Nötrinoların Neden Kütlesi Var?

Nötrinoların kütlesini ölçmeyi başarır ve neden kütleli olduğunu öğrenirsek hem antimadde hem de karanlık maddenin kökenini öğrenebiliriz. Evrenin büyük patlamadan hemen sonra neden antimaddeyle yok olmadığını anlayabiliriz. Nötrinolar evrenin en hafif parçacıkları olup pratikte hayalet gibi görünmezdir. Her saniye içinizden 100 trilyon nötrino geçiyor ve siz bunu fark etmiyorsunuz bile. Evrenin nasıl oluştuğunu bukalemun gibi birbirine dönüşen nötrino parçacıklarıyla görelim.

Fiziğin temeli nötrinolar

Bugün bilim severlere “Sizce fizikte çözülmeyi bekleyen en büyük problem nedir” diye sorsak büyük olasılıkla evreni oluşturan büyük patlamada ne oldu ve tüm evreni açıklayacak her şeyin teorisi ne zaman geliyor gibi yanıtlar alırdık. Bunun nedeni TV kanallarını işgal eden magazin tadındaki belgeseller ve rastgele sitelerde bulabileceğiniz standart yazılardır. Bu sorular tabii ki önemlidir ama bunları gerçekten yanıtlamak istiyorsak önce şunu sormak gerekiyor: Nötrinoların neden kütlesi var?

Nötrinolar çok garip parçacıklar ve onları detektörlerle tespit etmek çok zor; çünkü diğer parçacıklarla nadiren etkileşime giriyorlar. Hatta popüler bilimde bunların adı hayalet parçacığa çıkmıştır. Hayalet derken: Yalnızca yerçekimi ve zayıf çekirdek kuvvetiyle etkileşime girdikleri için Güneş’ten gelen nötrinolar, Dünya’nın içinden sanki saydammış gibi hemen hiç etkilenmeden geçip gidiyor. Vücudunuzdan saniyede 100 trilyon nötrino geçiyor ve siz bunu hissetmiyorsunuz bile! Peki neden?

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

 

Nötrinoların görünmezliği

Bu yazıda nötrinoların neden kütlesi olduğunu, antimadde, karanlık madde ve büyük patlamayla ilişkisini göreceğiz ki bu ilişki aynı anda üç kişiyle çıkan bir zamparanın aşk üçgeninden daha karmaşıktır. Ne zaman nötrinolarla ilgili yeni bir şey öğrensek en az iki yeni soru çıkıyor. Oysa nötrinoları bilmek zorundayız! Evrendeki maddenin ve belki de karanlık maddenin büyük kısmını nötrinolar oluşturuyor. Nötrinolar fotonlardan sonra evrendeki en yaygın parçacıklardır.

Nötrinoların pratikteki görünmezliğine rağmen onlar hakkında birkaç şey öğrenmeyi başardık. Örneğin yemeklere koyduğunuz kırmızı biber, yeşil biber, tatlı biber gibi düşünebileceğiniz üç çeşnisi var. Nötrino çeşnileri çok daha iyi bildiğimiz üç diğer parçacıkla yakından ilişkilidir (boşuna aşk üçgeni demedim): Elektronlar, muonlar ve tau parçacıkları. Dolayısıyla elektron nötrino, muon nötrino ve tau nötrino var. Başlıktan bildiğiniz gibi nötrinoların kütlesi de var.

Şimdi diyeceksiniz ki “Ne olmuş hocam? Elektronların da kütlesi var.” Evet ama elektronların kütlesini ölçebiliyoruz. Nötrinoların kütlesini ise ölçemiyoruz. Hatta 1990’lara kadar nötrinoların kütlesiz olduğunu sanıyorduk. Onu da tesadüfen keşfettik. 1990’larda iki araştırma grubu, Güneş’ten gelip Dünya’ya ulaşan nötrinoları saymaya çalışıyordu. Sonuçta Güneş nükleer füzyonla enerji üretiyor ama Güneş’in ürettiği fotonlar (ısı ve ışık) güneş enerjisinin yaklaşık yüzde 97’sini oluşturuyor.

