Evrenin hayalet parçacıkları: Nötrinolar
Prof. Dr. Sertaç Öztürk - @Sertac_Oztrk
Üçe kadar sayın. Bu sürede bedeninizin içinden yaklaşık 300 trilyon tane nötrino geçip gitti. Hatta bu nötrinoların çok büyük bir kısmı dünyanın içinden de geçip evrenin bilinmezliğine doğru yoluna devam ediyor. Evrenin en gizemli parçacıklarından biri olan, her şeyin içinden etkileşmeden geçip gittiği için hayalet parçacık olarak da adlandırılan nötrinolar nedir, kısaca bakalım.
Nötrinoların hikayesi Z tane protonlu bir atomun bir elektron yayımlayarak Z+1 tane protonlu yeni bir atoma dönüşmesine neden olan bir olgunun araştırılmasıyla başlıyor. Bu olaya beta bozunumu diyoruz. Beta bozunumunda atomun içerisindeki bir nötron bir protona dönüşüyor ve yeni bir atom oluşuyor.
Örneğin yaş tayininde kullanılan karbon-14 atomu beta bozunumu ile bir elektron salarak azot-14 atomuna dönüşür. Karbon-14 atomunun yarı ömrü 5730 yıldır. Yani elinizde bin tane karbon-14 atomu varsa 5730 yıl sonra yaklaşık beş yüz tane karbon-14 atomu azot-14 atomuna dönüşecektir. Azot-14 atomu karbon-14 atomundan daha hafif olduğu için kütle farkından kaynaklanan enerji miktarı elektronun enerjisi tarafından karşılanmalıdır. Ancak, elektronun her zaman beklenenden daha az enerji taşıdığı ve tüm elektronların aynı enerjiye sahip olmadığının görülmesi beklenmedik bir durumdu. Çünkü enerjinin korunumu yasası beta bozunumda sağlanmıyor gibi görünüyordu. İlk başta kimse bir açıklama düşünemedi ancak 4 Aralık 1930’da Wolfgang Pauli, Tübingen’deki bir konferansa “Sevgili Radyoaktif Bayanlar ve Baylar” ile başlayan ünlü bir mektup yazdı ve beta bozunmasında elektronla birlikte yayılan spini 1/2 olan hafif bir nötr parçacığın varlığını önerdi. Pauli başlangıçta parçacığına nötron adını verdi. Ancak bu isim 1932’de James Chadwick tarafından keşfedilen şimdiki bildiğimiz nötron parçacığına verildiğinde, Enrico Fermi Pauli’nin bu parçacığına İtalyancada “küçük nötr olan” anlamına gelen nötrino adını verdi.
Fermi 1934’de parçacık fiziğinde çığır açan beta bozunumu kuramına nötrinoları dahil etmiş ve nötrinoların varlığı teorik olarak genel olarak kabul edilmiş olsa da büyük bir sorun vardı. Herşeyin içinden etkileşmeden kaçıp giden bu hayalet parçacıkları deneysel olarak fizikçiler nasıl doğrulayacaktı? Pauli nötrinoların varlığını ilk kez önerdiğinde “Korkunç bir şey yaptım. Tespit edilemeyen bir parçacık varsaydım.” derken bu sorunu dile getirmişti. Nötrinoların atomun çekirdeklerinde meydana gelen beta bozunumu gibi zayıf etkileşmeler sonucu üretilebileceği o zamanlar fizikçiler tarafından tahmin ediliyordu. Hatta nükleer tepkimeler ile ısı ve ışık saçan güneş muazzam bir nötrino kaynağıydı. Benzer bir nötrino kaynağı dünya üzerinde de mevcuttu: nükleer reaktörler. Dolayısıyla nötrinoları deneysel gözlemlemek için en uygun yer nükleer reaktörlerin çevresiydi. Nötrinoları belirlemek için Amerikalı fizikçiler Clyde Cowan ve Frederick Reines “Herr Auge”, yani Almanca “Bay Göz” adını verdikleri bir dedektör inşa ettiler ve Güney Carolina yakınlarındaki Savannah Nehri’nde bulunan bir nükleer reaktörün yakınına Bay Göz’ü yerleştirdiler. Aylarca toplanan veriler saatte yaklaşık üç tane nötrino etkileşimi olduğunu gösterdi. Pauli’nin ortaya attığı hayalet parçacığın varlığı çeyrek asır sonra, 1956’da Cowan ve Reines tarafından ispatlanmış oldu. Nötrinoların deneysel keşfi 1995 yılında Nobel Fizik Ödülü’ne layık görüldü fakat Clyde Cowan hayatta olmadığı için ödülü sadece Frederick Reines aldı.
