Steril Nötrinolar Karanlık Madde mi?
Nötrinolar uzayda giderken birbirine dönüşebilen, hem de kendi kendisinin antimaddesi olabilecek en egzotik parçacıklardan biridir. Lepton türeyişi teorisine göre antimaddenin kökeni olup neden antimaddenin nadir olduğunu da açıklayabilir. Biz de bu yazıda karanlık maddenin neden steril nötrino olabileceğini tartışacağız. Nitekim Fermilab nükleer araştırmalar merkezindeki yeni MiniBooNE nötrino deneyi, nötrinoların birbirine beklenmedik bir şekilde dönüştüğünü gösterdi. Nötrinoların kılık değiştirmesi yeterince sıra dışı. Bir de bunu parçacık fiziğini açıklayan standart modele aykırı olması yeni fiziğe işaret ediyor olabilir. Peki nötrino detektörlerinde saptanan anormallik nedir ve steril nötrinolar karanlık madde midir?
İlgili yazı: Kodlama İçin En Gerekli 16 Programlama Dili
Streril nötrinolar 20 yıldır tartışılıyor
Son aylarda birçok yeni bilimsel gelişmeden söz ettik ama içlerinden biri hak ettiği ilgiyi görmüyor. Okurlar açısından demiyorum, bilimsel çevrelerde yeterince ilgi görmüyor. Oysa bu gelişme bilimde yeni bir fiziğe kapı arayabilir. Bu da nötrino fiziğinde 20 yıldır görülen bir anormallik olup 2018’den bu yana yeni bir keşif olarak kabul etmek için gereken kesinlik düzeyinin üstündedir. Tabii ki steril nötrinolardan söz ediyorum! Peki öncelikle nötrinolar nedir? Bunlar neden birbirine dönüşür, steril nötrinolar neden karanlık madde olabilir ve bunu hangi deneyler gösteriyor?
Öncelikle neden bazı bilimsel haberler popüler olurken diğerlerinin unutulduğunu anlamakta zorlanıyorum. Örneğin blogda standart modeli anlatmak için yazdığım ve acaba muon deneyi yeni fizik göstergesi olabilir mi diye sorduğum iki yazıda, şu ünlü Muon g-2 değeri ölçümlerindeki anormallikleri anlattım. Bir de CERN’deki Büyük Hadron Çarpıştırıcısıyla lepton parçacıkları üstünde yaptığımız deneylerde ortaya çıkan anormallikler var. İki gözlemin sonuçları da standart modelle uyuşmadığından yeni bir fiziğe işaret ediyor olabilirdi. Oysa ölçümlerdeki hata payı yeni bir keşif yapıldığını düşünmeyeceğimiz kadar yüksektir. Yeri gelmişken muonlarla ilgili bir güncelleme paylaşayım:
Muonun manyetik momentum ölçümlerini farklı bir istatistiksel yöntem kullanarak ve güçlü nükleer kuvvetin belirli bir özelliğini hesaba katarak analiz ederseniz Muon g-2 sonuçlarını bildiğimiz fizikle açıklayabilirsiniz.4-5 Yeni fiziğe gerek kalmaz. En iyisi bunu ayrıca yazayım; ancak her yeni deneyde gittikçe daha fazla sarsılıyor olsa da şimdilik standart model kapı gibi yerinde duruyor. Asıl konuya geçmeden vermek istediğim mesaj ise şudur: Yeni fizik bulmak istiyorsanız deney sonuçlarının yorumlanışını çok önemli iki parametrenin etkilediğine dikkat edin:
Steril nötrinolar ve bilim haberciliği
Birincisi bu sonuçları nasıl yorumladığınız önemlidir. Bu da çürütmek veya kanıtlamak istediğiniz teorinin yaptığı varsayımlara bağlıdır. Öyle ki varsayımlarınız yanlışsa gördüğünüzü yanlış anlarsınız. İkincisi deney sonuçlarını analiz etmek öyle beyaz tahtaya not almak gibi değildir. Çok sayıda süper bilgisayar simülasyonu yaparsınız. Bu sonuçları belirli bir istatistiksel analiz yöntemini seçerek yorumlarsınız. Yanlış istatistiksel yöntemi seçerseniz sonuçları yine yanlış anlarsınız.
