Hayalet parçacıklar

Kanca

Başparmağının tırnağına bak. Bu dersi dinlediğin her saniye, o küçük tırnağın içinden Güneş'ten gelen on milyarlarca parçacık geçiyor. Bedeninin tamamından geçenlerin sayısı ise saniyede yüz trilyonları buluyor.

Hiçbirini hissetmiyorsun, hiçbiri sana zarar vermiyor ve neredeyse hiçbiri içinde bir iz bırakmıyor. Gece yattığında da geçmeye devam ediyorlar; Güneş ayaklarının altında, Dünya'nın öbür yüzündeyken bile, bütün gezegeni delip gelerek. Bunlar nötrinolar: evrenin hayalet parçacıkları.

Merkezi soru

Nötrino nedir, Güneş'ten bize ne kadar nötrino ulaşır ve maddeyle neredeyse hiç etkileşmeyen bu parçacıklar nasıl yakalanıp evrenin içini görmekte kullanılır?

Anlatım

Füzyonun yan ürünü

Ders 15.6'da Güneş'in merkezinde hidrojenin helyuma dönüştüğünü gördük. OpenStax'ın anlattığına göre bu dönüşümün ilk adımında iki proton birleşip bir döteryum çekirdeği oluştururken bir pozitron ve bir nötrino (neutrino) salınır. Bu adım her helyum çekirdeği için iki kez gerçekleşir; yani oluşan her helyum çekirdeği uzaya iki nötrino yollar.

Nötrinonun elektrik yükü yoktur ve kütlesi son derece küçüktür. Maddeyle neredeyse hiç etkileşmez. OpenStax'ın ifadesiyle Dünya ve üzerindeki her şey, tıpkı Güneş gibi, geçen nötrinolara karşı neredeyse saydamdır. Işığın yüz bin yılda ancak çıkabildiği Güneş'in merkezinden nötrinolar birkaç saniyede dışarı fırlar ve sekiz dakika sonra Dünya'dadır.

Çözümlü problem 1: Güneş'ten kaç nötrino gelir?

Bu sayıyı Güneş'in gücünden hesaplayabiliriz. OpenStax'a göre dört hidrojen çekirdeği bir helyuma dönüşürken 0,02862 atomik kütle birimi kaybolur. Bu kütle, Einstein'ın E = mc² bağıntısıyla yaklaşık 26,7 milyon elektronvoltluk, yani 4,3 × 10⁻¹² jullük bir enerjiye karşılık gelir.

NASA'ya göre Güneş'in ışıma gücü 3,83 × 10²⁶ vattır. Saniyede oluşan helyum sayısı: 3,83 × 10²⁶ / 4,3 × 10⁻¹² ≈ 9 × 10³⁷. Bunu "saniyedeki toplam enerjiyi tek bir helyumun getirdiği enerjiye böl; sonuç on üzeri otuz yedinin dokuz katı" diye okuruz. Her helyum iki nötrino verdiğine göre Güneş saniyede yaklaşık 1,8 × 10³⁸ nötrino yayar.

Bu nötrinolar her yöne yayılır. Dünya'nın uzaklığında, yarıçapı bir astronomik birim olan bir kürenin yüzeyine dağılırlar; bu kürenin alanı 4π × (1,5 × 10¹¹ m)² ≈ 2,8 × 10²³ m²'dir. Metrekare başına akı: 1,8 × 10³⁸ / 2,8 × 10²³ ≈ 6,4 × 10¹⁴ nötrino/m²·s.

Bir santimetrekare, metrekarenin on binde biridir: tırnağının içinden saniyede yaklaşık 6 × 10¹⁰, yani altmış milyar nötrino geçer. Yarım metrekarelik bir beden kesitinden ise saniyede yaklaşık 3 × 10¹⁴, yani üç yüz trilyon. Kancadaki sayılar buradan geliyor.

Hayaleti yakalamak

Bu kadar çok nötrino varken birkaçını yakalamak bile olağanüstü zordur. OpenStax'a göre ilk büyük deney, ABD'nin Güney Dakota eyaletinde bir altın madeninde, yerin 1,5 kilometre altında, yaklaşık 400.000 litre temizlik sıvısıyla dolu bir tankla yapıldı. Nötrinolar sıvıdaki klor atomlarına çarpıp onları radyoaktif argona dönüştürüyordu. Güneş modelleri, tankta günde yalnızca yaklaşık bir argon atomu oluşmasını öngörüyordu.

Dedektörler yerin derinine kurulur, çünkü yüzeyde kozmik ışınların oluşturduğu parçacıklar bu kadar nadir olayları gömer. Kaya, bu parçacıkları durdurur; nötrinolar ise hiç yavaşlamadan geçer.

Çözümlü problem 2: Kayıp nötrinolar

OpenStax'a göre Güney Dakota deneyi, Güneş modellerinin öngördüğünün yalnızca yaklaşık üçte biri kadar nötrino saydı. Günde bir argon atomu beklenirken, ortalamada kabaca üç günde bir atom yakalanıyordu. Bu açığa Güneş nötrinosu sorunu denildi.

Ya Güneş modelleri yanlıştı ya da nötrinolar yolda bir şeye uğruyordu. Cevap ikincisiydi. OpenStax'a göre üç tür nötrino vardır ve Güneş'teki füzyon yalnızca elektron nötrinosu üretir. Nötrinolar Güneş'in merkezinden Dünya'ya gelirken bir türden öbürüne dönüşür; buna nötrino salınımı (neutrino oscillation) denir. Eski dedektörler yalnızca elektron nötrinolarını görüyordu.