Nötrinolar, atomlardan çok daha küçük, elektronlardan yaklaşık on bin kat daha az kütleye sahip atom altı parçacıklardır. Elektron ve müon gibi leptonlar olarak bilinen bir parçacık grubunda yer alırlar. Ancak elektronların aksine nötrinolar elektrik yükü taşımazlar, bu da tespit edilmelerini inanılmaz derecede zorlaştırır. Nötrinoların incelenmesinin bu kadar zor olmasının nedeni, diğer maddelerle olan zayıf etkileşimlerinde yatmaktadır. Yalnızca zayıf nükleer kuvvet ve yerçekimi aracılığıyla etkileşime girerler, bu da tespitlerini önemli bir zorluk haline getirir.
Standart modele göre üç çeşit nötrino vardır: elektron nötrinosu, müon nötrinosu ve tau nötrinosu. Bu nötrinoların yolculukları sırasında türlerini değiştirdiği büyüleyici bir fenomen meydana gelir ve buna nötrino salınımı denir. Nötrino salınımı bir nötrinonun uzayda hareket ederken kendiliğinden bir çeşide geçebilmesidir. Elektron nötrinosu müon nötrinosuna sonra da tau nötrinosuna dönüşebilir. Dondurma arabası hareket ederken vanilyalıların çilekliye, çileklilerin ise muzluya dönüşmesine benzer bu. Nötrino salınımlarının keşfedilmesiyle birlikte nötrinoların kütleye sahip olduğuna dair ilk sağlam kanıt sağlanmış ve uzun süredir devam eden kütleye sahip olmadıkları inancı da bu sayede çürütülmüş oldu. Nötrinoların sahip olduğu diğer bir ilginç özellik hepsinin sol elli olmasıdır. Bu önemli özelliğini görselleştirmek için sol elinizle baş parmak yukarı hareketi yapın. Baş parmağınız nötrinonun hareket ettiği yönü gösterirken diğer parmaklarınız nötrinonun dönüş yönünü, yani spinini gösterir. Sol elli parçacık budur. Elektronlar gibi çoğu parçacık ya sol elli ya da sağ elli olabilir, ancak nötrinolar benzersizdir çünkü doğada yalnızca sol elli versiyonları gözlemlenmiştir. Bu tuhaf asimetri biz fizikçileri oldukça şaşırtmaktadır, çünkü fizik yasaları genellikle sol ve sağı eşit şekilde ele alır. Sağ elli nötrinoların yokluğu, nötrinoların neden bu kadar küçük kütlelere sahip olduğu veya evrende neden antimaddeden daha fazla madde olduğu gibi parçacık fiziğindeki gizemli soruların cevaplanmasında bize yol gösterebilir.
Nötrinoların benzersiz özellikleri pratik uygulamalar için yeni teknolojilerin geliştirilmesine olanak sağlayabilmektedir. Nötrinolar neredeyse her şeyden, hatta tüm gezegenlerden durdurulmadan geçebildiği için uzun mesafeli iletişim için kullanılabilir. Nötrinolar aynı zamanda nükleer reaktörleri izlemek için ve nükleer silah yapımında kullanılan radyoaktif maddelerin tespiti için de kullanılabilir. Bu konuda Türk bilim insanları olarak bizim de çok ciddi çalışmalarımız var. Yakın zamanda faliyete geçecek olan Akkuyu Nükleer Güç Santralini nötrinoları ölçerek eş zamanlı ve bağımsız olarak izleyecek ve reaktör güvenliğini arttıracak bir sistemin inşası için bilimsel projeleri hazırlayıp gerekli yerlere sunmuş bulunmaktayız. Umut ediyorum ki gelecekte kendi yaptığımız detektörler ve sistemler ile nötrinoları nükleer güvenlik açısından etkin bir şekilde kullanmış olacağız. Nötrinolar kesinlikle büyüleyici parçacıklar. İlginç doğaları, kendilerini saklamadaki inanılmaz başarıları, cevap verilemeyen sorulara sundukları çekici çözümler ile biz fizikçileri yıllardır peşinden koşturuyor ve uzun bir süre daha bu böyle olacak.