Özetle bilimsel deney sonuçları, öyle sandığınız gibi genellikle ölçüm hataların veya hesaba katmadığınız bir fiziksel etkileşimden kaynaklanmaz. Dolayısıyla popüler bilim haberlerini dikkatli okumak gerekir. Çoğunlukla bu haberleri kaynakları üstünkörü okuyarak yazarlar. O yüzden bir sitenin ak dediğine başka site kara diyebilir. Çoğu zaman bu iş yumurtadaki kolesterol sağlığa yararlıdır, yok zararlıdır gibi biz eskilerin 80’lerden bildiği çelişkili tavsiyelerine döner. 😊 Sözün özü popüler bilim okuryazarlığı harika bir şeydir ama özenle yapıldığında… Şimdi nötrinolar ve steril nötrinolara geçelim:
İlgili yazı: Gerçek Adem: ilk insan ne zaman yaşadı?
Steril nötrinolar ve Fermilab
2018’de, ABD’nin en büyük parçacık hızlandırıcılarını çalıştıran Fermilab’daki MiniBooNE nötrino deneyinde, karanlık madde adayı steril nötrinoların varlığını gösteren bir anormallik görüldü. Bu anormallik standart modele aykırıydı. Üstelik 23 yıl önce Los Alamos Ulusal Laboratuarı’nda sona eren ünlü LSND deneyinde görülen anormalliği pekiştiriyordu. LSND aynı anormalliği görmüş ama hata payı çok yüksek olduğu için bilim insanları bunu dikkate almamıştı. MiniBooNE detektörleriyse anormalliği dikkate alacak kadar kesin ölçtü. Öyle ki iki deneyin toplam kesinliği sigma 6 oldu!
Sigmaları aşağıda anlatacağım ama bu haber neden manşete taşınmadı? İşte bunu anlamıyorum. Belki de insanlar nötrinoları seksi bulmuyordur! Ben de kara delik yazdığımda çok okunuyor ama nötron yıldızları daha az okunuyor. Oysa kara deliklerin içini görmek imkansızdır ama nötron yıldızlarının yaydığı ışık ve radyasyon içyapısıyla ilgili iyi fikir verir. Nötron yıldızlarını hem ışıkla hem de yerçekimiyle inceleyebildiğimiz için birçok fizikçi için bu cisimler kara deliklerden daha ilginçtir. Yine de zevkler ve renkler tartışılmaz fakat nötrinoları sevmek için birçok sebebiniz vardır:
Nötrinolar parçacık fiziğinin standart modelindeki en küçük ve hafif parçacıklardır. Nötrinoların kütlesi o kadar küçüktür ki (<1 elektronvolt) bunu elimizdeki aygıtlarla ölçemiyoruz bile! O kadar hassas aygıtımız yok ve teknolojimiz yetersiz kalıyor. Her durumda standart modelde üç tür nötrino vardır: elektron, tau ve muon nötrino… Fizikçiler nötrino türlerine çeşni der ki her ne kadar bunun yemeklere kattığınız Knorr bulyonla ilgisi olmasa da nötrinolar üç çeşni olup spinleri ½’dir ama elektrik yükü sıfırdır. Şimdi gelelim için ilginç kısmına:
İlgili yazı: Düz Dünya Teorisini Çürüten 12 Kanıt
Nötrinolar çok acayiptir
Hangi birini sayalım? Bir kere nötrinolar sadece radyoaktif beta bozunumundan sorumlu olan zayıf nükleer kuvvetle etkileşir. Işıktan etkilenmediği için ısınmaz ve görünmezdir. Bu size neyi çağrıştırıyor? Görünmez karanlık maddeyi değil mi? İşte fizikçilerin steril nötrinolar varsa karanlık madde olabileceğini düşünme sebebi budur. Dahası zayıf kuvvet şey… zayıftır. Dolayısıyla nötrinolar Dünya gezegeninden içinden hayalet gibi geçip gider. MiniBooNE ve LSND deneylerinde nötrinoları tespit etmek işte bu yüzden çok zordur. Bu steril nötrinolar için aklınızda kalsın.
Hatta siz bu cümleyi okurken içinizden 1 katrilyon nötrino geçti. Bu size acayip geldi mi? Daha acayibi var. Nötrinolar birbirine dönüşebilir. Kuantum fiziğinde parçacıklar aynı zamanda dalga gibidir ve nötrino dalgaları da birbirine dönüşür. Şu ünlü Güneş nötrino problemini düşünün… Güneş’in çekirdeği ısı ve ışık saçmasını sağlayan dev bir nükleer füzyon reaktörüdür. Nükleer füzyon sırasında büyük miktarda nötrino oluşur. Biz ise Dünya’dan bakınca bunların pek azını gördüğümüz için uzun yıllar kayıp nötrinolar nereye gitti, yoksa nükleer fiziği yanlış mı biliyoruz diye merak etmişizdir.
