olan parçacıklar Dirac parçacıkları olarak adlandırılırken, yukarıda belirttiğim gibi antiparçacığı da kendisi de yüksüz oluşundan dolayı aynı özellikler gösteren parçacıklar Majorana parçacıkları olarak tanımlanır. Çoğu teorik çalışan fizikçi nötrinoların Majorana parçacığı olduğu düşüncesini destekler. Çünkü Majorana kütlesi teorisi nötrinoların kütlesinin çok küçük oluşunu açıklayan bir mekanizmayı doğal olarak kabul eder.
Deneysel olarak, bir Majorana kütlesinin en ilgi çekici yanı bir Majorana parçacığının kendisinin bir antiparçacığı olarak davranabilmesidir. Majorana parçacıkları ve antiparçacıkları onların helisiteleri yani bir atom altı parçacığın doğrusal hareketi ve spin kombinasyonu sadece farklılaştığı için bu şekilde helisiteleri yönlendirmek bir referans çerçevesindeki bir parçacığın bir başkasında bir antiparçacık olmasına izin vermektedir.
Nötrinoların da olası Majorana doğasını tespit etme girişimleri çift beta bozunma süreci etrafında yoğunlaşmaktadır:
(A, Z) → (A, Z + 2) + 2e– + 2ν̅e
Eğer nötrinolar Majorana parçacıkları ise, nötronlardan biri tarafından yayılan antinötrino başka bir nötrino olarak soğurulabilir. Bu sürecin sonucunda herhangi bir nötrino yayılmaz ve nötrinosuz bir çift beta bozunması oluşur:
(A, Z) → (A, Z + 2) + 2e–
Eğer nötrinosuz çift beta bozunması gözlemlenirse, nötrinoların Majorana parçacıkları olduğu kanıtlanacak ve nötrino kütlesinin ölçülmesi için de bir yol sağlayacaktır.
CUORE Nötrino Deneyi
Nötrino bozunması tellür gibi malzemelerde gözlenebilir ama bir nötrinosuz bozunma oldukça nadir gerçekleşen bir olaydır ve bu olayın tellürde oluşması birkaç septilyon yıl yani trilyon kere trilyon yılda bir olur. Üstelik, bozunmanın izini tespit etmek 2.5 MeV kadar küçük bir enerji piki verdiğinden dolayı oldukça zordur.
CUORE deneyindeki 19 kuleden oluşan dedektör. (Credit: CUORE collaboration)
Bu nedenle CUORE nötrino deneyi tüm girişimlerden mümkün olduğunca uzak bir yerde 1.6 kilometrelik bir kayanın altında bulunan bir laboratuvarda gerçekleştiriliyor. Bunun yanı sıra deneyin yapıldığı cihaz bilim insanlarının “evrendeki en soğuk metreküp” olarak hesapladığı buzdolabı benzeri bir cihazdır ve bu cihazın iç yapısının sıcaklığı mutlak sıfıra oldukça yakın, yaklaşık 6 miliKelvin. Soğutulmuş alan içerisinde, toplamda yaklaşık 100 septilyon tellür atomu içeren 988 tellür dioksit kristaline eklenen elektronik ve sıcaklık sensörleri bir nötrinosuz bozunmanın işareti olarak ufak bir sıcaklık artışını bulmak için çok dikkatli bir şekilde takipte. Deneyin kalbindeki dedektör bu 988 kristalden 52’şerli olarak küp biçimli tellür dioksit kristalini içeren 19 kuleden oluşmaktadır. Bu dedektörün toplam ağırlığı ise 742 kilograma ulaşıyor.
Deneyin ilk iki ayının sonunda, bilim insanları böyle bir olayı henüz tespit edemediklerini Physical Review Letters dergisinin bu haftaki sayısında bilim dünyası ile paylaştılar. Ancak çalışmalarının sonucunda bir nötrinosuz bozunmanın tek bir tellür atomunda 10 septilyon yılda bir doğal olarak meydana geldiği sonucuna vardılar. Buradan yola çıkarak, araştırmacılar CUORE nötrino deneyi ile gelecek beş yıl içinde en azından beş nötrinosuz bozunma olayını gözlemleyebileceklerini tahmin ediyorlar. Bu gözlemler sadece nötrinoların kendi antiparçacıkları olduğunu onaylamayacak aynı zamanda Standart Model’in “lepton sayısı korunumu yasası“nı ihlal ettiği onaylanacak.
CUORE nötrino deneyinin bir üyesi olan Lindley Winslow bir nötrinosuz çift beta bozunmasının gözlenmesinin zorluğu hakkında şunları dile getirdi,
“Eğer 10 ila 15 yıl içinde bir nötrinosuz çift beta bozunmasını gözlemlemezsek, o zaman, doğa gerçekten garip alışılmadık bir şey seçmedikçe nötrino büyük ihtimalle kendisinin antiparçacığı değildir. Parçacık fiziği size nötrinonun hâlâ kendi antirpaçacığı olması için çok fazla seçeneğiniz olmadığını ve sizin onu görmediğinizi söyler. Saklanacak çok fazla bir yer yok.”
Majorana nötrinolarının henüz gerçekte var olup olmadığını anlamamız için beklememiz gerekiyor. Bu alanda yoğunlaşan çalışmalar ve olası bir nötrinosuz çift beta bozunmasının keşfi evrenin mevcut dinamikleri ve parçacık fiziğinin bize sunduğu atom altı parçacık dünyasına ilişkin anlayışımızı oldukça değiştirecek gibi.
Dr. Gökhan Atmaca
Takip: twitter.com/kuarkatmaca
Referanslar:
Dario Borghino, “CUORE” experiment seeks to get to the heart of the matter – and antimatter, New Atlas
Jennifer Chu, Scientists report first results from CUORE neutrino experiment, MIT News Office
Neutrinoless Double Beta Decay, SNOLAB internet sitesi
Gökhan Atmaca, Nötrino Kendisinin Antiparçacığı mı?, KBT Bilim Sitesi
