Kozmik Nötrinolar ile Evreni Nasıl Keşfediyoruz?

Gama ışını patlamaları gibi evrenin en enerjik olaylarını görmemizi sağlayan kozmik nötrinolar nedir ve nasıl çalışır? Nötrinoların kütlesi var mı ve onları Dünya’daki detektörlerle nasıl saptıyoruz? Nötrinolarla Dünya’nın içini nasıl görüp kaçak nükleer reaktörleri buluyoruz? Uzak yıldızlarla nötron yıldızlarını nötrinolarla nasıl araştırıyor ve Güneş’in kayıp enerjisini tespit ediyoruz? Nötrino astronomisini öğrenelim.

Hayalet parçacık kozmik nötrinolar

Evrenin en küçük parçacıkları olan nötrinolar her yerdedir ama onları göremezsiniz. Her saniye bedeninizden trilyonlarca nötrino geçiyor ama duyumsamıyorsunuz bile! Bu sebeple onlara hayalet parçacık desek de nötrino görmenin yolları vardır. En büyük özellikleri ise maddeyle pek az etkileştiği için binlerce km derinlikteki yeraltı katmanlarına bile nüfuz edebilmeleridir. Böylece nötrinolar Dünya’nın yeraltı katmanlarının ve Güneş’in iç kesimlerinin röntgenini çekmemizi sağlar. Üstelik süpernova patlamaları gibi evrendeki en enerjik olaylar nötrino üretir.

Yıldızlar arası bulutsular kızılaltı ışık, görünür ışık, radyo dalgaları, mikrodalgalar, milimetre altı dalgalar, hatta X ve gama ışınlarını bile kesebilir. Oysa en şiddetli gama ışını patlamalarının ürettiği nötrinolar, 100 bin ışık yılı yarıçapındaki galaksiden saydammış gibi geçerek bize ulaşır. Böylelikle çıplak gözle ve tabii ki uzay teleskoplarıyla bile göremediğimiz şeyleri bize gösterir. Üstelik nötrinolar, kütleçekim dalgalarından daha net ve geniş kapsamlı gözlemler yapmamızı sağlar. Sonuçta kütleçekim dalgaları kara delik ve nötron yıldızları gibi az görülen durumlarla sınırlıdır.

Nötrino astronomisi işte bu yüzden önemlidir. Bize evreni tanımak için yepyeni kapılar aralar. Biz de bu yazıda nötrinolar nedir ve nasıl çalışır sorusunu yanıtlayacağız. Öncelikle nötrinolar evrendeki en küçük ve hafif parçacıklardır. Nötrino kütlesi elektronun milyonda biridir ki uzun süre kütlesiz olduklarını sandık. Oysa kuantum salınımlarında anlattığım gibi nötrinoların birbirine dönüşebildiğini gördük. Bu durum ölçemeyeceğimiz kadar küçük olsa da nötrinoların kütlesi olduğunu gösteriyordu. Bu da parçacık fiziği ve kozmolojide önemli sorunları çözdü. Örneğin normal maddenin miktarını ve birazdan göreceğimiz gibi Güneş’in kayıp enerjisini nötrinoların kütlesi olması sayesinde hesapladık.

İlgili yazı: Kodlama İçin En Gerekli 16 Programlama Dili

 

Kozmik nötrinolar ve manyetik alanlar

Dikkatli okurlar nötrinoların en büyük avantajının manyetik alanlardan etkilenmemek olduğunu görecektir. Sonuçta gaz ve toz bulutları statik elektrik üretir. Evrenin haritasında gördüğümüz gibi manyetik alanlar uzayı sarar. Nötrinoların maddenin içinden hemen hiç engellenmeden geçmesinin tek sebebi küçük ve hafif olması değildir. Nötrinolar manyetik alanlardan da etkilenmez. Böylece atomları saran elektronlar nötrinoların önünü kesemez. Sonuç olarak nötrinolar manyetik alanlar tarafından bükülmeden uzayda milyarlarca ışık yılı boyunca düz bir çizgi halinde yol alır.

Bu da nötrinoların en uzak kaynaklardan veri taşımasını sağlar. Onlar sayesinde milyarlarca ışık yılı uzaktaki yıldızların bile içyapısını inceleyebilirdik. Tabii Dünya’ya yeterli sayıda nötrino ulaşsa ve yeterli sayıda nötrinoyu saptayabilseydik… Bunu milyarlarca ışık yılı uzaklık için yapamıyoruz ama galaksimizdeki yıldızların nötrino fotoğrafını çekiyoruz. Peki nötrinolar nereden geliyor? Her yerden! Örneğin vücudumuzdaki potasyumun radyoaktif bozunumu nötrino üretiyor. Yer atmosferini oluşturan atomlara çarpan kozmik ışınlar nötrino türetiyor ki buna Güneş’in çekirdeği dahildir:

İlgili yazı: Gerçek Adem: ilk insan ne zaman yaşadı?

 

Güneş’in kayıp enerjisi nerede?