Sonra öğrendik ki bunlar atmosferden geçerken diğer çeşnilere dönüşüyormuş. (Elektron nötrinoların muon nötrinolara dönüşmesi vb.). Biz yanlış nötrinolara baktığımız için onları eksi sayıyormuşuz. 😮 Nitekim bunu çözen bilim insanları 2011’de Nobel fizik ödülünü aldılar. Gerçi bu sandığınız kadar acayip de değildir. Proton ve nötronları oluşturan kuarklar da birbirine dönüşür. Biz de parçacıkların birbirine dönüşmesine “karışma” deriz. Bunu ana akım medyada pek anmazlar; çünkü kuarklar birbirine pek karışmaz. Yine de bu en sevdiğim acayipliktir; çünkü nötrinoların kütlesi olmasa birbirine dönüşemezdi. Peki nötrinolar nasıl kütle kazanıyor?
İlgili yazı: Evrenin En Büyük Yıldızı UY Scuti mi?
Nötrinolar neden kütlelidir?
Bu çok ilginçtir. Ne de olsa nötrinoların kütlesini Higgs alanıyla etkileşime girmeden kazandığını gösteriyor. Elektron gibi kütleli parçacıklar, evreni saran Higgs alanının enerji taşıyıcısı olan Higgs bozonuyla etkileşerek kütle kazanır. Nötrinoların bu sürece dahil olmadığın düşünme sebebiyse hiç sağ elli nötrino görmemiş olmamamızdır. Oysa higgs alanıyla kütle kazanmak için sağ elli parçacıklar gerekir; ancak deneylerde hep sol elli nötrino gördük (parçacıkların solaklığı için bakınız zayıf kuvvet).
Bu sorunu çözmenin iki yolu vardır. 1) Ya sağ elli nötrinolar var ama bunlar çok ağırdır… ve kütle enerjiye denk olduğundan elimizdeki parçacık hızlandırıcılarıyla bunları üretip göremeyiz veya 2) Nötrinolar diğer yarım spinli parçacıklardan farklıdır. Sağ ve sol elli nötrinolar arasında hiçbir fark yoktur. Bu da nötrinoların Majorana parçacığı olması demektir. Bu durumda nötrinolar kendi kendisinin antimaddesidir. Gerçi antimadde ile antiparçacık da aynı şey değildir.
Yine de nötrinoların elektrik yükü sıfırdır. Öyleyse antinötrinonun elektrik yükü de sıfır olacaktır ama nötrinolarla antinötrinoların lepton sayıları farklı olabilir. Lepton türeyişi teorisinde yazdığım gibi nötrinolar ve antinötrinolar aynı parçacıksa bununla evrenin neden büyük patlamada yok olmadığını, ayrıca antimaddenin neden nadir olduğunu açıklarız. Biz de artık steril nötrinolara geçebiliriz; çünkü bunların var olduğunu düşünmemizin nedeni, nötrinoların birbirine dönüşme sıklığının standart modelde öngörülenden farklı olmasıdır!
İlgili yazı: Yıldızlar Ne Kadar Yaşar ve Nasıl Ölür?
Steril nötrinolar nereden geliyor?