İşte bu nedenle nötrinoları saymamız gerekiyor. Sonuçta proton ve elektronları 19 yy’da keşfettik ama nötrinoları ancak 1956’da bulduk. Güneş’in nasıl ısı ve ışık ürettiğini anlamak için eksik parçayı tamamladıktan sonra yıldızımızın ne kadar nötrino üreteceğine de hesapladık ama sayılar yanlış çıktı! 90’larda gördük ki Güneş beklenenin üçte biri kadar nötrino üretiyordu. Peki kayıp nötrinolar neredeydi?

İlgili yazı: Kodlama İçin En Gerekli 16 Programlama Dili

 

Nötrino salınımları

Fizikçiler sonunda üç çeşni nötrino olduğunu anladılar. Bizim görebildiklerimiz de Dünya’ya gelirken yolda bu diğer çeşnilere dönüşüyordu. Örneğin elektron nötrino, muon ve tau nötrinolara dönüşüp duruyordu. Böylece kayıp üçte ikinin nereye gittiğini çözdük. Nötrino salınımları kuantum fiziği için o kadar önemli bir eksiği kapattı ki bunu bulan bilim insanları Nobel ödülü aldılar. 😉

Onlar emiş muradına, biz çıkalım kerevetine… Başka deyişle bunun nötrinoların kütlesiyle ne ilgisi var? Fizik yasalarına göre nötrinolar ancak kütlesi varsa ve her çeşninin kütlesi farklıysa diğer çeşnilere dönüşebilirler. Kısacası 1) Nötrinoların kütlesi var, 2) Elektron, muon ve tau nötrinoların kütlesi farklıdır. Oysa durun! Macera daha yeni başlıyor. Bir de evrendeki en küçük parçacıklar olan nötrinoların kütlesini ölçmemiz gerekiyor. Nötrino terazimi nereye koydum ben?

Nötrinoları tartmak istiyorsanız bol şans, size kolay gelsin; çünkü her çeşninin üç farklı kütlesi var. Kuantum fiziğindeki Heisenberg’in belirsizlik ilkesi nedeniyle, elektron nötrinonun ve diğer çeşnilerin mümkün olan üç kütlesinden hangisi ölçeceğinizi de önceden bilemezsiniz. Sadece her çeşni kütlesinin bir gözlemlenme olasılığı vardır.

Dahası her çeşninin sahip olduğu üç kütlenin hangisini ölçeceğine dair olasılıklar da farklıdır! Mesela elektron nötrino kütle 3’ü ölçme ihtimali yüzde 10 ise tau nötrino kütle 3’ü ölçme ihtimali yüzde 20’dir (gerçek değil, örnek değerlerdir). Bitmedi, artırıyorum: Bütün çeşnilerde en yüksek olasılıkla kütle 1’i ölçerseniz ama 1) Nötrinolar çeşniden çeşniye dönüşüp dururlar; yani tartıda rahat durmazlar ve 2) Tabii ki sahip olabilecekleri bütün kütleler kesin ölçemeyeceğimiz kadar küçüktür. ☹

Evren adil değildir

Nötrinolar ne kadar hafif derseniz, evrenin en hafif ikinci parçacığı olan elektron tipik bir atomdan on binlerce kat hafiftir; ama ölçebildiğimiz kadarıyla nötrinolar elektronlardan 500 bin kat hafiftir. Vay arkadaş! Peki bu durum neden fizikçilerin canını sıkıyor? Çünkü kütleli parçacıklar kütlesini Higgs alanıyla etkileşim kurarak kazanır ve buna Higgs mekanizması deriz. Ancak, nötrinolar kütlesini Higgs alanıyla kazansaydı 1) Bu kadar hafif olamazlardı, 2) Her çeşninin sadece bir kütlesi olabilirdi. Neden öyle? Alışın, elinizdeki yazıda bunu daha çok soracağız.

İlgili yazı: Düz Dünya Teorisini Çürüten 12 Kanıt

 

Nötrinoların kütlesi nereden geliyor?