Güneş’in ısı ve ısı saçmasını sağlayan nükleer füzyon tepkimeleri Güneş çekirdeğinde büyük miktarda elektron nötrino üretir. Oysa Yer’deki ilk nötrino detektörlerini kurduğumuzda Güneş’in, sıcaklık ve parlaklığına göre pek az nötrino ürettiğini gördük. Bu da Güneş’in yitik enerjisi nerede sorusuna yol açtı. Ardından nötrinoların kütlesi olduğunu anladık. Elektron nötrinolar atmosfere girerken tau ve muon nötrinolara dönüşüyordu ki toplam nötrino miktarı Güneş’ten beklediğimiz gibiydi. Nitekim Yeryüzündeki her santimetrekareye saniyede 10 milyarlarca nötrino çarpıyor.

İlk olarak 1987a süpernovasının ürettiği nötrinoları saptayan Japonya’daki Kamiokande nötrino gözlemevi, sonra da 1998’de muon nötrinoları tespit eden Süper Kamiokande, nötrinoların birbirine dönüştüğünü gösterdi. Örneğin Süper Kamiokande’nin gördüğü muon nötrinolar, kozmik ışınların atmosferin üst katmanlarına çarpmasıyla oluşuyordu. Ayrıca nötrinoları Güneş çekirdeğindeki nükleer tepkimeler üretiyorsa, nükleer reaktörler de üretebilir.

Zaten ABD ve İngiltere, nötrinoları, kaçak nükleer reaktör çalıştıran ülkeleri saptamakta kullanıyor. En basitinden, bu haftaki haberlerde Kuzey Kore’nin bir nükleer reaktörü Uluslararası Atom Enerjisi Kurumu’na (IAEA) haber vermeden çalıştırdığını öğrendik. Kuzey Kore reaktörde ürettiği plütonyumu nükleer silah üretiminde kullanmayı planlıyor. Hatta nötrinolar Dünya’daki nükleer santrallerin enerji üretim kapasitesi, teknik özellikleri ve ne tür santraller olduğunu anlamayı sağlıyor. Çernobil’deki RBMK reaktörleri ile Fransa’daki ağır su soğutma reaktörleri farklı sayıda nötrino yayıyor.

İlgili yazı: Dünyadaki En Ölümcül 5 Toksin Nedir?

 

Kozmik nötrinolar ve radyoaktif bozunum

Nötrinolar sadece yerçekimi ile zayıf nükleer kuvvetle etkilendiğinden ve zayıf kuvvet de radyoaktif bozunumdan (beta bozunumu) sorumlu olduğundan, bu parçacıkları en çok nükleer santraller üretiyor. Geri kalan nötrino kaynakları ise gezegendeki doğal uranyum, toryum ve kobalt rezervleridir. Buna biraz da potasyum ve fosfor dahildir. Aslında tüm atomların radyoaktif izotopu vardır ama hayalet parçacık nötrinoları görmek zaten zordur. Bu yüzden ancak en bol elementlerin nötrinolarını saptarız.

Elbette CERN’deki LHC parçacık hızlandırıcısı gibi tesisler de nötrino üretir. Hatta ABD’nin en büyük hızlandırıcısını çalıştıran Fermilab özellikle nötrino deneyleri yapıyor. Yine Dünya’ya ulaşan nötrinolar, öncelikle Güneş ve sonra da kozmik ışın kaynakladır. Bunların başlıcası süpernovalar ve kutuplarından uzaya ışık hızına yakın hızda gaz jeti püskürten kara deliklerle nötron yıldızlarıdır. Dahası gaz jetlerinin ürettiği elektron kaynaklı kiklotron radyasyonu tayf ölçüm tekniğini kullanarak nötrinoların kütlesini ölçmeye çalışırız. Kısacası kozmik ışınlara bakarak nötrino kütlesini ölçme çalışmaları vardır.

Bunların detaylarını kozmik lazerlerde görebilirsiniz ama asıl marifet nötrinoları yakalamaktır. Öyle ya, nötrinolar maddeyle pek az etkileşime girdiği için en uzaklardan bize bozulmadan ulaşır. O zaman da onları saptamak ve ölçmek için ek çaba harcamanız gerekir. Yine de önce kozmik ışınlar nasıl nötrino üretir derseniz… Bunlar ışık hızının yüzde 20 ila 90’ıyla giden protonlar, yani hidrojen çekirdeklerinden oluşur. (Helyum çekirdeği olan alfa parçacıkları daha ağır ve yavaştır). Protonlar yıldızlar arası gaz ve toz bulutlarıyla şiddetle çarpışında hızlı nötrinolar oluşturur:

İlgili yazı: Evrenin En Büyük Yıldızı UY Scuti mi?

 

Peki nötrinoları nasıl görürüz?