Nötrino karışmasındaki anormallikleri birçok kaynaktan görüyoruz. Güneşin yaydığı nötrinolar, kozmik ışınlar atmosfere çarpınca oluşan nötrinolar, parçacık hızlandırıcılar ve nükleer güç santrallerinde üretilen nötrinolar var… Standart model her kaynağın ne tür nötrino üreteceği ve bunların başlangıç enerjisinin ne olacağını çok kesin söyler. Siz de nötrinoların havada, boşlukta aldığı yola bakarak hangisinin hangisine kaç kilometrede dönüşeceğini hesaplarsınız. Sorun da burada zaten:
Fizikçiler nötrinoların birbirine standart modelin dediğinden farklı sıklıkta dönüştüğünü gördüler. Sonuçta elektron, tau ve muon nötrinonun kütlesi farklıdır. Bu farklar nötrino dalgalarının birbirine “karışma” dalga boyunu ve karışma açısını belirler. Bu da nötrinoların nasıl karışacağını gösterir. 2005 yılında fizikçiler bu parametreleri belirlemişti ama bir deney çarkımıza çomak soktu:
Bu da Sıvı Kırpışımlaçlı Nötrino Detektörüdür (LSND). LSND 1993–98 arasında çalıştı ama nötrino dönüşüm verileri diğer deney ölçümleriyle bağdaşmadı. Nitekim bilim insanları nötrino karışma oranlarını Global Fit1 dediğimiz bir web sitesine bakarak kontrol eder. Ayrıca resme bakın: Kırmızı ve yeşil üzerinde bulunan ölçüm değeri noktaları teoriyle uyumludur. Mavi üzerindeki değerler ise uyumsuzdur. Oysa bu ölçümlerdeki hata payı, standart sapma istatistiği üzerinde sadece 3,8 sigma kesinlik derecesindeydi. Kısacası fizikçiler hata payı yüksek olduğundan deney sonuçlarına inanmadı.
MiniBooNE nötrino detektörü geliyor
Oysa yeni fizik buldum demek için 5 sigmaya ihtiyacınız var. LSND ölçümleriyse bir parçacık hızlandırıcısının ürettiği nötrinolar üzerinde sadece 30 metrelik parkurda yapılmıştı. 30 metre mesafe nötrinoların birbirine karışma sıklığını ölçmek için yeterli değildi. Yine de fizikçiler bu sinyali çok ilginç buldular ve daha kesin ölçümler için Fermilab’daki MiniBooNE nötrino detektörünü inşa ettiler. O da Amerikalıların isim kısaltma sevdasına uygun olarak Mini Turbo Nötrino Deneyinin kısaltması olup 2002’den beri ölçüm yapıyor. Peki MiniBooNE nasıl çalışır ve olası steril nötrino ölçümlerini nasıl yaptı?
İlgili yazı: 5 Soruda Paralel Evrenler
Turbo nötrinolar
MiniBooNE içi mineral yağla dolu ve kubbesi de ışık detektörleriyle kaplı olan bir tanktır. Bu tank yakındaki Turbo hızlandırıcısının ürettiği nötrinoların içeri girmesini bekler. Nötrinolar nadiren sıvı yağdaki atomlara çarpınca soluk ışık üretir. Duyarlı detektörler bunu görür. Fizikçiler 2002’den beri topladıkları az sayıda veriyi 2007’de analiz ettiğinde sonuçların LSND ile uyuşmadığını gördüler. Bu yüzden 10 yıl daha veri toplayarak 2018’de bu kez büyük veriyi çözümlediler. Yeni sonuçlar LSND ile uyuşuyordu! Üstelik de 5 sigmanın az altında olan 4,7 sigma kesinliğinde uyuşuyordu. LSND ve MiniBooNE ölçümlerinin toplam kesinliğinin 6 sigma olduğunu da anımsayın.
Peki bunun steril nötrinolarla ne ilgisi var? Ölçüm kesinliği o kadar yüksektir ki bu sonuçları nötrino karışma parametrelerine ince ayar yaparak (seçim anketlerinde kararsız oyların dağıtılması gibi) standart modelle bağdaştıramazsınız. Şunu da belirteyim: LSND ve MiniBooNE deneyleri hem detektör hem nötrino kaynağı hem de nötrino türü bakımından farklı aygıtlardır. Dahası deneyler 15 yıl arayla yapılmıştır. Bu sebeple yüksek kesinlikli MiniBooNE deneylerini, ölçüm hatası veya istatistiksel tercihlere bağlamak çok zordur. İki farklı deney neden aynı sonucu versin ki?
Steril nötrinoya giriş
O zaman da yeni bir parçacık olduğunu düşünürsünüz. Deney sonuçlarının gördüğümüz gibi olması için nötrino çeşnilerine hangi yeni tür nötrinoyu eklemek gerektiğine bakarsınız. İlla yeni bir nötrino türü eklemeye de gerek yok. Kafanızdan Abuzuttin Tektaş parçacığı da uydurabilirsiniz ama gözlemler ve teoriyle uyuşan bir şey bulmanız lazım. Hem de bunu teoriye gereksiz varsayımlar eklemeden yapmanız lazım. Yoksa yeni parçacık felsefedeki Ockham’ın usturası ilkesine aykırı bir safsata olur. Bunu yapmanın en kolay yolu da sonuçlara steril nötrino eklemektir. Peki steril nötrino nedir?
