Geçtiğimiz günlerde bilim insanları ilk kez parçacık çarpıştırıcısı aracılığı ile nötrinoların varlığını tespit etti. Yakın zamanda da ışıkla etkileşime girebileceği kanıtlandı. Fizikçiler bu keşifler nedeniyle oldukça heyecanlı. Peki ama neden? Size verdiğimiz bu iki haber, konuya yabancı olanlar için bir anlam ifade etmeyecektir. Bu nedenle öncelikle konuyu en baştan anlamaya başlayalım ve gizemli parçacık nötrino hakkında bildiklerimizi toparlayalım.
Evren neden yapılmıştır ve Büyük Patlama’dan bu yana nasıl bir evrim geçirmiştir? Bunlar kendimize sorabileceğimiz en ilginç sorulardan birkaçı. Bunları bilimsel olarak cevaplamak için de çeşitli yaklaşım ve yöntemler kullanabiliriz.
Parçacık fizikçileri ise maddeyi oluşturan temel parçacıkları ve bu parçacıklar arasındaki etkileşimleri yöneten kuvvetleri anlamaya çalışarak bu sorulara yanıt ararlar. Diğer tüm parçacıkları oluşturan ve daha fazla bölünemeyen en küçük parçacıkları bulmaya çalışırlar. Daha sonra da maddenin bu temel parçacıklardan nasıl oluştuğunu açıklayan bir dizi fikir ve denklemi ortaya koyarlar.
Parçacıkları ve aralarındaki kuvvetleri tanımlayan modele standart model denir. Standart modele göre vücudumuzu oluşturan atomlar, soluduğumuz hava ve Güneş’ten aldığımız ışık dahil tüm maddeler temel parçacıklardan oluşur. Bu parçacıklar, yaklaşık 13,8 milyar yıl önce, büyük patlama ve evrenin daha sonraki evrimi sırasında ortaya çıkmıştır.
Nötrino Nedir?
Temel parçacıklar elektronları, kuarkları ve nötrinoları içerir. Ayrıca fotonlar, bozonlar, gluonlar ve Higgs parçacıkları gibi adını duymuş olabileceğiniz diğer parçacıklarda bu gruba dahildir. Tüm temel parçacıklar birbirleriyle güçlü kuvvet, zayıf kuvvet, elektromanyetik kuvvet ve yerçekimi kuvveti adı verilen dört temel kuvvet aracılığıyla etkileşime girer.
Nötrinolar olağandışı temel parçacıklardır çünkü dört temel kuvvetten yalnızca ikisiyle yani yerçekimi ve zayıf kuvvet ile etkileşime girerler. Bu parçacıklar yıldızların kalbinde gerçekleşen nükleer füzyonun bir sonucudur. Nükleer füzyonda, iki atom çekirdeği birleşerek tek, daha ağır bir atom oluştururken, büyük miktarlarda enerji ve nötrinolar da dahil olmak üzere parçacıklar açığa çıkar.
(A) Standart modele göre evren, kuarklar, elektronlar ve nötrinolar adı verilen temel parçacıkların oluşumuyla başladı. 3 tip kuark vardır ve bunlar hem protonların hem de nötronların yapı taşlarıdır. (B) Nötronlar ve protonlar atomların çekirdeğini oluşturur ve elektronlar atom çekirdeğinin etrafında döner. Nötrinolar üç tür veya çeşide sahiptirler ve üç temel parçacıkla etkileşime girerler: elektron, müon ve tau.
Bu nötrinoların güneşten çıkması 2 saniye, Dünya’ya ulaşması ise yaklaşık 8 dakika sürer. Aslında evrendeki en yaygın parçacıklar arasında nötrinolar vardır. Dünya yüzeyinin her santimetrekaresinden her saniye 65 milyar nötrino geçer.
Nötrinolara Neden Hayalet Parçacık Denir?
Nötrinolar neredeyse kütlesiz olduğundan uyguladıkları yerçekimi kuvveti son derece küçüktür ve pratik olarak tespit edilemezler. Onlarla etkileşime girebilmeleri için diğer protonlara, nötronlara veya elektronlara aşırı derecede yaklaşmaları gerekir. Bu da, tespit edilmesini son derece zorlaştırır.
Aslında nötrinolar maddeyle yalnızca bir atomun çekirdeğine veya bir çekirdeğin etrafında dönen elektronlara çarptıklarında etkileşime girerler ve bu oldukça nadiren gerçekleşir çünkü atomlar çoğunlukla boşluktur. Diğer tüm durumlarda, maddenin içinden kesintisiz olarak geçerler.
Bilim insanları her saniye vücudunuzdan trilyonlarca nötrino geçtiğini söyler. Ve bunu yaparken vücudunuzdaki atomlarla en ufak bir etkileşime dahi girmezler. Dedektörlerimizle de çok zayıf etkileşime girdiği için onları görmek ve özelliklerini ölçmek son derece zordur. Maddeyle nadir etkileşimleri nedeniyle bazı insanlar nötrinoları evrenin hayaletleri ya da hayalet parçacık olarak adlandırmaktadır.
Her ne kadar anlaşılması ve ölçülmesi zor olsa da, nötrinolar evrenin oluşumunda merkezi bir rol oynuyor. Yıldızlar ve galaksiler gibi yapıların inşasına yardımcı olurlar. Ayrıca Büyük Patlama sırasında evrenin başlangıcında yaratılan bazı temel unsurların oluşmasına da yardımcı oldular.