Felsefedeki Occam’ın usturası tekniği gereği; karmaşık bir problemle karşılaştığınız zaman, özellikle de elinizde sorunu çözmek için yeterli delil olmadığında en basit cevap genellikle doğru cevaptır. Diyorum ki nötrinolar kütlesini Higgs alanından almıyor olabilir. Peki bunların kütlesi nereden geliyor? Bunun yanıtını bilmiyoruz. Elimizde yalnızca teoriler var:

Bir teoriye göre nötrino çeşnilerinden ikisinin kütlesinin birbirine çok yakın olduğunu göreceğiz. Bu da nötrinoların bileşik parçacıklar olduğunu gösterecek. Tıpkı proton ve nötronların kuarklardan oluşması gibi nötrinoların da daha küçük parçacıklardan meydana geldiğini anlayacağız. Bu keşif yeni sorular yaratacak; çünkü kuarklar çok küçüktür ama nötrinolar en küçüktür. Onları oluşturabilecek parçacıklar ne kadar küçüktür?

Oysa bu teoriden daha popüler bir teori var: Nötrinolar tekil parçacıklar olabilir ama üç kütleye sahip olmalarının ve üç çeşni olmalarının sebebi sağ elli olmaları olabilir. Parçacıkların sağ elli ve sol elli olmasını ayrıca yazdım ama özetle: Bir parçacığın uzayda aldığı yolun yönü kendi çevresinde dönme yönüyle aynıysa o parçacık sağ ellidir. Yok yönüne göre ters yönde dönüyorsa o parçacık sol ellidir (soldan sağa giden bir parçacık soldan sağa dönüyorsa sağ ellidir. Ters yönde dönüyorsa sol ellidir vb.).

Tabii kuantum fiziği nedeniyle parçacıklar kendi çevresinde gerçek anlamda dönmezler. Daha çok tırtıklı bir çarkın dönmesi gibi kesikli olarak dönerler ama bu başka bir yazının konusu. Özetle evrende sağ ve sol elli parçacıklar vardır ama bizler sadece solak nötrinoları görüyoruz. Sağ elliler nerede?

İlgili yazı: DNA Testi Yaparsanız Neler Öğrenirsiniz?

 

Nötrinoların solaklığı ve tahterevalli

Fizikçiler bunu açıklamak için tahterevalli teorisini geliştirdiler. Onlara tahtayı sıyırmak üzereler de diyebilirsiniz ama espri bir yana işimiz zor: Nötrinoların kütlesini açıklamak için bir teori geliştirdik fakat neden farklı kütleye sahip olduklarını açıklamak için henüz kanıtlanmamış ilk teoriyi açıklayan başka bir teori geliştirdik. Bilinmezler içinde matroşka bebekler gibi iç içe geçiriyoruz teorilerimizi. Hayra çıkarız umarım: Tahterevalli teorisine göre sağ elli ve sol elli nötrinolar göbekten birbirine bağlıdır.

Elbette mecazi anlamda: Üç çeşni solak nötrino ve üç çeşni sağ elli nötrino vardır. Üstelik bizim bildiğimiz solak nötrinolar kütlesini görmediğimiz sağ elli nötrinolarla etkileşime girerek kazanır. Dahası solak nötrinoların bu kadar hafif olması imkansızdır. Solak nötrinolar hafiflerken sağ elli nötrinoların kütlesi artarak kütle açığını telafi eder. Peki bunun tahterevalliyle ne ilgisi var?

Her çeşninin üç kütlesi var diyoruz ya, işte nötrinoların ağırlığı değiştikçe sağ elli nötrinoların ağırlığı da değişir. Bir çeşniyi en hafif kütleyle ölçtüğümüzde sağ elli görünmez eşi de en ağır kütlede olacaktır. Hem de çok ağır olacaktır. Bilinen en ağır parçacık nötrondur ama sağ elli nötrinolar varsa bunlar nötrondan on milyonlarca kat ağır olacaktır. Bu da bizi E=mc², yani m=E/c² denklemine getiriyor:

Kütle enerjiden türeyen bir özelliktir. Bu yüzden en ağır temel parçacıklar en küçük parçacıklardır; çünkü küçük parçacıklar daha kolay hızlanabilir ve ışık hızına çok yaklaşabilirler.