İlgili yazı: Dünyadaki En Ölümcül 5 Toksin Nedir?
Steril nötrinolar nedir ve nasıl çalışır?
Bir kere karanlık madde adayı olarak bulabileceğiniz en yalın şeydir. Böylece karanlık maddeyi standart fiziğin çok dışındaki garip özelliklere sahip olan, öngörmesi de tespit edilmesi de zor olan egzotik parçacıklarla açıklamaktan kurtulursunuz. Ne olduğunu bilmediğiniz bir şeyi en basit şekilde açıklamak doğruyu bulma şansınızı artırır. Nitekim steril nötrinonun çeşnisi yoktur! Bu sebeple parçacıklar birbiriyle çarpışırken nötrino üretebilir ama steril nötrino üretmez. Steril önadı da buradan gelir.
Öte yandan nötrinolar steril nötrinolara ve onlar da nötrinolara dönüşür. Hatta bu, steril nötrinoların normal (!) parçacıklarla, yani nötrinolarla etkileşime girmesinin tek yoludur. Böylece hem karanlık maddenin neden normal maddeyi yerçekimi dışında etkilemediğini gösterirsiniz hem de steril nötrinoları diğer nötrinolar üzerinden ölçersiniz. Dersiniz ki “Şu nötrino şu nötrinoya beklediğimden iki kat az dönüşüyor. Demek ki ara sıra steril nötrinoya da dönüşüyor. Öyleyse yeni parçacık buldum!” Güzel hikaye ama maalesef bizi ters köşeye yatırıyor:
MiniBooNE ve LSND verilerini sadece steril nötrinoyla açıklayamayız. Bu yüzden ya steril nötrino yok ya da nötrinoların birbirine dönüşme işine karışan bir–iki arsız parçacık var. Bunu kanıtlarsak hem karanlık madde steril nötrino deriz hem de parçacık fiziğine yeni parçacıklar ekleriz. Sorunumuzu çözmek için yeni fizik gerekiyorsa onu da keşfederiz canım, neden olmasın? Bunun için ne bekliyoruz hocam derseniz: MiniBooNE deneyi 2002–2017 arasında 15 yıl veri topladı. Peki bu sırada kaç nötrino dönüşümü gördü? 500! Milli Piyango amortisinden beter. :p
Steril nötrinolar için toplarsak
Ben de yeni bir şey bulduğumuzu düşünüyorum. Sadece nötrino karışma ölçümlerindeki anormallikleri salt steril nötrinoyla açıklayamadığımız için steril nötrino bulduk diye hemen umutlanmıyorum. Birkaç yıl önce Prof. Dr. Serkant Ali Çetin hocamla gecenin bir köründe arabada konuştuğumuz gibi bir 15 yıl daha geçsin bakalım! Parçacık fiziği dağ buzullarından yavaş hareket eder ama 2035’te yeni fizik bulma şansınız gittikçe artıyor. Siz de kuantum ışınlamayla başlayan ikinci kuantum devrimini ve girdaplı atomik helyum ışınıyla nükleer füzyonu şimdi okuyabilirsiniz.
Astrofiziği kazayla değiştiren kahverengi cüce ve uzaydaki parçacık hızlandırıcılarına bakabilirsiniz. Hızınızı alamayarak kara deliğin arkasındaki ışığı ile karanlık maddenin hiç de bildiğimiz gibi olmadığını görebilirsiniz. Kendinizi cesur hissediyorsanız yerel delik yüzünden standart kozmoloji yanlış mı ve evrende manyetik tek kutuplu parçacıklar var mı diye de sorabilirsiniz. Parçacık hızlandırıcılardan söz etmişken; CERN’e tam üye olmamızın neden Türkiye için bir beka sorunu olduğunu da hemen aşağıdaki yeni Starbasekozan yayınında dinleyebilirsiniz. Bilimle ve sağlıcakla kalın.
Türkiye Neden CERN Üyelik Şansını Kaybedebilir?
1Global Fit of Oscillation Parameters
2Constraining Sterile Neutrino Interpretations of the LSND and MiniBooNE Anomalies with Coherent Neutrino Scattering Experiments
3Significant Excess of ElectronLike Events in the MiniBooNE Short-Baseline Neutrino Experiment
4Leading hadronic contribution to the muon magnetic moment from lattice QCD
5Explaining muon g−2g−2 data in the μνμνSSM