Bunun en basit yolu önlerine büyük engeller çıkarmaktır. Nötrinoların büyük kısmı Dünya’dan engellemeden geçip gider… Öte yandan Yeryüzüne de her an çok sayıda nötrino ulaşır. Bu sebeple bilim insanları Antarktika’da dev bir nötrino detektörü inşa ettiler. Üstelik Japonya’daki Süper Kamiokande’nin tersine bu sistem çok daha ucuzdu. Öyle ki Japonların aygıtı İkeno Dağının 1000 metre altında yer alıyor. Dahası 40 metre yükseklikle çapa sahip dev bir çelik tanktan oluşuyor. Bu tankta 50 bin ton ultra saf su bulunuyor ki ultra saflık nötrino yakalamayı kolaylaştırıyor.

Güney Kutbundaki Buz Küpü ise (IceCube) 1 kilometreküplük su buzunun altında yer alıyor. Burada buzullar binlerce yıllık kar yağışıyla sıkışıyor. Böylelikle Japonların çabasından çok daha fazla miktarda ultra saf su üretiyor. Kısacası Buz Küpü, Süper Kamiokande’den çok daha güçlü ve duyarlı bir detektördür. Üstelik bu kez yeraltında dev su tankı inşa etmeye de gerek yok. Bunu yapsak su erir ve kirlenirdi. Bunun yerine, buzun içine boruya benzeyen 86 ince delik açtık ve içine 5000 kadar detektör koyduk. Nötrinoları nasıl gördüğümüze gelince… Onları değil, saçtığı ışığı görüyoruz:

Nötrinolar bu kadar büyük su kütlesinde defalarca su molekülü atomlarına çarpıyor. Böylece buzun içinde çok hızlı giden leptonlar üretiyor (elektron, muon ve tau parçacıkları). Bunlar buzun içinde ışıktan hızlı gidiyor ve ses hızını aşan bir uçağın yol açtığı ses patlaması gibi bir ışık patlaması yaratıyor. Buna mavi renkli Çerenkov Radyasyonu diyoruz. İşte nötrino astronomisinde kullandığımız nötrino detektörleri bu hayalet parçacıkları dolaylı yoldan böyle görüyor. Nitekim Buz Küpü bilinen en hızlı nötrinoları saptadı:

İlgili yazı: Kuantum Gerçekliği Bilinçli Gözlemci mi Oluşturuyor?

 

Kozmik nötrinolar ve İtalyanlar

Buz küpü günde 250 ve yılda 100 bin adet atmosferik nötrino tespit ediyor. Bunlar uzaydan gelen kozmik ışınların atmosfere çarpmasıyla oluşuyor. Hız rekoruna gelince… Buz Küpü 5–10 bin TeV (teraelektronvolt) enerjisinde nötrinolar buldu. Bu da CERN’deki LHC’nin ürettiği nötrinolardan yaklaşık 1000 kat enerji olması demektir. Oysa Buz Küpü’ne rakip bir detektör daha var: Borexino Deneyi.

İtalyan’ın Gran Sasso dağının altında yer alan Gran Sasso Ulusal Laboratuarları dünyanın en büyük yeraltı araştırma tesisidir. Nasıl ki Buz Küpü evrene bakıyor, Borexino da Yer’in merkezine bakıyor. Bu tesis gezegenin manto tabakası ve dış çekirdeğinde etkili yüksek ısıyla basıncın doğal radyoaktiviteyle birlikte ürettiği nötrinoları tespit ediyor. Bu kez küre şekilli ve çok pahalı bir yapay mağaradan söz ediyoruz.

İtalyanlar kayadan oyma bu sarnıca 1,2,4-trimetilbenzen ve 2,5-difeniloksazol organik bileşiklerini içeren bir sıvı doldurdular. Özetle bu organik sıvı nötrinolar çarpınca parıl parıl parlıyor. Yüksek düzeyde ışıldama (kırpışım), yani güçlü ışık çakmaları üretiyor. Sıvının içindeyse ışık sinyalini ayrıca kat kat güçlendiren optik detektörler bulunuyor. Ne de olsa yer merkezli nötrino sayısı azdır. Bu yüzden her çarpışmayı görmek ve bunun için de en hassas detektörleri kullanmak gerekiyor.

Kozmik nötrinolar için sonsöz

Siz de elektrikli karanlık madde ve steril nötrinoları şimdi okuyabilirsiniz. Evrenin daha büyük patlamada antimaddeyle neden yok olmadığını anlamak için nötrinolar kendi kendisinin antimaddesidir varsayımına bakabilirsiniz. Nötrinoların neden kütlesi var diye sorup ağır elektron muonlara da standart modeli muonla icat etmek ve muon parçacıklarıyla Fermilab’de bozmak yazılarında göz atabilirsiniz. Hızınızı alamayarak hayalet parçacıkla nasıl kuasar keşfettiğimize de hemen bakabilirsiniz. Bilimle ve sağlıcakla kalın. 😊

Satürn neden suda yüzer?

¹Neutrino astronomy with the next generation IceCube Neutrino Observatory
²Search for GeV Neutrino Emission During Intense Gamma-Ray Solar Flares with the IceCube Neutrino Observatory
³A search for time-dependent astrophysical neutrino emission with IceCube data from 2012 to 2017