Nötrinoların çıkmazı

Dolayısıyla bu parçacıkların kütlesi çapına göre çok artar. Ancak bu da büyük bir sorun oluşturur. Dünyanın en büyük ve güçlü parçacık hızlandırıcısı olan CERN Büyük Hadron Çarpıştırıcısı (LHC) bile teoride öngörülen ağır sağ elli nötrinoları görecek kadar güçlü değildir. Sorun nötrinoların küçük olması değil. Sorun hızlandırıcıda bunları görecek yüksek enerjilere (kütleye) çıkamayacak olmamızdır. Önümüzdeki otuz yılda bile varsa ağır nötrinoları görecek kadar güçlü bir hızlandırıcı yapamayacağız.

İlgili yazı: İnternetinizi Uçuracak En İyi 10 Modem

 

Nötrino kütlesini bulmak zorundayız

Öncelikle parçacık fiziği, kuantum fiziği ve nükleer fiziğin temelini oluşturan standart modelin karanlık madde ve karanlık enerji gibi evrenin büyük kısmını oluşturan iki unsuru içermediğini biliyoruz. Standart modelin eksik olduğunu biliyoruz. Ayrıca yerçekimine yol açan kütleçekim kuvvetini taşıyan teorik parçacığı da bulmak zorundayız. Sicim teorisinde buna graviton diyoruz ama kütlesiz (?) gravitonu gözlemlemek için gereken enerji ağır nötrino enerjisinden bile yüksektir.

Yine de yerçekimini amplihutedron teorisine benzer şekilde parçacıklar arasındaki enerji alışverişinden, network topolojisinden türetmenin bir yolunu bulmadığımız sürece yerçekimine gravitonun yol açtığını kabul etmek zorundayız. Mademki oturduğumuz yerde ağırlığımız var ve rüzgarda savrulan kağıt gibi havaya yükselmiyoruz öyleyse graviton da olmalı. Benzer bir mantıkla nötrinoların kütlesini açıklamanın da bir yolu olmalı.

Bilimdeki yeni gelişmeleri eksik teorilere borçluyuz. Ne zaman teorilerdeki eksikleri kapatsak yeni bir teori geliştirmiş oluyoruz. Örneğin Higgs enerji alanının karşılık geldiği Higgs bozonunu 2012’de LHC’de gördüğümüz zaman standart model tamamlandı. Teoride öngörülen ama o güne dek gözlemlememiş olan tek parçacık Higgs’di ve onu da bulduk. Oysa bu da standart modelin yeni soruları yanıtlamak için bize artık yardım edemeyeceğini gösteriyor. Nötrinoların kütlesi teorideki son eksik nokta olabilir.

Ayrıca evreni en büyük ölçekte açıklayan kozmoloji ile en küçük ölçekte açıklayan kuantum fiziği arasında abi-kardeş ilişkisi vardır. Parçacık fiziğindeki keşifler evrenin nasıl oluştuğunu gösterir ve evrenin nasıl oluştuğu da parçacıkları… Evreni oluşturan büyük patlamanın en hafif atom çekirdekleri ve temel parçacıkları sentezleyecek kadar sıcak olduğunu biliyoruz.  Nötrino kütlesi de bunu etkiliyor:

İlgili yazı: Virüsler Canlı mı ve RNA Yaşamın kökeni mi?

 

Galaksiler ve nötrinoların ilişkisi

Nötrinolar hafiftir dedik ama evrende kütlesi olan en yaygın parçacıklar da nötrinolardır. Dolayısıyla madde ve belki de karanlık madde büyük ölçüde nötrinolardan oluşuyor. Nötrinoların galaksileri bir arada tutan ek yerçekimini sağlayan görünmez karanlık maddeyle ilişkisini Steril Nötrino yazısında anlattım. Ancak, nötrinoların galaksilerin gelişimini etkileyecek kadar bol olduğunu söyleyebilirim.

Tabii bir de madde ve antimadde var. Son olarak bilimkurgu sinemasının en gerçekçi antimadde roketi ISV Venture Star yazısında anlattığım gibi madde ve antimadde temas ettiği anda birbirini yok ediyor. Dahası madde ve antimadde birbirinin ayna görüntüsü olup enerjinin korunumu yasasına göre büyük patlama anında eşit miktarda yaratılmış olmalı. Bu durumda evren neden var?