Nötrinoların Varlığını Nasıl Keşfettik?
Wolfgang Pauli, nötrinonun varlığını ilk kez 1930’da öne sürdü. Fakat Pauli nötr bir parçacık yani bir nötrinonun ölçülebileceğini düşünmüyordu. Pauli’nin çağdaşlarından bazıları da bu şüpheyi bir adım öteye taşıyacaklardı. Bu süreçte bu kadar tuhaf, tespit edilemez bir parçacığın gerçek olabilmesinin mümkün olmadığı görüşü hakimdi. Temel parçacıklar için standart modelin bir parçası olarak, başlangıçta nötrinoların kütlesinin olmadığı ve ışık hızında hareket ettikleri varsayılmıştı.
Los Alamos Ulusal Laboratuvarı’ndan fizikçiler Clyde Cowan ve Frederick Reines’in, Güney Carolina’daki Savannah Nehri Bölgesi’ndeki bir nükleer reaktör içindeki beta bozunmasından gelen nötrinoları ilk kez tespit etmek için bir ekibe liderlik ettiği 1955 yılına kadar nötrinolar tamamen teorik kaldı. Bu parçacıklar ile ilgili temel sorun elektrik yükü taşımamaları, dolayısıyla elektromanyetik kuvvet ile etkileşime girmemeleriydi. Doğal olarak parçacık detektörlerinde tespit edilmeleri neredeyse imkansızdı.
Ancak dedektörler nötrinoyu doğrudan tespit edemese de, bunun yerine protonlarla etkileşime giren nötrinoları, pozitron ve nötron üreten etkileşimleri izledi. Tespit edilen ilk ‘doğal’ nötrino, 1965 yılında Güney Afrika’daki East Rand altın madeninde yeraltının derinliklerinde yapılan bir deneyde bulundu.
Nötrinoların kütlesinin bile olması biraz yeni bir fikir. 1998’deki bu keşif sonunda Takaaki Kajita’ya 2015’te Nobel Ödülü kazandırdı. Fizikçiler, Almanya’da bir nötrino detektörü kullanarak, bir nötrino için maksimum kütlenin bir elektron voltun (eV) yaklaşık onda sekizi olduğunu doğrudan gösterebildiler. Bu, bir elektrondan bir milyon kat daha “hafif”, akıl almaz derecede küçük bir kütle idi. Ancak bilim insanları kütlelerini öğrendikten sonra bile, hangisinin en ağır ve hangisinin en hafif olduğu gibi hala birçok soruları vardı.
Sonuç olarak;
Günümüzün önde gelen nötrino dedektörü IceCube Gözlemevi’dir. IceCube’un yaklaşık 2500 metre derinlikteki deliklere yerleştirilmiş 5000’den fazla optik sensörleri bulunmaktadır. Bu sensörler, dedektörün yakınındaki buzda etkileşime geçen nötrinoların oluşturduğu müonlardan yayılan ışık parlamalarını tutmaktadır.
Nötrinolar evrenin en iyi saklanan sırlarından biridir ve onların bazı gizemlerini ancak şimdi çözmeye başlıyoruz. Geliştirilmiş bir IceCube Gözlemevi’ne yönelik planlamalar mevcut. Bu nedenle nötrinolar, onların tuhaf davranışları ve genel olarak evren için ne anlama geldikleri hakkında giderek daha fazla şeyi yakında öğreneceğiz.
Kaynaklar ve ileri okumalar
- ‘Ghost Particles’: Scientists Finally Detect Neutrinos in Particle Collider. Yayınlanma tarihi: 23 Mart 2023; Bağlantı: https://www.sciencealert.com/
- The Ghost Particle: What Is a Neutrino and Could It Be the Key to Modern Physics? Yayınlanma tarihi: 5 Temmuz 2022; Bağlantı: https://www.cnet.com/
- Neutrinos Could Explain Just About Everything in the Universe. Yayınlanma tarihi: 27 Ocak 2023; Bağlantı: https://www.popularmechanics.com/space/solar-system/a28800656/what-are-neutrinos/
- Ishikawa, Kenzo & Tobita, Yutaka. (2021). Topological interaction of neutrino with photon in the magnetic field — Electroweak Hall effect.
- McDonald A (2023) Neutrinos: The Ghost Particles That Make Up Our Universe. Front. Young Minds. 11:1034181. doi: 10.3389/frym.2022.1034181
Size Bir Mesajımız Var!
Matematiksel, 2015 yılından beri yayında olan ve Türkiye’de matematiğe karşı duyulan önyargıyı azaltmak ve ilgiyi arttırmak amacıyla kurulmuş bir platformdur. Sitemizde, öncelikli olarak matematik ile ilgili yazılar yer almaktadır. Ancak bilimin bütünsel yapısı itibari ile diğer bilim dalları ile ilgili konular da ilerleyen yıllarda sitemize dahil edilmiştir. Bu sitenin tek kazancı sizlere göstermek zorunda kaldığımız reklamlardır. Yüksek okunurluk düzeyine sahip bir web sitesi barındırmak ne yazık ki günümüzde oldukça masraflıdır. Bu konuda bizi anlayacağınızı umuyoruz. Ayrıca yazımızı paylaşarak veya Patreon üzerinden ufak bir bağış yaparak da büyümemize destek olabilirsiniz. Matematik ile kalalım, bilim ile kalalım.
Matematiksel