Kanada'daki Sudbury Nötrino Gözlemevi, OpenStax'a göre on iki metre çaplı bir akrilik küre içinde bin ton ağır suyla, bütün türleri birlikte sayabildi. Dedektöre ulaşan toplam nötrino sayısı tam olarak Güneş modellerinin öngördüğü kadardı; ama bunların yalnızca üçte biri elektron nötrinosuydu. Hesap tuttu: eksik görünen nötrinolar kaybolmamış, kılık değiştirmişti.

Çözümlü problem 3: Güneş'in ötesinden

IceCube iş birliğine göre, 2017'den önce nötrino yaydığı saptanan gökcisimleri yalnızca Güneş ve Ders 9.5'te anlattığımız 1987 süpernovasıydı. 22 Eylül 2017'de Antarktika buzunun içine gömülü IceCube dedektörü, yaklaşık 290 TeV enerjili tek bir nötrino yakaladı. Geldiği yön, o sırada parlamakta olan TXS 0506+056 adlı bir blazarla, yani jetini bize çeviren etkin bir galaksi çekirdeğiyle örtüşüyordu.

Bu nötrinonun enerjisini bir Güneş nötrinosunkiyle karşılaştıralım. Füzyonun ilk adımından çıkan nötrinolar en fazla bir milyon elektronvolt mertebesindedir. 290 TeV ise 2,9 × 10¹⁴ eV'tur. Oran: 2,9 × 10¹⁴ / 10⁶ ≈ 3 × 10⁸. Yüksek sesle: "iki yüz doksan trilyon elektronvoltu bir milyona böl; üç yüz milyon kadar." Tek bir parçacık, bir Güneş nötrinosunun yüz milyonlarca katı enerji taşıyordu.

IceCube ekibi 2023'te on yıllık veriyi çözümleyerek Samanyolu'nun düzleminden gelen yüksek enerjili nötrinoları da saptadı. Ekibe göre bu nötrinolar, galaksimizde dolaşan kozmik ışınların yolda maddeyle çarpışmasından doğuyor olabilir.

Aslında…

Büyük resim

Nötrinolar, evrenin içini görmenin en doğrudan yoludur. Işık, bir yıldızın yüzeyinden gelir; nötrinolar ise merkezinden, üretildikleri anda çıkar. Güneş nötrinoları, Güneş'in merkezinde füzyonun gerçekten yandığını doğrudan gösterdi; bir süpernovanın nötrinoları, çöken bir çekirdeğin ilk saniyelerini anlattı.

Nötrino gökbilimi aynı zamanda parçacık fiziğinin laboratuvarı oldu. Eksik Güneş nötrinoları, bu parçacıkların yolda tür değiştirebildiğini gösterdi. Bugün Antarktika'nın buzunda ve yerin kilometrelerce altındaki dedektörler, kozmosun en ücra ve en sert köşelerinden gelen hayaletleri dinliyor.

Özet

1. Nötrinolar, Güneş'teki füzyonun ilk adımında oluşan, yüksüz ve maddeyle neredeyse hiç etkileşmeyen parçacıklardır; her helyum çekirdeği iki nötrino yollar ve Dünya onlara karşı neredeyse saydamdır.
2. Güneş'in ışıma gücü ve helyum başına 26,7 MeV'lik enerjiden, Dünya'da metrekare başına saniyede yaklaşık 6 × 10¹⁴ Güneş nötrinosu düştüğü hesaplanır; tırnak büyüklüğünde bir alandan saniyede altmış milyarı geçer.
3. İlk yeraltı deneyi beklenenin üçte birini buldu; Sudbury, eksiklerin yolda başka türlere dönüştüğünü gösterdi; IceCube 2017'de bir blazardan gelen yaklaşık 290 TeV'lik bir nötrino ve 2023'te galaksi düzleminden gelen nötrinoları saptadı.

Görev

Quiz

1. Güneş'te nötrinolar hangi adımda oluşur ve her helyum çekirdeği için kaç nötrino salınır?
2. Nötrino dedektörleri neden yerin derinine kurulur?
3. Güneş nötrinosu sorunu neydi?
4. Güneş nötrinosu sorunu nasıl çözüldü?
5. IceCube'un 2017'de yakaladığı nötrino neden önemliydi?

Cevaplar

1. İki protonun birleşip döteryum oluşturduğu ilk adımda; bu adım her helyum için iki kez olduğundan iki nötrino salınır.
2. Çünkü yüzeyde kozmik ışınların oluşturduğu parçacıklar nadir nötrino olaylarını gömer; kaya bu parçacıkları durdurur ama nötrinolar geçer.
3. İlk yeraltı deneyinin, Güneş modellerinin öngördüğünün yalnızca yaklaşık üçte biri kadar nötrino saymasıydı.
4. Nötrinoların üç türü olduğu ve Güneş'ten gelirken tür değiştirdiği anlaşıldı; Sudbury bütün türleri sayınca toplamın modellerle tuttuğunu gösterdi.
5. Güneş ve 1987 süpernovası dışında bir gökcismiyle, parlamakta olan bir blazarla ilişkilendirilen ilk yüksek enerjili nötrinolardan biriydi ve blazarların yüksek enerjili nötrino kaynağı olabileceğini düşündürdü.

Kaynaklar

Sonraki derse köprü

IceCube'un galaksi düzleminde gördüğü nötrinolar, başka bir gizemin izini sürüyor: uzaydan sürekli yağan kozmik ışınların. Bu parçacıklardan bazıları o kadar enerjiktir ki, tek bir atom çekirdeği, fırlatılmış bir beyzbol topu kadar enerji taşıyabilir. Kozmik ışınlar nedir, nereden gelir ve bu kadar enerjiyi nasıl kazanır?