Madde ile antimaddenin büyük patlamadan sonra birbirini tümüyle yok etmesi ve bugünkü evrenin sadece kütlesiz fotonlardan oluşması gerekmiyor mu? Öyle olmadığına göre bir iş var bunda. Lepton türeyişinde anlattığım gibi o iş de nötrinolar olabilir. Nasıl derseniz: Bugün evren çok büyük ölçüde maddeden oluşuyor. Antimadde ise aşırı derece nadir. Demek ki büyük patlamadan sonra antimadde hızla maddeye dönüşmüş ve böylece madde antimaddeyle yok olmaktan kurtulmuş olmalı.

Bu durumda nötrino ve antinötrinolar da birbirinden farklı olmalı. Ancak, nötrinonun kütlesini açıklamaya çalışan tahterevalli teorisiyle uyumlu olması açısından nötrinolar kendi kendisinin antinötrinosu da olabilir! 😮 Öyle ki nötrinolar rastgele olarak diğer çeşnilere ve buna ek olarak antinötrino çeşnilerine dönüşüyor olabilir. Nötrino çeşnilerinin de kütleyle alakası olduğunu düşündüğümüzde çember tamamlanıyor. Ancak, bunu çözmek için cevaplamamız gereken sorular var:

İlgili yazı: Mor Dünya Hipotezi: Fotosentez Nasıl Başladı?

 

Nötrinolara dair en kritik sorular

Nötrinoların aynı zamanda kendi antinötrinosu olup olmadığını anlamak için nötrinoların kütlesini kesim olarak ölçmemiz gerekiyor. Bundan yararlanarak da nötrino çeşnilerinin birbirine dönüşme sıklığını ölçmemiz gerekiyor (dikkat ederseniz hız demedim; çünkü kuantum fiziğinde bazen hızın bir anlamı yoktur. Nötrinolar anında, yani zaman akmadan başka nötrinolara dönüşüyor olabilir). Nötrino kütlesini ölçmenin nasıl bir bela olduğunu iste çoktan öğrendik. 😉

Ne zaman nötrinolarla ilgili yeni bir şey öğrensek yepyeni sorularla karşılaşıyoruz. Toparlayacak olursak nötrinolar hakkında şu soruları yanıtlayarak evrenin, antimaddenin ve karanlık maddenin nasıl oluştuğunu anlamamız gerekiyor:

• Nötrinolar neden en hafif parçacıklar?
• Yoksa daha küçük ve hafif parçacıklardan mı oluşuyorlar?
• Sağ elli nötrinolar var mı? Varsa en ağır parçacıklar onlar mı?
• Neden her nötrino çeşnisinin üç ayrı kütlesi var? Nötrinoların kütlesi nedir?
• Bizim görebildiğimiz nötrinolar neden solak?
• Nötrinoların kütlesi nereden geliyor?

Nötrinolar gariptir ama yine de ilerleme kaydediyoruz. 2020’de Japonya’daki T2K nötrino deneyinde nötrinolarla antinötrinoların birbirinin tam olarak ayna görüntüsü olmadığını, aralarında küçük farklar olabileceğini gösteren dolaylı kanıtlar bulduk. Bu doğruysa antimaddenin kökenini ve evrenin neden yok olmadığını açıklayan lepton türeyişi teorisini değiştirmemiz gerekecek. Peki hayalet parçacık nötrino ile nasıl kuasar keşfettik ve elektrikli karanlık madde ve steril nötrino nedir? Onu da şimdi okuyabilir ve evren yok eden vakum köpüklerine bakabilirsiniz. Bol gezili bir hafta sonu dilerim. 😊

Nötrino salınımları ve steril nötrino

¹Neutrino Masses and Mixings from String Theory Instantons
²How to add massive neutrinos to your Λ\LambdaΛCDM simulation – extending cosmology rescaling algorithms
³Closing in on neutrino CP violation
⁴Constraint on the matter–antimatter symmetry-violating phase in neutrino oscillations